变压器直流偏磁产生原因、影响和防范措施

发布时间：2021-03-24T02:58:55.152Z 来源：《河南电力》2020年9期 作者： 沈海峰[导读] 浙江省受一次能源匮乏等制约，外购电成为满足电力供应的重要保障。（浙江浙能电力股份有限公司萧山发电厂）

摘要：直流偏磁是指直流电流注入变压器绕组中，导致变压器磁通中产生直流分量而导致的一系列电磁效应，使变压器工作在非正常工作状态的现象。随着直流输电系统的日益发展，直流输电距离不断加长，输送容量不断加大，直流偏磁对换流站周边的发电厂和变电站主变压器的影响也不断加剧，本文对直流偏磁产生的原因进行了说明，对现有主变压器直流偏磁抑制措施及优缺点进行了阐述。 关键词：直流特高压；直流偏磁；原因；影响；防范措施

1.浙江省电网直流特高压发展情况

浙江省受一次能源匮乏等制约，外购电成为满足电力供应的重要保障。由于高压直流输电系统具有造价低、损耗小、稳定性高等优点，在远距离、大功率输电中得到越来越广泛的应用。近年来，浙江省特高压直流系统发展迅速，供电能力和供电量持续攀升。2014年7月，四川溪洛渡左岸-浙江金华±800千伏特高压直流输电工程（宾金直流工程）投产；2016年11月，宁夏灵州-浙江绍兴±800千伏特高压直流输电工程（灵绍直流工程）投产。

分析表1统计数据，2018年浙江省外购电力、电量分别达到3011万千瓦、1497亿千瓦时，分别占全省最高负荷及用电量的37.5%、33%。其中宾金直流最大外购电力、电量分别为564.19万千瓦、257.17亿千瓦时；灵绍直流最大外购力、电量分别为752.25万千瓦、334.22亿千瓦。宾金直流和灵绍直流的最大外购电力、电量分别占外购总量的43.72%，39.51%。此外，浙江省还接受吉泉±1100千伏供电能力1200万千瓦的直流特高压分电。另外，据了解四川白鹤滩至浙江±800千伏特高压直流规划于2022年投产，电力供应能力800万千瓦。宾金、灵绍两条直流特高压入浙加上已投运的两条交流特高压，“两交两直”特高压网架进一步强化了浙江电网的主网架，为浙江电力长期稳定供应提供了保障，为服务浙江经济社会发展提供了关键性支撑。

2.变压器直流偏磁产生原因 2.1高压直流输电

当系统以单极大地回线方式或双极不平衡方式运行时，可能高达上千安的直流电流通过换流站接地板流入大地，直流电流回路上的大地将产生电位梯度。如果两个变电站均有变压器中性点接地并且其直流地电位有差异，直流电流将以变压器、大地和输电线为回路，从电位高的变压器中性点流出，从电位低的变压器中性点流进。变压器绕组流过的直流电流导致运行中的变压器产生直流偏磁，给变压器本身和交流电网的安全运行造成不良影响。它持续时间较长，但值较小。 2.2 太阳磁暴产生的地磁感应电流

太阳等离子风的动态变化与地磁场相互作用产生的地磁“风暴”，地球表面将由于地磁场的活动产生电位梯度，其大小取决于地面电导率和地磁风暴的严重程度。处于不同电位梯度的中性点接地变压器通过输电线和大地形成回路，将在绕组中诱发地磁感应电流，由于感应电流频率较低（这种地磁感应电流的频率大约为0.001一1Hz之间），相对于工频50Hz电流来说，可以近似看成直流。地磁感应电流超过一定限值时，就会导致变压器产生直流偏磁现象。它持续时间短，但值较大。 2.3 高空核爆电磁脉冲（即HEMP）的晚期效应（即E3阶段）。

诱发直流偏磁问题原理与地磁暴相似，其频率很低，作用时间在1秒到百秒之间，也会在接地导体附近形成直流电场，产生近似直流的低频电流。

3.直流偏磁对变压器的影响

直流输电系统在双极不对称或单极运行时，将有一定的直流电流通过直流系统接地极流入大地，同时在大地表面形成不等电位，这时直流电流可能通过变压器中性点进入变压器绕组，在变压器绕组中形成直流电流，变压器磁密工作点发生偏移，使变压器产生直流偏磁，

严重危害电力系统的安全运行。根据实际运行经验表明，直流输电工程的入地电流对区域电网安全运行造成不利影响。直流偏磁危害主要有以下几个方面：

3.1 变压器噪声和振动加剧

当变压器中性点流入或流出直流电流时，直流电流将在铁芯中产生直流磁通，直流磁通与交流磁通叠加，使得一个半周的磁通大大增加，铁芯饱和，而另外一个半周磁通减小。由于变压器磁滞伸缩的原因，当变压器发生直流偏磁时，铁芯的伸缩、振动幅度将增大，从而导致噪声增大；同时，由于磁滞伸缩产生的振动非正弦的，其噪声包含多种谐波分量，当某一分量与变压器构件发生共振时，噪声将更大，有可能导致变压器内部零件松动、绝缘受损。天广直流和三广直流同时同极性单极大地回线运行时，岭澳主变中性点最大直流电流达到43A，岭澳核电站主变压器先后发现不同程度的铁心绑带松脱、铁心柱弯曲、铁心片叠片串片等问题；两台变压器还由于铁心柱严重弯曲和铁心片叠片串片，造成绕组内部短路，不得不返厂维修。龙泉-江苏政平500KV直流输电工程调试，常州武南两组500KV主变压器中性点直流电流达到了12.8A，噪声最高达91.4dB。 3.2变压器损耗增加、温度升高

