HighVoltageApparatus
Vol.46No.3第462010卷第3期Mar.
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图1变压器直流偏磁原理
收稿日期：2009-04-20；作者简介：苑
修回日期：2009-11-23
舜（1958—），男，教授，博导，主要从事高电压，高压设备故障诊断的研究。
!!!!\"综述
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磁电流波形呈现正负半波不对称的形状[6]，见图1实线所示。
变压器直流偏磁的直流限值一般定为每相中直流电流小于交流额定有效值；文[7]通过计算得出，每相中直流电流应不大于1.1倍变压器额定励磁电流；文[8]认为在无可靠资料情况下，可按噪音增量不大于10～15dB进行估算。
2
直流偏磁对变压器的影响
2.1
变压器损耗增加、温升增加、引发局部过热直流偏磁会引起变压器励磁电流大幅增加，饱
和程度加深，使其绕组、铁心、油箱和夹件的涡流损耗增加，进而引起变压器顶层油温和绕组温度增加，导致局部过热[9-11]。
2.2噪声增大
直流偏磁使变压器铁心磁通饱和，谐波分量增
加，导致磁滞伸缩加剧，噪声增大[12]。
2.3振动加剧
直流偏磁使变压器励磁电流畸变，引起漏磁通
增加，导致绕组电动力增加，在一定程度上使变压器振动加剧[2，12]。
2.4系统电压下降
直流偏磁引起变压器磁路饱和，励磁电流增加，无功消耗增大，造成无功补偿装置过载或系统电压下降[13－14]。
2.5继电保护误动作
直流偏磁使变压器成为交流系统的谐波源[4]，
谐波流入系统后会引起系统电压波形畸变，继电保护误动[6]。
3直流偏磁的分析计算方法
对变压器直流偏磁的研究一般是通过实测建
立相应的计算模型[4]，进行模拟仿真计算。
文[5]详细计算了由于触发不平衡和交流系统正序二次谐波在换流变压器中产生的直流偏磁电流；文[7]利用EMTP软件计算出直流偏磁时变压器的励磁电流，以论证变压器允许通过的最大直流电流；文[8]通过网络分析计算得出，流过各变压器绕组的直流电流大小不仅与接地极的距离相关，同时与极址土壤导电性能、电力系统网络接线及其参数有关。
文[15]对变压器噪声、中性线直流电流及变压器高压侧谐波电压进行实测，分析直流偏磁对变压器的影响；文[16－17]提出了一种在直流偏磁情况下研究变压器空载的二维瞬态场路直接耦合有限
元分析方法，分析了在不同直流偏磁情况下，变压器空载状态下的心磁感应强度、励磁电流情况。结果表明，随着变压器直流电流的增加，变压器铁心饱和度愈高，励磁电流畸变愈严重。
文[18]给出变压器、直流输电网络以及自耦变压器等值电路模型。以一个只有2台变压器的简单系统为例，考虑了感应地电位、接地电阻后的直流网络及其单相等值电路见图2，其中Rw1、Rg1、Rw2、Rg2分别为变压器1和变压器2的绕组直流电阻和接地电阻，RL为线路电阻，Eg1、Eg2分别为2变电站的接地网感应电位。
自耦变压器等值电路见图3。同时因杆塔接地电阻一般较大，忽略它对直流电流分布的影响。
图3自耦变压器的直流等值电路
对复杂网络可以利用上述模型，采用节点分析法求解。
YnUn=Is
（1）
式（1）中，Yn为节点导纳矩阵；Un为节点电位；Is为
等效电流源列向量。
文[19]设定变压器铁心磁感应强度偏离原点，
Bb为维持系统工频电压正弦波形，铁心中磁感应强
度瞬时值B（t）应为
B（t）=Bb+Bmaxsin（ωt）
（2）根据磁化曲线B=f（H），计算得到H（t）为H（t）=f-1
［B（t）］=f
-1
［Bb+Bmaxsin（ωt）］
（3）
得到励磁电流i（t）为
i（t）=f-1［Bb+Bmaxsin（ωt）］×imax/Hmax
（4）将i（t）进行傅里叶变换，即得到流过变压器绕组励磁电流的直流、工频和各次谐波分量。
文[20]针对直流偏磁对变压器影响的实验研究和数值计算仿真过程中，如何引入直流量问题，通过实验和数值分析，得出同侧引入直流电流比异侧
引入直流电流更能准确地反映变压器直流偏磁问题。
文[3，21]中，通过铁心的非线性磁化曲线
