摘 要：我國的煤炭資源三分之二都集中在內(nèi)蒙古、山西，使用中這些能源進(jìn)行火力發(fā)電，生產(chǎn)電力向沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)運(yùn)輸要使用遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)。采用長距離傳輸?shù)闹绷鬏旊姺桨?，有利于提高電力傳輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性、靈活性、穩(wěn)定性，系統(tǒng)運(yùn)行過程中調(diào)度電力也比較靈活，高壓直流傳輸技術(shù)具備非常好的前景。然而，高壓直流輸電系統(tǒng)易出現(xiàn)主變直流偏磁，當(dāng)系統(tǒng)直流用單極大地返回工作的方式，會出現(xiàn)主變壓器異常，噪音增大振動變大。隨著我國大力實施西部向東輸送電力的政策，中國高壓直流輸電（HVDC）技術(shù)越來越多地使用在電力網(wǎng)絡(luò)中，這個問題顯得更加迫切和重要。國華呼倫貝爾電廠產(chǎn)生的主變壓器直流偏磁現(xiàn)象，是由于接地網(wǎng)之間存在電位差引起變壓器中性點產(chǎn)生直流分量，在交流系統(tǒng)中將會產(chǎn)生振動、噪音等等問題，嚴(yán)重影響變壓器的運(yùn)行，進(jìn)而影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和設(shè)備安全。

關(guān)鍵詞：變壓器；直流偏磁；抑制技術(shù)

1 研究背景與意義

為了促進(jìn)國家“西電東送、全國聯(lián)網(wǎng)”逐步實施的能源發(fā)展戰(zhàn)略，中國策劃了一系列高壓輸電直流線路，其中具有很多困難，具有很長的輸電線路，傳輸容量大，損耗低，自動化程度高等特點。在高壓直流輸電東北項目中，呼倫貝爾至遼寧高壓直流輸電工程建成后，打開蒙東電網(wǎng)至遼寧中部傳輸電力網(wǎng)絡(luò)的渠道，形成了第一個國網(wǎng)系統(tǒng)交直流混聯(lián)系統(tǒng)，電力系統(tǒng)的電力輸出，大大提高了傳輸跨區(qū)域電力的能力。然而，輸電線路直流輸電具有一定的故障時或者調(diào)試的時候，必然在操作單極模式，操作模式雙極傳輸系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為單級傳輸?shù)倪^程中，將使用土地作為電路回流到系統(tǒng)中，數(shù)千安培通過接地注入地面，它會導(dǎo)致在周圍的變電站接地極電位產(chǎn)生變化。進(jìn)而形成一定的電位差，直流電將從輸電線路流經(jīng)大地到變壓器中性點，使變壓器出現(xiàn)直流分量，從而產(chǎn)生變壓器偏磁現(xiàn)象。同時，交流輸電系統(tǒng)會產(chǎn)生不同程度的影響，特別是在變壓器的交流直流分量疊加，從而引發(fā)變壓器鐵芯磁通的變化，在交流系統(tǒng)中將會產(chǎn)生振動、噪音等等問題，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

因此，直流偏磁是由于外部電壓環(huán)境變化引起，而強(qiáng)加于中性點直接接地的變壓器，研究直流偏磁抑制技術(shù)對電力系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要的實際意義。分析所產(chǎn)生的直流偏磁的原因分析，并研究適當(dāng)?shù)拇胧﹣硪种浦绷髌?，使高壓輸電過程中的變壓器的安全性得以提高。

2 變壓器直流偏磁分析

2.1 變壓器的直流偏磁機(jī)理

流入變壓器繞組直流會使鐵芯磁場出現(xiàn)不對稱曲線，更顯著問題是直流偏磁的出現(xiàn)。這時系統(tǒng)內(nèi)的主變壓器噪音會變大，而激磁電流內(nèi)產(chǎn)生大量諧波，且變壓器的無功損耗會增加，使系統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置發(fā)生過載現(xiàn)象，或是線路的電壓降低。諧波進(jìn)入電力系統(tǒng)中，從而導(dǎo)致異常的電壓波形出現(xiàn)，以及該濾波器將過載，保護(hù)誤動作。

