摘要：近年来，超高压直流输电以其高效、经济性的特点在我国长距离输电中得到应用，我国超高压直流输电技术已达到了国际领先水平。随着越来越多的直流输电线路投入运行，我国电网呈现交、直流系统共存的新局面。直流输电单极大地回路以及双极不平衡运行方式下，对于交流输电系统中变压器影响问题日益严重。监测变压器直流偏磁状况及解决直流偏磁对变压器的影响，已经成为越来越多的学者和专家的共识。如何有效的抑制大型电力变压器的直流偏磁现象，并且降低直流偏磁现象造成的设备运行异常现象，成为当前大型电力变压器应用单位发展中主要面临的问题。
关键词：变压器中性点；直流偏磁；直流电流；抑制措施
1 电力变压器直流偏磁产生的原理
直流偏磁是变压器的一种非正常工作状态，当直流输电线路单极大地运行时，接地极电流通过交流系统的变压器中性点流入交流系统，随着其电流的增加，励磁电流波形发生畸变，主要是正负半周不对称。与直流同向的一边，由于铁心过度饱和，电流波形变为尖顶波；与直流反向的一边，铁心的饱和度下降，励磁电流幅值变小，呈现平顶波，此现象严重影响了交流系统的安全稳定运行。
其次太阳表面剧烈的耀斑活动会使地球产生极光电流，从电磁理论可知，这些变化的极光电流能产生扰动电磁场。从而在地表面上产生电位差，也即所谓的地面电势（ESP）。该地磁感应电流经过变压器接地中性点，同样引起变压器的偏磁问题。
2 直流偏磁对变压器的危害
变压器绕组中有直流分量流过时，这些直流磁通造成变压器铁芯严重饱和，励磁电流高度畸变，产生大量谐波，变压器无功损耗增加，金属结构件损耗增加，导致局部过热现象，破坏绝缘，损坏变压器或降低使用寿命。严重时甚至引起系统电压降低，系统继电器误动作，严重影响变压器的安全运行。
变压器直流偏磁所带来的危害主要有以下几个方面：
1） 噪音增大
变压器线圈中有直流电流流过时励磁电流会明显增大。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。此外变压器中增加了谐波成分会因某一频率与变压器结构部件发生共振使噪音增大。
2） 系统电压发生畸变
当变压器因直流偏磁的作用而工作点移至非线性饱和区时，变压器的激磁电感将不再是常数，其直接后果是使系统的电压发生畸变，引起电压波动。具体的畸变情况与变压器的绕组接法和磁路结构有关。
3） 变压器损耗增加
变压器的损耗包括铁耗和铜耗。在直流电流的作用下，变压器励磁电流可能会大幅度增加，导致变压器基本铜耗急剧增加。变压器铁耗包括磁滞、涡流损耗和漏磁损耗。基本铁耗与通过铁心磁密的平方成正比，和频率成正比。由于励磁电流进入了磁化曲线的饱和区，使得铁芯和空气的导磁率接近，从而导致变压器的漏磁大大增加。变压器漏磁通会穿过压板、夹件、油箱等构件，并在其中产生涡流损耗。
4） 变压器温度升高
芯式变压器铁心的拉板或壳式变压器铁心的支撑板通常是采用磁性材料，变压器直流偏磁引起的大涡流损耗导致了拉板（或支撑板）温度升高，严重影响变压器的安全运行。
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3 变压器直流偏磁现象的抑制方法分析
目前解决直流偏磁问题工程上主要有串联电阻法、串联电容法、反向电流注入法等方法，其中串联电容法较为实用，以其原理简单、效果显著、安装后不需要修改保护及安全自动装置定值等特点得到了业内技术的认可。系统的分析直流偏磁需要进行大量的数据建模和仿真计算，由于篇幅原因此处略过。笔者针对上述几种变压器直流偏磁的抑制方法，以及在具体应用中的注意事项进行简要的分析研究。
3.1反向电流注入法
