摘要：本文分析了特高压直流输电系统采用单极大地方式运行时，接地极附近交流变压器直流偏磁产生的原因及对交流变压器本身和电网的影响，对流过变压器绕组直流电流大小的相关问题进行了讨论，并结合电网的情况提出几点抑制流入变压器中性点地中直流的措施。
关键词：特高压直流 直流偏磁 交流变压器 抑制措施
0.引言
近年来我国尤其是沿海经济发达地区用电需求增长很大，但是我国能源丰富地区大都在西部，这种能源和负荷分布不平衡的局面促使我国实行“西电东送”工程，因此，大力开发西南水电，采用特高压直流将电能输送到沿海经济发达地区势在必行。高压直流输电系统的运行方式对交流电网和中性点直接接地变压器都有一定的影响，特高压直流输电工程尤为严重。
1.特高压直流系统运行方式概述
高压直流输电系统以大地返回运行是直流输电主要运行方式之一，也是直流输电优点之一。一个完善的直流输电工程包括有整流站、直流线路、逆变站、接地极系统等构成，以两回直流线路连接整流站和逆变站，中间经大地回线返回，即构成了双极直流输电系统。迄今为止，我国已投入运行的HVDC系统，都是这种双极两端接地方式，接地极的作用一是钳制中性点电位，二是为直流系统在以大地返回运行时提供电流通路。以下对两种常见的经接地极返回的直流运行方式作简单介绍（图1所示）：
（1）单极大地回线运行方式（图1a所示）。在HVDC系统建设初期，为了尽快地发挥经济效益，往往要将先建起来的一极投入运行；直流输电线路投入双极运行后，当一极故障退出运行时，为了稳定系统，提高系统供电可靠性和可用率，健全极将继续运行。此时，直流系统可处于单极大地回线方式运行，流过接地极的电流等于线路上的运行电流。
（2）双极平衡大地回线运行方式（图1b所示）。对于双极两端中性点接地方式，当双极对称运行时，在理想的情况下，正负两极的电流相等，地中几乎无电流。
图1 直流典型运行方式
当单极大地返回方式运行时，极电流会大量流入大地之中，大电流会对入地点处的金属构件、管道、电缆等埋设物造成电腐蚀，并且对中性点接地的变压器引起磁饱和问题。
地中电流对交流系统变压器的影响主要体现在对交流电网中220kV及其以上变电站的影响。直流系统采取单极大地回线方式运行时，会对接地极周边中性点接地的交流变压器产生不良的影响，特别对500kV的变压器，主要表现在噪声增大，流过中性点的直流增大（图2所示）等。
图2 某变压器受接地极电流影响时中性点实测电流波形
2.直流偏磁概述
对于高压及以上电压等级交流电网，根据其运行的需要，电力变压器的中性点一般直接接地。直流接地极流入大地的泄露电流一部分将通过电力变压器直接接地的星型联结绕组中性点流入交流电网。电力变压器的正常交流工作磁场受入侵直流电流的影响会发生工作点偏置，使变压器内部铁心产生单边磁饱和，进而使激磁电流波形畸变，引起变压器振动和噪声加剧、局部发生过热，即发生所谓变压器的直流偏磁现象。
2.1直流偏磁对变压器的危害
直流偏磁对变压器的影响表现在以下几个方面：
（1）增加铁、铜的消耗量。由于铁芯发生了直流偏磁，增加了漏磁通量，并导致构件和铁芯中涡流的形成，涡流的形成会使铁的消耗量增加，除此之外，直流偏磁的形成，增大了变压器的励磁电流，这就逐步的增大了变压器中铜的消耗量。随着铁和铜的消耗量的逐步增加，部件、绕组、铁芯等的局部温度将不断的上升，严重发热。对变压器绝缘及其他组成部件的使用寿命都会造成一定的威胁。
（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。对于单相变压器，当直流电流达到额定励磁电流时，噪音增大10dB，若达到4倍的额定励磁电流，噪音增大20dB；变压器直流偏磁会产生谐波，使变压器噪音频率发生变化，可能会因某一频率与变压器结构部件发生共振使噪音增大。有记录证明直流偏磁可造成变压器噪声高达91.4dB。