Jiles-Atherton理论，建立了变压器铁心的仿真模型
并利用该模型分析了直流偏磁大型变压器开路时励磁电流的波形特征。仿真结果表明，随着流入变压器的直流电流增加，励磁电流畸变愈严重，并在励磁电流增大到一定程度后严重半周饱和，其谐波分量越来越大且出现随直流电流增加而快速增长的偶次（主要是2次）谐波。
文[22]提出了接地极耦合分析的网络算法。假设电力系统由m个母线节点，n座厂站，k条点对点直流输电线路，l台接地变压器组成，假设无穷远处直流电位为0，则系统k条直流线路同时单极大地运行时满足以下矩阵方程dGaaGad
dd。
Ua
Gd=dd0）
daGdd
Ud
I（5d
式（5）中，Gaa为交流电网的（m+n）×（m+n）阶直流电导矩阵；Gad为交流电网与直流网互电导组成的（m+
n）×2k阶电导矩阵；Gdd为直流接地极特性组成的2k×2k阶电导矩阵；Ua为交流电网母线及交流接地
极（m+n）维直流电压向量；Ud为直流接地极母线2k维直流电压向量；Id为直流单极大地回路运行时注入接地极的2k维大地电流向量。
给定G、I后，可求得交流母线的直流电压Ua
Ua=-（G-1
aa-GadGddGda）G-1
adGddId
（6）则变压器中性点的直流分量Il为
Il=Gl（UWI-UNI）
（7）
式（6）中，Gl为变压器绕组的电导；UWI为变压器母线直流电压；UNI为变压器中性点与接地极连接处的直流电压。
4抑制方法
目前，抑制直流偏磁主要采取限流和隔直的方
法[23-25]。
4.1中性点注入反向直流电流
向变电站接地网注入一定反向直流电流来降低（或升高）其电位，这样会使通过地网流过中性点接地变压器的直流电流减小，在一定程度上抑制变压器的直流偏磁[25-27]。补偿装置示意见图4。限流电抗器用于限制进入直流发生装置的交流电流[25-27]。
文[27]指出，中性点注入反向直流电流方法不改变系统参数，对继电保护、自动装置、绝缘配合等不产生影响。负电位补偿时可对地网起阴极保护作
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图4
变压器中性点注入反向电流原理图
用，其缺点也可采取以下措施适当解决：
1）架空避雷线的分流对补偿效率会产生影
响，通过增加补偿设备容量来解决；
2）正电位补偿时会对地网产生轻微腐蚀的
问题可以忽略不计；
3）辅助接地极选址不当会加重其他变电站
的直流偏磁，通过综合考虑系统网络布置、辅助接地极选址远离其他变电站等方法得到解决。
文[28]通过现场应用实例说明由于变电站运行方式的变更，会引起直流电流方向的偏移，存在注入的反向电流不可能随时调整的问题。
4.2中性点串联电阻
流过变压器直流电流的大小取决于直流输电
大地回路所造成的中性点接地电位差，以及变压器中性点接地电阻、绕组和连接线路的等效电阻，因此，在中性点接地线上串联限流电阻，可以有效地抑制中性点的直流电流。
文[15]指出对所串联的电阻的耐受电压及热容量具有很高的要求；中性点串联电阻改变了系统结构，继电保护及自动化装置需重新整定，绝缘配合也要作相应校验。
文[29]指出为满足限流的要求，装设的限流电阻阻值应足够大。但是串联大电阻不能保证系统可靠接地，若在故障时用放电间隙将此电阻旁路，会使系统接地阻抗不连续，使继电保护配置复杂化。另外，当系统发生故障时，还会导致变压器中性点过电压等一系列问题。
文[30]论证了在变压器中性点串接电阻限制直流的可行性，并从抑制中性点直流与过电压效果和继电保护角度分析及校核了中性点电阻对系统造成的影响。
4.3中性点串联电容器
中性点串联电容器是将电容器串入变压器中
性点与地之间，隔断直流电流以消除直流对变压器的影响。
文[27，31]指出所串电容器的电容量较大，价格
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昂贵、占地面积较大；同时，该方法改变了系统的零序阻抗，继电保护、自动化装置和绝缘配合等方面均需重新校核整定，在大电流冲击下还有爆炸危险，其经济性和实用性方面都有所欠缺。另外，该装置投入运行后，极有可能造成其他变压器中性点的直流电流增大，从而导致其他变压器的直流偏磁。