使用變壓器中性點接地的方法進(jìn)行高壓直流輸電，中性點接地的方法是可通過該方法將單極大電流返回大地，實現(xiàn)單極工作?；谠撝绷鹘拥貥O接地，接地電阻會導(dǎo)致各變電站系統(tǒng)之間產(chǎn)生壓差。例如兩個分站之間具有電位差，要求系統(tǒng)內(nèi)各變壓器必須承擔(dān)的電位差變化的影響。中性點的交流系統(tǒng)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)大型并聯(lián)變壓器因為電位差可能產(chǎn)生直流電流，從而形成主變壓器的直流偏磁，對變壓器帶來一定的影響。

2.2 直流偏磁產(chǎn)生的原因

直流偏磁產(chǎn)生的原因有幾種，在變壓器的正常運(yùn)行時出現(xiàn)的此現(xiàn)象，通常是由以下兩個方面引起的：

（1）太陽等離子風(fēng)和地球磁場互相作用進(jìn)而產(chǎn)生的磁暴。在地球表面造成的磁場電位梯度，其高低與大地電導(dǎo)率以及磁暴的大小有關(guān)，在土壤高電阻的區(qū)域電位差可能達(dá)到相當(dāng)高的程度。1989年3月13日太陽磁暴導(dǎo)致魁北克電網(wǎng)造成大范圍的停電。這類直流偏磁的是很大，但持續(xù)時間短，發(fā)生頻率較少。

（2）直流輸電系統(tǒng)和交流系統(tǒng)的電壓，在同一區(qū)域或系統(tǒng)同時運(yùn)行電流，電壓電流負(fù)載曲線非對稱。超高壓和特高壓直流輸電系統(tǒng)有幾個運(yùn)行方式，如正和負(fù)雙極運(yùn)行中，一個單級一金屬回路運(yùn)行等。單極大地返回運(yùn)行方式是使用大地作為回路，通過一導(dǎo)線設(shè)置工作電流回路，能夠有效地節(jié)約建設(shè)成本，這是高壓直流輸電的重要途徑。當(dāng)雙極運(yùn)行回路中，如果存在雙極不對稱運(yùn)行，不對稱和接地故障等有關(guān)，這時候類似于單極大地返回運(yùn)行方式。在高壓直流傳輸系統(tǒng)的回路方式中，單級一金屬運(yùn)行方式和雙極回路時，一般不會影響交流電網(wǎng)中的變壓器。在單極大地返回運(yùn)行方式或正、負(fù)極嚴(yán)重不對稱運(yùn)行時，系統(tǒng)中的變壓器將受到嚴(yán)重影響，導(dǎo)致中性點直接接地的變壓器產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象。影響的程度除了與直流換流站距離有關(guān)系外，也與土壤、地貌等情況有關(guān)系，輻射范圍將呈不規(guī)則形狀。此類直流偏磁的數(shù)值相對會小，但是持續(xù)的時間長，而且周圍變電站受影響的可能性變大。

2.3 直流偏磁對變壓器的危害

當(dāng)高壓直流傳輸系統(tǒng)接地極電流引發(fā)變壓器電位增高時，如果兩個變電所存在電位差，直流電流將流經(jīng)電力系統(tǒng)及變壓器中性點到變壓器線圈，使得變壓器鐵心磁通量急劇飽和，從而提高磁通量泄漏，從而增加了鐵損，使變壓器鐵心和夾件過熱導(dǎo)致絕緣老化，危害變壓器使用壽命，對變壓器的正常運(yùn)行產(chǎn)生很大的影響；在同一時間內(nèi)，直流電流會讓勵磁電流的產(chǎn)生畸變，從而出現(xiàn)了大量的諧波，從而造成變壓器損耗增加，振動增強(qiáng)噪聲增加等一系列影響。而且直流偏磁還會使繼電保護(hù)誤跳設(shè)備，可能導(dǎo)致大電容器退出系統(tǒng)，系統(tǒng)電壓迅速下降，最終失去了大部分的負(fù)荷。

2.3.1 噪聲增大

變壓器噪聲是由硅鋼片的磁伸縮引起的，在正和負(fù)不對稱周期性變化的磁場下，硅鋼片調(diào)整它們的大小，從而引起振動和噪音。振動產(chǎn)生磁致伸縮也是不規(guī)則的，這就會使噪聲隨磁通密度增大而變大。當(dāng)變壓器繞組中流經(jīng)直流電流時，使得勵磁電流產(chǎn)生畸變，產(chǎn)生了各次諧波，同時主磁通也成了正負(fù)半軸不對稱的周期性變化磁場，噪聲也就增加了。在直流偏磁情況時，變壓器繞組中同時包括奇次和偶次諧波分量。因此，對應(yīng)諧波電流，變壓器的噪聲頻譜中既含奇次諧波分量，又含偶次諧波分量。