（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。变压器具有磁滞伸缩的特性，当直流偏磁出现时，相同的交流电流流过变压器的绕组，加大了铁芯的振动幅度和伸缩幅度。与此同时，由于磁滞的伸缩，导致非正弦振动的产生。这种振动的噪声频率中存在着大量的谐波，一旦其中的一部分和变压器构件产生了共振，会使噪音变得更大，这种现象的存在，对变压器内部的受损和零件的松动有着重要的影响。
（4）导致电压产生畸形波变。当变压器的铁芯发生严重的直流偏磁时，而铁芯可能在饱和区工作，增加了变压器的漏磁通，从而引起变压器的波形畸变。例如在对三广直流进行调试时，在广东的部分电网中就曾发生过这样的现象，特别是对单极进行调试时。
此外，发生直流偏磁的电力变压器成为交流电网的谐波电源和无功负载，电网内部大量变压器出现直流偏磁现象会使系统的无功波动，电压下降。直流偏磁现象严重时可对变压器本体造成永久性损害。
2.2直流偏磁对电网的危害
变压器正常工作时，其励磁电流是对称的尖顶波，励磁电流中只含奇次谐波，感应电压是正弦波。直流偏磁作用时，单方向极度饱和的变压器励磁电流中出现了偶次谐波，感应电压含有谐波分量，变压器成了交流系统中的谐波源。谐波的产生将对系统造成影响如下：系统电压波形畸变；导致继电保护误动；导致滤波器过载；合空载长线时，产生持续过电压；单相重合闸过程中潜供电流增加；断路器恢复电压增高。
直流偏磁引起变压器磁路饱和，励磁电流增加，变压器消耗无功增加，使系统无功补偿装置过载，导致系统电压下降。对于无电压、无功调节能力或者调节能力有限的变电站来说，直流偏磁导致的系统电压变化将有可能引起站内电气设备因电压不稳定而引起故障。另外直流偏磁导致的系统电压变化也会增大调度部门调压难度。
3.流过变压器绕组直流电流大小的相关问题
在实际工程中，由于大地土壤电阻率分布并非各向均匀，使得计算各变电站电位变得很复杂；再加上电力系统接线是一个网络，不是单一支路，因而计算电流应使用网络的概念，需要收集大量的系统资料，如系统接线图、变电站变压器型式及相关参数、接地电阻、线路参数等。流过个别变压器绕组的直流电流大小，不仅与接地极的距离相关，同时与极致土壤导电性能、电力系统网络接线及其参数（如变电站接地电阻、导线型号及长度、变压器容量及台数等）有关。
4.抑制变压器中性点直流的措施
对于变压器的直流偏磁问题，国内外研究人员得出的直流限值不尽相同，但一般认为当每相的直流限值小于0.7%的每相交流额定有效值时，则直流偏磁的影响可以接受。对此问题的研究应先计算出变压器允许通过的直流电流并和变压器实际通过的最大的直流电流进行比较，如限值小于实际通过的直流电流，应采取限流措施以减小直流偏磁的影响。具体解决方法如下。
（1）合理选择接地极址。为避免直流电流对变压器的影响，建设接地极时与变电站保持合适距离，采用具有良好导电特性且耐受电腐蚀强的接地极材料并深层设计，这是根本解决方法。
（2）提高变压器抗直流偏磁。对于尚未订货的变压器，可以将计算及实测得到的流过变压器绕组的直流电流值及持续时间写进设备招标技术规范书，要求厂家满足技术要求或者要求制造厂考虑直流偏磁所引起的问题，通过改进制造工艺来提高变压器抗直流偏磁的问题。
（3）采用减少入地电流的运行模式。特高压直流输电换流站有多种运行接线方式，当接线方式为双极平衡运行或单极金属回线方式运行时，入地电流很小，甚至接近于0，对接地极址周边交流系统影响也就很小。因此选用合理的运行接线方式也将避免特高压直流输电对交流变压器的影响。
5.结语
特高压直流输电在单极运行时，入地电流对接地极附近运行的交流变压器会产生不利的影响，本文介绍了接地极入地电流导致变压器产生直流偏磁现象的原因及造成的不利影响，对抑制直流偏磁提出了针对性措施，以保证系统正常、安全运行。
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论文作者:吴彬,薛军
论文发表刊物:《电力设备》2018年第28期
论文发表时间:2019/3/14
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