郭超++朱虎++楊新春

摘 要：由于“西電東送”的需要、工業(yè)和城市的發(fā)展，高壓直流換流站、金屬冶煉廠和軌道交通系統(tǒng)逐漸增多，導(dǎo)致直流偏磁與變壓器振動(dòng)等問題日趨嚴(yán)重。系統(tǒng)分析了直流偏磁產(chǎn)生的原因，直流偏磁對(duì)電力變壓器的影響，以及直流偏磁的抑制方法。

關(guān)鍵詞：直流偏磁；電力變壓器；高壓直流輸電

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.159

0 引言

直流偏磁是指直流電流注入變壓器繞組中，導(dǎo)致變壓器磁通中產(chǎn)生直流分量而導(dǎo)致的一系列電磁效應(yīng)。近年來，隨著高壓直流換流站、金屬冶煉廠和軌道交通系統(tǒng)逐漸增多，直流偏磁導(dǎo)致的變壓器振動(dòng)等現(xiàn)象逐漸增加且日趨嚴(yán)重。

1 直流偏磁產(chǎn)生原因

1.1 地磁暴

當(dāng)太陽發(fā)生耀斑等劇烈活動(dòng)時(shí)，太陽產(chǎn)生高溫等離子體高速向地球運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致地磁場(chǎng)發(fā)生劇烈變化，使大地表面產(chǎn)生低頻（0.001～1Hz）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（ESP），處于不同電位梯度的接地變壓器通過輸電線和大地形成回路，回路中流過感應(yīng)電流（GIC），由于感應(yīng)電流頻率較低，相對(duì)于工頻來說接近于直流，因此可使變壓器產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象。

1.2 高壓直流輸電

高壓直流輸電（HVDC）系統(tǒng)由于具有造價(jià)低、損耗小、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，在遠(yuǎn)距離、大功率輸電中得到越來越廣泛的應(yīng)用。當(dāng)系統(tǒng)以單極大地回線方式或雙極不平衡方式運(yùn)行時(shí)，可能高達(dá)上千安的直流電流將通過換流站接地極流入大地，直流電流回路上的大地將產(chǎn)生電位梯度。如果兩個(gè)變電站均有變壓器中性點(diǎn)接地并且其直流地電位有差異，直流電流將以變壓器、大地和輸電線為回路，從電位高的變壓器中性點(diǎn)流出，從電位低的變壓器中性點(diǎn)流進(jìn)。

1.3 直流雜散電流

雜散電流是指在設(shè)計(jì)或規(guī)定回路以外流動(dòng)的電流。直流雜散電流主要來源于軌道交通等直流電氣化鐵路、冶煉廠等直流電解系統(tǒng)和直流電焊系統(tǒng)等直流負(fù)荷。直流雜散電流的流動(dòng)導(dǎo)致回路上的大地產(chǎn)生電位梯度，不同電位梯度上的接地變壓器中性點(diǎn)將流過直流電流。

2 直流偏磁對(duì)變壓器的影響

2.1 振動(dòng)和噪音加劇

當(dāng)變壓器中性點(diǎn)流入或流出直流電流時(shí)，直流電流將在鐵芯中產(chǎn)生直流磁通，直流磁通與交流磁通疊加，使得一個(gè)半周的磁通大大增加，鐵芯飽和，而另外一個(gè)半周磁通減小。由于勵(lì)磁電流與磁通間的非線性關(guān)系，磁通的增加將使勵(lì)磁電流波形畸變，出現(xiàn)“尖頂波”，因而電流中將出現(xiàn)直流分量、奇次諧波與偶次諧波。磁通和電流的增加將使變壓器振動(dòng)和噪音加劇，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致部件松動(dòng)，甚至導(dǎo)致放電、短路等嚴(yán)重后果。

（1）鐵芯硅鋼片磁致伸縮。由于S=（B2），其中S為硅鋼片應(yīng)變，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。因此磁通的增加將使得硅鋼片磁致伸縮加強(qiáng)，鐵芯振動(dòng)加劇。同時(shí)從公式也可以看出磁致伸縮引起的振動(dòng)周期是2倍工頻，即100Hz。

（2）硅鋼片接縫處、疊片間電磁吸引力。硅鋼片接縫處、疊片間由于存在漏磁通引起的電磁吸引力，隨著漏磁通的增加而使鐵芯振動(dòng)加劇。但隨著變壓器制造工藝的進(jìn)步、鐵心疊壓方式的改進(jìn)和鐵心柱、鐵扼采用無緯環(huán)氧玻璃粘帶綁扎，使得硅鋼片接縫處、疊片間電磁吸引力引起的振動(dòng)較小[1]。

