王善磊+趙玉瑤+彭嘉杰+王嘉禾+江春鑫

摘要：隨著特高壓直流輸電工程的實施，由直流極單極大地回線運行引起的直流偏磁現(xiàn)象對電網(wǎng)安全運行造成了嚴(yán)重威脅。本文首先從兩個方面對變壓器直流偏磁成因進(jìn)行了機(jī)理分析，并結(jié)合直流偏磁下變壓器的勵磁特性總結(jié)出直流偏磁對電力變壓器的的危害，最后，綜合評價了三種主流的抑制直流偏磁的措施。

關(guān)鍵詞：變壓器；直流偏磁；形成機(jī)理；危害；直流輸電

1、引言：

直流偏磁現(xiàn)象屬于變壓器的一種不正常工作狀態(tài)，即在變壓器勵磁電流中出現(xiàn)了直流分量，且同時發(fā)生半波飽和[1]，直流偏磁會使得勵磁電流的諧波分量增加，而且出現(xiàn)大量偶次諧波。這將導(dǎo)致變壓器溫升增加，噪聲加劇，同時使得繞組電磁力增大，振動明顯。此外，直流偏磁對繼保設(shè)備、電容器組、電流互感器等設(shè)備的正常運行也有不同程度的影響[2]。

高壓直流輸電是導(dǎo)致直流偏磁產(chǎn)生的主要原因。因為其具有輸送容量大、損便于異步聯(lián)網(wǎng)、損耗耗小、輸送距離長等優(yōu)點近年來被廣泛使用。文獻(xiàn)[3]指出由于蘇州500kV木瀆變電站距離±800kV同里換流站接地極較近，在實際生產(chǎn)生活中發(fā)現(xiàn)其受直流偏磁影響嚴(yán)重。另外，直流輸電在運行點調(diào)試或突發(fā)故障情況下亦有可能有大量直流電流通過接地極流入大地，從而導(dǎo)致交流電網(wǎng)內(nèi)變壓器直流分量增加，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來危害[4]。

國內(nèi)外近年來對電力變壓器直流偏磁現(xiàn)象的研究也取得了實質(zhì)性的進(jìn)展。文獻(xiàn)[5]指出同純正弦交流勵磁時的磁滯回線相比，直流偏磁條件下鐵心磁滯回線發(fā)生了明顯變化。并說明在鐵磁材料磁化特性的眾多模型中，Jiles-Atherton（J-A）模型比較符合磁滯現(xiàn)象的物理本質(zhì)，且模型參數(shù)較少、實現(xiàn)方便。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[6]利用J-A模型，成功建立了直流偏磁時的變壓器模型，并且設(shè)計出計及渦流損耗和異常損耗的鐵心動態(tài)磁滯損耗模型。

2、直流偏磁形成機(jī)理分析

2.1從變壓器運行工作點及勵磁特性分析

如圖1為變壓器直流偏磁下的工作點分析，可以看到，當(dāng)正常運行時，變壓器工作于磁化曲線OA段?？紤]到變壓器的穩(wěn)定性，正常運行時，變壓器的主磁通位于A點，當(dāng)通入直流分量后，由直流電流產(chǎn)生的直流磁通和交流電流產(chǎn)生的磁通，因此交流磁通在與直流磁通方向一致的半個周波內(nèi)，磁通密度大大增加，同時，另外半個周波由于二者的方向相反，總磁通密度減小，致使勵磁電流出現(xiàn)正負(fù)半周不對稱的尖頂波。

2.2 從高壓直流輸電系統(tǒng)分析：

高壓直流輸電工程引起直流偏磁原理如圖2所示。

從圖2可見，高壓直流輸電工程常常采用單極大地回線的方式運行，因而會使得巨大的直流電流經(jīng)接地極流入大地，導(dǎo)致很大范圍內(nèi)的大地電位發(fā)生畸變，構(gòu)成中性點接地變壓器、輸電線路和大地回路，進(jìn)而使產(chǎn)生的直流電流經(jīng)變壓器中性點入侵變壓器繞組，引起變壓器直流偏磁。