變壓器鐵芯硅鋼片的磁致伸縮使鐵芯變壓器也使得振動變大，振動大，導(dǎo)致變壓器的部分松動，使松弛，引起發(fā)熱，放電等，或纏繞部件掉落，危及變壓器的安全運(yùn)行。這表明，該溫度上升引起的直流偏磁的高噪聲和振動引起的嚴(yán)重問題。

2.3.2 變壓器損耗增加

變壓器的損耗包括繞組損耗（銅損）和磁芯損耗（鐵損）。變壓器的銅耗包括基本運(yùn)行的銅耗和額外損失。在直流偏磁的影響下，變壓器的勵磁電流可顯著增加，導(dǎo)致變壓器銅損的急劇上升。然而，由于主磁通保持正弦波和磁通密度的變化比較小，所以通過相對小的進(jìn)氣的銅產(chǎn)生的附加銅損的電流直流偏磁的影響主要是基礎(chǔ)銅耗。變壓器鐵損包括鐵芯損耗和附加鐵損。基本鐵損成正比的磁通密度的平方成正比。對于接線方式為Y/Δ和Δ/Y的變壓器，勵磁電流中包含著諧波分量，因為主磁通仍然是正弦波，以使直流電流變壓器繞組不會在產(chǎn)生鐵心損耗太大的影響。但是，勵磁電流流經(jīng)磁曲線的飽和部分，所以造成變壓器漏磁通增大。而這些漏磁通將擴(kuò)散到夾板、外殼等部件，使其產(chǎn)生額外的渦流損失，即額外的鐵損。這部分鐵耗將隨著磁通增大而增大。這就說明變壓器線圈中直流電流的增大，其鐵損就會隨之增大。

直流偏磁將導(dǎo)致變壓器的勵磁電流增大，其產(chǎn)生多個諧波渦流損耗和鐵損大幅增加，由于導(dǎo)線的集膚效應(yīng)造成銅損耗增加。有了穩(wěn)定的，持續(xù)增長漏磁變壓器直流偏磁，使得鐵實際損失變大，其他結(jié)構(gòu)的溫度上升，造成油局部溫度和溫度上升，影響的絕緣和變壓器組件，甚至造成變壓器損壞。

2.3.3 變壓器振動加劇

變壓器的振動主要為鐵芯硅鋼片磁滯伸縮引起的，振動頻率作為周期性勵磁電流。在直流電流流經(jīng)變壓器線圈時，磁通出現(xiàn)偏移故而變壓器的勵磁電流畸變，造成鐵心磁滯伸縮增大，并且漏磁通的增大造成了變壓器線圈電動了的增大，對變壓器振動加劇有一定的影響。

2.3.4 導(dǎo)致系統(tǒng)電壓波形畸變

當(dāng)變壓器發(fā)生直流偏磁時，直流偏磁能使變壓器變成交流電源系統(tǒng)的諧波源，該系統(tǒng)將引起電壓波形畸變，有可能引起的問題有：繼電保護(hù)誤動作，濾波器過載，操作過電壓等等。直流偏磁對輸電系統(tǒng)也會引起負(fù)面影響，如流過變壓器的直流電流導(dǎo)致電流的增加，增加了變壓器無功功率損耗，因此，可能導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓降低。

3 變壓器直流偏磁抑制技術(shù)

變壓器直流偏壓抑制系統(tǒng)的原理是，流過交流變壓器的中性點，減少或消除了使用交流變壓器的直流電流的反向流動的電流的直流電流的實時檢測的大小。設(shè)置一個裝置，以自動檢測并調(diào)整為在交流變壓器和直流電流現(xiàn)金注入變電站接地網(wǎng)絡(luò)在相反方向，以減少或消除在交流變壓器中流動的直流電流。設(shè)置反向直流電流產(chǎn)生意味著同時設(shè)置直流電流回路，接地直接聯(lián)通，目前的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)發(fā)展外地輔助關(guān)在距變電站的安全距離，裝置的直流電流發(fā)電機(jī)的輸出電流，以提供一個返回通道。直流輸出電流，器件電流產(chǎn)生，其中網(wǎng)絡(luò)內(nèi)地變電站注入的一部分，其余部分通過交流變壓器流入中性點，在網(wǎng)絡(luò)上的流通之后，從一個地面中性變電站返回在合并的注入電流網(wǎng)絡(luò)的前接地變壓器大陸，然后流入到通過產(chǎn)生直流返回輔助電極線路的接地裝置，以形成一個回路。