为了解决上述问题，文[32]提出在电容器两端并联旁路电路，原理图见图5。图中保护间隙用来防止当电容或其他设备有故障时在变压器中性点出现超过其绝缘水平的高过电压。如果主变中性点电容器损坏或电流旁路保护装置发生故障，则可闭合与之并联的旁路刀闸将其旁路，使主变中性点直接接地，然后再打开装置两端的隔离刀闸，使其与系统隔离，即可对电容器或电流旁路保护装置进行维修。
图5
中性点串联电容原理图
4.4交流输电线串联电容
在变压器绕组出线处串联耦合电容以阻断直流
电流[4，28]。
文[4]指出在一个电压等级的输电线路上装设串联电容并不能限制直流电流通过自耦变压器流到另一电压等级的线路，必须在与交流系统相联的所有出线上均装设串联电容器，才能有效地抑制和消除流过相关变压器中性点的直流电流。
4.5电位补偿法
在变压器中性点与地网之间串接一个电位补偿
元件，全额或部分补偿地中电流引起的交流电网各变电站接地网之间的电位差，使交流电网变压器中性点电位相同或相近，有效抑制变压器中性点直流电流[33]。
文[33]提出的电位补偿装置的原理图见图6。装置由测量、控制、补偿、保护、旁路开关等部分组成，其中由双向可变直流电流源和补偿电阻R组成的电位补偿单元是装置的核心。可以根据大地电流的
大小和方向直接手动设定电位补偿度，也可实施闭环控制，由控制单元根据量测单元检测到的变压器中性点直流电流的大小和方向控制双向可变直流电流源的输出，在补偿电阻上产生所需电位补偿度，达到限制主变压器中性点电流的目的。
图6电位补偿装置原理图
与中性点注入反向电流法相比，电位补偿法无需另建辅助接地极（网），不存在辅助接地极入地电流对周边环境的影响，其电流源容量通常小于中性点注入反向电流法[33]。
4.6改善电网中直流电流的分布
在上述方法实际操作中发现，为消除某台变压
器的直流偏磁而不得已断开接地，但却使其他变电站的变压器中性点直流电流增大并引起了直流偏磁。所以，在电流超标的变压器中性点安装抑制装置不能从根本上解决该问题[18]。
文[18]以全网变压器中性点接地电流小超标为目标，在分析直流网络的基础上提出基于伴随网络的接地电阻优化配置方法。在每次迭代求解过程中，
在考虑了接地支路的约束条件下修改灵敏度最高的接地支路接地电阻，直到所有接地支路的中性点电流小于其限值对接地电阻进行优化。该需要对电网内土壤电阻率的分布、电网参数及变电站接地网情况等资料充分掌握，且其数学模型及计算方法均比较复杂。
4.7降低变压器运行工作点
变压器运行于铁心励磁特性曲线上的不同工作
点时，其承受直流偏磁电流干扰的能力会受到一定的影响，见图1。随着运行工作点的降低，同样幅值的直流偏磁电流所产生的干扰将会有所减弱[27]。
5结语
变压器发生直流偏磁，会影响变压器的安全运
行，进而影响系统电能质量。
抑制变压器中性点直流是一个综合性的问题。对变压器制造商而言，因国内对变压器直流偏磁承受能力尚无明确标准规定，所以解决问题的关键是正确提出变压器允许通过的直流电流水平限值；对
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电力公司而言，在选择接地极址时，应论证直流接地极电流是否对交流电力变压器产生磁饱和影响，并应根据系统的运行方式采取适当的抑制措施，限制变压器中性点的直流水平。
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流接地等故障以及可能出现的回路不通的问题，保证安全，提高试验成功率。
更好掌握断路器的状况。
2）结合变电站现场遇到的各种仪器使用方面的
问题，笔者认为，在避免机械特性和低电压测试存在的各种设计问题的基础上，应该将两种试验结合在一台仪器中，即只用一台仪器就可以完成整个断路器的特性试验，以防止变电站直流系统发生接地的可能。目前已经有一些仪器设计单位生产出了相应的产品。
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3）应尽可能地获取时间－行程曲线数据，以便
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