（3）繞組電動(dòng)力。在漏磁通的作用下，流過電流的變壓器繞組將承受電動(dòng)力的作用。漏磁通的增加將使繞組承受電動(dòng)力增加，繞組及其相連的變壓器部件振動(dòng)加劇。

2.2 變壓器損耗增加、溫度升高

直流偏磁時(shí)勵(lì)磁電流增加，導(dǎo)致銅損增加。磁通密度的增加將導(dǎo)致磁滯損耗和渦流損耗的增加，同時(shí)引起繞組、鐵芯和附件等發(fā)熱。溫度的升高可能使得變壓器效率降低、熱老化加速和壽命降低。

3 變壓器直流偏磁的抑制方法

變壓器直流偏磁的抑制措施分為外部措施和內(nèi)部措施。

3.1 外部措施

（1）交流線路上串聯(lián)電容。直流電流通過接地變、大地和交流線路構(gòu)成回路，利用電容“通交隔直”的特性，在交流線路中串聯(lián)電容可以隔斷直流電流的流通。但是串聯(lián)電容后改變了線路的阻抗值，系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動(dòng)化裝置的整定值需要重新校核。由于系統(tǒng)中存在自耦變壓器，直流分流可以流入另一個(gè)電壓等級(jí)，所以需要在各個(gè)電壓等級(jí)的每回出線上裝設(shè)串聯(lián)電容，成本較高。

（2）變壓器中性點(diǎn)串接電容。同樣利用電容“通交隔直”的特性，在變壓器中性點(diǎn)與地之間串接電容也可抑制直流偏磁現(xiàn)象。該方法同樣能完全阻隔直流分量在變壓器中的流動(dòng)，但該方法改變了系統(tǒng)零序阻抗，繼電保護(hù)整定值需要重新校核。同時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，中性點(diǎn)可能產(chǎn)生較高的暫態(tài)電壓。因此需要在電容兩端并聯(lián)電流旁路保護(hù)裝置，以降低暫態(tài)電壓保護(hù)電容。

（3）變壓器中性點(diǎn)串聯(lián)小電阻接地。存在直流電位差的兩個(gè)變電站，當(dāng)變壓器中性點(diǎn)串聯(lián)小電阻接地時(shí)，直流電流更多經(jīng)過大地通路流過，流過變壓器直流電流減小。但該方法只能減小直流電流，無法隔斷所有直流電流；中性點(diǎn)電阻的串入改變了系統(tǒng)零序阻抗，繼電保護(hù)的相關(guān)整定值需要重新計(jì)算；同時(shí)如果系統(tǒng)運(yùn)行方式改變，電阻值需要重新選擇[2]。

3.2 內(nèi)部措施

（1）變壓器中性點(diǎn)注入反向直流電流。通過監(jiān)測(cè)中性點(diǎn)的直流電流，利用補(bǔ)償接地極往中性點(diǎn)注入大小相同方向相反的直流電流，使得流進(jìn)變壓器的直流電流為零。該方法不影響零序阻抗等系統(tǒng)參數(shù)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適合于直流電流穩(wěn)定的情況。

（2）自激補(bǔ)償法。自激補(bǔ)償法的原理是變壓器生產(chǎn)時(shí)增加一個(gè)附加繞組，通過檢測(cè)變壓器中直流磁通的大小和方向，使得附加繞組產(chǎn)生大小相同方向相反的直流磁通。使得變壓器中直流磁通為零。但該方法需要改變變壓器結(jié)構(gòu)，增加變壓器設(shè)計(jì)與制造成本[3]。

4 結(jié)論

近年來，隨著高壓直流換流站、金屬冶煉廠和軌道交通系統(tǒng)逐漸增多，直流偏磁導(dǎo)致的變壓器振動(dòng)等現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。本文分析了直流偏磁的原因，主要有地磁暴、高壓直流輸電和直流雜散電流；從鐵芯磁致伸縮、硅鋼片間電磁吸引力和繞組電動(dòng)力的角度分析直流偏磁對(duì)電力變壓器的影響，最后總結(jié)了抑制直流偏磁現(xiàn)象的措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧曉安，沈榮瀛，徐基泰.大型電力變壓器振動(dòng)和噪聲控制方法研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2001，21（05）：7-11.

[2]張露，阮羚，潘卓洪等.變壓器直流偏磁抑制設(shè)備的應(yīng)用分析[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備，2013，33（09）：151-156.

[3]張師赫，蘇帥，劉青.單相變壓器直流偏磁及抑制措施分析[J]. 電氣技術(shù)，2016，17（04）：25-28.

作者簡(jiǎn)介：郭超（1988-），男，四川眉山人，博士，工程師，主要從事高壓電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)評(píng)估及其方法研究。endprint