3.1 反向電流法

變壓器中性點內(nèi)串入一直流的電壓源，按測得直流電數(shù)值對此電壓源的設(shè)置進(jìn)行動態(tài)化調(diào)整，實時供給反向的直流電。此電壓源在確保絕緣要求符合標(biāo)準(zhǔn)前提下輸出幾百伏電壓。應(yīng)用此裝置較為靈活，且能動態(tài)選取注入的差異反向的電流?？纱搜b置十分復(fù)雜，且價格昂貴，可行性仍需要進(jìn)行檢驗。

故反向電流法在實際操作中是比較困難。

3.2 串聯(lián)電容法

此種方法是在變壓器的中性點串接入一電容，隔離系統(tǒng)與大地之間的直流電流，為確保此串聯(lián)電容系統(tǒng)的可靠性，還應(yīng)配置并聯(lián)的開關(guān)等各類裝置。在實際應(yīng)用中，為了保護(hù)變壓器的性能，采用裝設(shè)電流旁路的方法，這樣串聯(lián)電容對于繼電保護(hù)的作用不是很明顯，因此不會對保護(hù)產(chǎn)生誤動的影響。

3.3 串聯(lián)電阻法

使用串聯(lián)的電阻降低中性點的直流電流其原理是在變壓器中性點和地網(wǎng)中串聯(lián)一個小電阻，由于輸電線路的電阻較小，故電阻能明顯減小流入中性點的直流電流。但通過變壓器其直流電流受下列因素制約：變壓器中性點的電位差，和變電站的接地電阻值，還有變壓器各相繞組的直流電阻和接連變壓器各相線路的直流電阻數(shù)值。同時對繼電保護(hù)影響較大。

3.4 直流電位補(bǔ)償法

此法能一定程度抵消直流偏磁，在保證變壓器可靠接地的基礎(chǔ)上，還能減少中性點電流影響，且現(xiàn)場操作相對簡單。這種方法在實際應(yīng)用中，對于變電站、接地網(wǎng)、避雷器的分流作用顯而易見。但是需要適當(dāng)?shù)脑黾友a(bǔ)償容量，且補(bǔ)償容量時容易導(dǎo)致直流單極工作，出現(xiàn)更為嚴(yán)重的直流偏磁現(xiàn)象。這種運(yùn)行方式能夠比串聯(lián)接地電阻的方式對繼電保護(hù)的影響低一些，但也同樣存在一定的影響。

4 幾種抑制技術(shù)的比較

4.1 反向電流法

其原理也比較簡單，這意味著更好的可操作性，但須額外設(shè)置補(bǔ)償?shù)慕拥貥O點。經(jīng)常來說流經(jīng)主變中性點的直流分量是通過接地網(wǎng)與輸電系統(tǒng)的電導(dǎo)作比例配置，所以對于相同的直流接地電極的距離更遠(yuǎn)和接地部位更好，直流電流流經(jīng)到大地的廠，特別是對靠近海邊的發(fā)電廠，其補(bǔ)償?shù)碾娏餍蕰档?，直流發(fā)生器的功率將加倍增大，較大電流注入接地網(wǎng)將使其達(dá)到飽和，使其接地極腐蝕速度更快，此方法的成本會很高，同時保障系統(tǒng)安全可靠性方面將需要做進(jìn)一步的測試。

4.2 串聯(lián)電容法

該方法能夠完全消除中性點的直流電流，也可以增加其他中性點的直流電流，致使為了消除變壓器的直流偏磁而不得不將其接地點斷開，但這樣造成的后果就是可能會導(dǎo)致其他變電站的變壓器的中性點電流增加，從而引發(fā)直流偏磁現(xiàn)象。這種方法對于電網(wǎng)的短路故障判別性能差一些，而且對變壓器的中性點的絕緣等級要求要更嚴(yán)格一些。在實際應(yīng)用中，為了保護(hù)變壓器的性能，采用裝設(shè)電流旁路的方法，而電流旁路可采取火花間隙并聯(lián)的方法，這樣串聯(lián)電容對于繼電保護(hù)的作用不是很明顯，因此不會對保護(hù)產(chǎn)生誤動的影響。在交流系統(tǒng)發(fā)生故障時，中性點電容器雙端電壓值高于繼電保護(hù)動作的定值時，電流旁路自動切換至電容旁路，從而降低電容器的容量，躲過中性點絕緣不良的影響。當(dāng)系統(tǒng)故障消除以后，保護(hù)裝置又會自動切換至電容旁路，電容器自動充電，消除流經(jīng)中性點的電流值，這種保護(hù)裝置內(nèi)部控制相對比較復(fù)雜，而且價格也偏高。