在变压器中性点接一套直流发生装置，产生一个与直流接地极电流大小相等，方向相反的直流进行补偿，以此来抑制变压器直流偏磁。由于直流量的大小并非一直恒定，是随着时间不规则变化的，所以该方法对监测中性点直流的电流传感器要求很高，将传感器获得的中性点电流相关信息传输给补偿电流装置，以便进行实时动态补偿。此方法不在变压器中性点与地网之间串入其他设备，能保证变压器中性点可靠接地而无过电压问题，对系统现有保护配置不产生影响；可以针对不同的中性点流入的直流电流值注入不同的反向电流，具有灵活性。但需要在变压器周围敷设反向注入接地极，土建工程较大。通过调研了解到反向注入的效率很低，只有20％左右的注入电流流入变压器中性点，抵消变压器中性点的直流，其它80％的注入电流不知去向，有可能对周围其它设备造成新的直流危害。
3.2 串联电阻法
在变压器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。该装置为无源，结构和安装运行维护简单可靠，投资较小。由于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，故其使用范围具有一定的局限性，对于有些场合，所需电阻值可能非常大，不能保证变压器中性点有效接地。中性点串入电阻对系统零序参数产生了影响，进而也会影响到继电保护的整定；且对方向保护的灵敏度有影响，如果在故障时采用旁路装置将该电阻旁路，又会造成系统接地阻抗不连续，导致继电保护配置复杂化。同时，当系统发生故障时，会导致变压器中性点过电压等一系列问题。
3.3 串联电容法
串联电容法通过在变压器中性点上，串接一组电容器，通过电容器阻断直流通过。该装置包括偏磁监测装置与偏磁隔离装置两部分。根据系统需要，可单独使用偏磁监测装置，如直流偏磁现象严重再添加隔离装置，也可直接装设直流偏磁隔离接地装置。当直流偏磁监测装置检测变压器中性点中没有大地直流（或直流小于设定值）时，旁路开关为常闭工作状态，变压器中性点通过旁路开关接地；当直流偏磁监测装置检测到有直流（或大于设定值）流经变压器中性点时，旁路开关打开，将隔直电容C 串联到接地回路中，起抑制直流的功能。同时在隔直电容处配置氧化锌限压器应对系统发生单相接地短路故障，对电容进行保护。串联电容法为目前变压器直流偏磁抑制措施的主要方法，技术相对成熟，效果最好，响应速度快。但其价格相对昂贵，且也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。
除此之外，还有电位补偿法、交流输电线串联电容、改善电网中直流电流的分布及降低变压器运行工作点等改善方法。
以上各种方法均有其优点及不足之处，需要对现有抑制变压器直流偏磁装置进行研究，提出适合于本地区的直流偏磁方案。
结束语：
在电力系统中，由于变压器接地中性点之间存在直流电位差，从而产生了直流偏磁现象。直流偏磁对变压器产生了很多危害，因此，对于变压器设计、制造和使用部门来说，都对直流偏磁下电力变压器的运行性能非常关心。本文对直流偏磁现场产生的机理及抑制方法进行了理论分析和综述。对于大型火力发电厂、变电站等电力企业稳定运行意义重大。电力企业可通过应用串联电阻法、串联电容法、反向电流注入法等方法进行直流偏磁现象的抑制，以此确保大型电力变压器的安全稳定运行。
参考文献：
[1]王婷，张侃君，文博，等.大型变压器中性点串接抑制直流电流电容后对继电保护影响分析[J].中国电力，2017，50（7）：164-168，174.
[2]杨凯强，李强，叶红枫，等.500 kV 电力变压器直流偏磁故障分析[J].中国测试，2016，42（11）：140-144.
论文作者:张嵌
论文发表刊物:《电力设备》2018年第33期
论文发表时间:2019/5/17
标签：变压器论文; 电流论文; 装置论文; 系统论文; 抑制论文; 电容论文; 方法论文; 《电力设备》2018年第33期论文;