3、直流偏磁的危害

3.1導(dǎo)致變壓器損耗增加、溫升增加進(jìn)而引發(fā)局部過熱

直流偏磁會引起變壓器正半波勵磁電流大幅增加，使得鐵心飽和程度增加，進(jìn)而帶來繞組、鐵芯、油箱的渦流損耗增加，引起變壓器頂層油溫溫度上升，導(dǎo)致變壓器局部過熱。文獻(xiàn)[8]通過ANSYSMaxwell建立變壓器3D模型，通過Maxwell三維瞬態(tài)求解器對直流偏磁下變壓器的鐵心損耗，磁滯損耗以及渦流損耗進(jìn)行了計算，經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)：直流偏磁下變壓器整體損耗增加，并且隨著偏磁直流的增大，變壓器的損耗進(jìn)一步增大。

3.2繞組電磁力增加，導(dǎo)致振動加劇，噪聲大大增加

變壓器直流偏磁下諧波電流增加，并且出現(xiàn)大量偶諧波分量，根據(jù)繞組電動力計算公式：

將式中的i（t）寫成傅立葉級數(shù)展開形式：

變壓器發(fā)生直流偏磁時，會有較大的直流分量通過繞組，即中的直流分量大大增。另外，直流偏磁是其他頻率的諧波成分也大大增加，因此的表達(dá)式為：

n為諧波電流的次數(shù)。當(dāng)無直流偏磁時，n為1、3、5等奇次諧波，且當(dāng)n>1時，數(shù)值較小，所以繞組振動對稱，相對平穩(wěn)。。但是，當(dāng)直流電流流過時，n除了奇次諧波還含有大量偶次諧波，且同等情況下諧波電流大大增大，導(dǎo)致增大，繼而根據(jù)公式，得出直流偏磁下變壓器繞組的電磁力增大，繞組振動加劇。

4、抑制直流偏磁的措施：

4.1中性點串聯(lián)電阻法：

該方法概念明確，其優(yōu)點是工程上容易實現(xiàn)而且價格便宜，性能相對來說較為穩(wěn)定，操作實施簡單。但是，由于串聯(lián)電阻的原因，不可避免的會導(dǎo)致功率損耗增加；此外，如果串聯(lián)的阻值選的過小，則會使得直流電流不能完全得到抑制，難以達(dá)到抑制的目的。但如果串聯(lián)的電阻過大，線路的零序電流保護(hù)的范圍將被縮小，其閾值設(shè)定又需要重新設(shè)定。

4.2中性點串聯(lián)電容法：

這種方法是利用電容器對于直流電流的隔離作用，在變壓器中性點串聯(lián)接入以電容，用以隔斷大地與系統(tǒng)間的直流電流。但是，中性點串聯(lián)電容的方法對于容易引起過電壓，從而容易使得保護(hù)裝置誤動作。因此，工程上常常配置并聯(lián)的開關(guān)來保證其可靠性。另外，考慮到對變壓器的保護(hù)，常常會設(shè)置電流旁路，將其對繼電保護(hù)裝置的影響降到最低。

總結(jié)

筆者首先從變壓器本身的勵磁特性以及運行特點對變壓器直流偏磁形成原因進(jìn)行了細(xì)致的分析，接著又論述了高壓直流輸電系統(tǒng)入地電流導(dǎo)致的直流偏磁形成原因。最后，筆者結(jié)合現(xiàn)有的研究成果，從損耗、繞組振動、以及繼電保護(hù)這三個方面對變壓器直流偏磁帶來的危害進(jìn)行了綜述。

參考文獻(xiàn)：

[1]薛向黨，郭暉， 鄭云翔， 等. 地磁感應(yīng)電流對電力變壓器危害的研究[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報， 1999，11（2）： 13-19.

[2]鄭濤 ，陳佩璐，劉連光，等 .計及直流偏磁的電流互感器傳變特性對差動保護(hù)的影響 [J]. 電力系統(tǒng)自動化，2012 ， 36（20）：89-93.

[3]李貞，李慶民，李長云，等. J-A 磁化建模理論的質(zhì)疑與修正方法研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報，2011，31（3）： 124-131.

[4]李曉萍，文習(xí)山，陳慈萱 . 單相變壓器直流偏磁勵磁電流仿真分析[ J ] . 高電壓技術(shù)，2005，31（9）：8-10

作者簡介：

王善磊 （1996-） 性別：男民族：漢籍貫：江蘇連云港學(xué)歷：本科在讀研究方向：電氣工程及其自動化