4.3 串聯(lián)電阻法

這種方式的概念十分明確，而且相對的價格比較實惠，容易實現(xiàn)，這種裝置操作簡單，且性能比較穩(wěn)定，雖然不能完全消除中性點流過的直流電流，但如果使用阻值比較高的電阻串聯(lián)，會導(dǎo)致主變中性點絕緣強(qiáng)度的降低。變壓器的中性點在串入電阻時，變壓器的中性點的零序電流方向改變會江都過電流同線路側(cè)的過流保護(hù)的靈敏度。當(dāng)發(fā)生高阻接地故障的時候，把有可能改變零序功率方向的元器件關(guān)閉，當(dāng)正向保護(hù)的近端電阻發(fā)生故障時，縮短保護(hù)的范圍。線路零序過流保護(hù)、接地距離保護(hù)的定值需要內(nèi)審?fù)鈱彽榷喾绞竭M(jìn)行重新核算。通過變壓器銘牌參數(shù)和接地電阻的配置方案，優(yōu)化接地電阻的同阻值的靈敏度，接地支路的最高阻值和全部接地電阻的中性點電流均小于它，最終進(jìn)行數(shù)據(jù)迭代的時候選取最優(yōu)數(shù)值，來降低其對繼電保護(hù)應(yīng)用的不良因素。

4.4 直流電位的補(bǔ)償法

此法不僅能一定程度抵消直流偏磁，而且在原理上更能站住腳，在保證變壓器可靠接地的基礎(chǔ)上，還能減少中性點電流影響，且現(xiàn)場操作相對簡單。這種方法在實際應(yīng)用中，對于變電站、接地網(wǎng)、避雷器的分流作用顯而易見，因此需要適當(dāng)?shù)脑黾友a(bǔ)償容量，但補(bǔ)償容量時容易導(dǎo)致直流單極工作，出現(xiàn)更為嚴(yán)重的直流偏磁現(xiàn)象。這種運(yùn)行方式能夠比串聯(lián)接地電阻的方式低一些，但也同樣對繼電保護(hù)和電位差存在一定的影響。補(bǔ)償電流分為正負(fù)極，正電位的利用率要大于負(fù)電位，正電位會導(dǎo)致接地網(wǎng)腐蝕等問題，而負(fù)電位又可保護(hù)接地網(wǎng)，減緩腐蝕的速度，因此在條件允許的前提下適當(dāng)補(bǔ)償負(fù)電位也未嘗不可。

可靠的直流電流源是作為直流點位補(bǔ)償?shù)挠性囱b置，相對于中性點反向電流的方法而言，這樣方法不需要輔助接地網(wǎng)和接地極，不會受到周圍環(huán)境影響的制約，對電流源容量的要求也比中性點注進(jìn)反向電流的電源容量的要求要低。

5 結(jié)束語

結(jié)合變壓器直流偏磁抑制原理，分別對直流電流法、串聯(lián)電容法、串聯(lián)電阻法和直流電位補(bǔ)償法四種抑制直流偏磁方法進(jìn)行分析和比較，研究其中的優(yōu)缺點和可實施性，最終對串聯(lián)電容法和串聯(lián)電阻法重點進(jìn)行應(yīng)用仿真研究，得出結(jié)論變壓器中性點串入電阻以后可能受到影響的保護(hù)為：線路距離保護(hù)，變壓器中性點零序過流保護(hù)，以及線路零序保護(hù)等等，而變壓器中性點串聯(lián)電容對繼電保護(hù)的影響微乎其微，可以達(dá)到在不影響變壓器保護(hù)的前提下保障機(jī)組安全、可靠運(yùn)行。

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作者簡介：邵帥（1985，10-），男，漢族，籍貫：河北廊坊，學(xué)歷：本科，職稱：工程師，畢業(yè)于沈陽化工學(xué)院，就職于神華國華九江發(fā)電有限責(zé)任公司，研究方向：高電壓與絕緣技術(shù)。