直流偏磁会增加变压器的励磁电流度，使变压器磁通过度饱和。励磁电流处于磁化曲线的饱和区域内，增加变压器的漏磁通。漏磁通流经变压器的油箱、压板和夹件等，增加涡流损耗，使金属和邮箱过热。如果铁心磁通密度增加，也会增加该损耗。严重时可能造成变压器损坏及保护误动。 3.3电压波形畸变

由于变压器铁心发生直流偏磁，严重时铁心可能工作在饱和区，从而使变压器漏磁通增加，使电压波形发生畸变。贵州高坡-广东肇庆直流输电在单极大地回线运行方式下，广东电网220KV春城站变压器中性点直流电流达到34.5A，噪声达到93.9dB谐波电压总畸变率达2.1%。

3.4产生谐波

正负半波对称的周期性励磁电流中只含奇次谐波。由于直流偏磁的作用，使半波深度饱和的变压器励磁电流中出现了偶次谐波。此时，变压器成了交流系统中的谐波源，可能会造成补偿电容器组发生谐波放大甚至谐振，危害电容器组的安全运行。在三广直流输电系统发生单极大地回线运行时，广东电网500KV惠州变电站监测到主变低压侧第2、3组电容器的4次谐波电流有效值达到200A。由于谐波电流严重超标，第2、3组电容器曾先后发生过5次爆炸事故。 3.5影响电网稳定性

如果变压器的励磁电流滞后系统90 °，会导致无功功率损耗。通常情况下，它的损耗比较轻微。但是，如果无功功率急剧增加，就会产生大量无功损耗，并增加输电线路损耗。如果铁芯中，磁通密度处于饱和状态，会对励磁电流波形产生干扰，增加其峰值，导致继电保护装置误动作，不利于电网稳定运行。 4.变压器直流偏磁的防范措施 4.1装设电容隔直装置

电容隔直装置具备效率和安全效益层面的双向优势，可以有效隔绝大地系统中直流电流分量对主变压器的影响，减少损耗，且对系统继电保护的影响比较有限，对主变压器的安全运行有重大作用。据统计，南方电网公司部分500 kV变电站主变中性点自加装电容隔直装置以来，总体运行情况良好，当发生中性点直流偏磁时，隔直装置均能进行良好的精准分析，正确的做出动作。 4.2反方向注入电流

将反向直流电流注入变压器中性点，对原有偏磁电流进行抵消。在变电站外补偿接地极和变压器中性点之间注入直流电流，经过变压器绕组和电网，能够实现该电流的部分回归，使其返回补偿接地极。对直流发生装置输出直流电流的方向和大小进行有效控制，以对变压器中性点原有直流电流进行抵消。对具体的参数进行反向注入，使其对运行系统的影响参数进行抑制。它具有较高要求，且相对比较复杂。

4.3中性点串联电阻

中性点串联电阻是在变压器中性点和地之间对相应限值的电阻进行串入，它能够缩减中性点部位的电流，使其与具体的项目相符合。在许可范围内，合理改变串联电阻中直流电流的分布，以对电流超标问题进行有效控制，实现偏磁。串入电阻的过程中，也升高了变压器中性点的对地电位。虽然串联电阻值比较低，但是它的容量比较大。加之，工作人员对变压器的绝缘性能进行核算，中性点串联点能够对系统阻抗能力进行更改，进而对自动化装置进行核算和保护。 4.4电位补偿

变压器发生直流偏磁，在中性点中对反向的直流电流进行接入，对直流偏磁的负面影响进行抵消和削弱。电位补偿法包括正电位补偿和负电位补偿。它不需要对系统参数进行更改，更不会影响继电保护和自动装置的正常运行。同时，负电位补偿过程中，能够对地网进行

阴极保护。

但是它也具备相应的缺陷：正电位补偿会腐蚀地网。正电位补偿背景下，电流经过地网，很容易发生腐蚀。该种腐蚀情况持续时间比较短，对地网的影响也比较轻微。如果辅助接地极选择不科学，会使系统周边变压器直流偏磁问题加剧。电力人员在辅助接地极安装过程中，对它的位置进行合理选择，使其与系统内部其他变压器保持一定的距离，将其对变压器的干扰降到最低。 5.结语

近年来，由于输送容量大、损耗低、输送距离远、控制方式灵活、线路无需无功补偿及联网方便等优点，超、特高压直流输电在我国的电力建设工程中效益日益显现，直流偏磁导致的变压器振动等现象日趋严重，中性点直流偏磁对变压器的运行产生了负面干扰。电力人员要采取科学合理的方法对流入变压器中性点的直流电流进行严格控制，将它对变压器的干扰降到最低。