摘要：云南是是西电东送的能源基地，有多条直流输电线路，多次发生过直流偏磁现象，对变压器和电力系统产生了不利影响。本文从地磁场和直流输电方式上对直流偏磁的成因进行了介绍，在理论上就直流偏磁对变压器和电力系统的影响及危害进行了分析，最后提出了三种限制或消除直流电流的措施并对运维中注意事项进行了阐述，为今后应对系统直流偏磁现象提供了指导。
关键词：直流偏磁；变压器；中性点；谐波
引言：变压器直流偏磁现象是一种不正常的工作情况，它是指有直流电流串入变压器中。直流偏磁会使变压器铁芯饱和、振动加剧、无功损耗增加、电压下降、过热、产生谐波。
近年来，随着直流输电技术的大力应用，出现直流偏磁的概率越来越高，作者所在变电站距离云南牛从直流较近，已多次受到直流偏磁影响，研究大地直流对交流系统的影响是刻不容缓。
1直流偏磁的产生原因
引起直流偏磁现象的原因有两种，第一种是由于太阳等离子风的动态变化与地磁场相互作用产生地磁“风暴”，使电磁场发生变化，使地球产生了电位梯度，此电位差最大可达每公里几伏甚至几百伏，它将在中性点接地变压器中产生地磁感应电流，其频率很小，大约0.001-1Hz之间，近似为直流电流。
另一种是交流与直流输电一起运行的时候，特别是采用单极大地回路运行方式（见图1-1）的时候，由于每个接地点之间电位差的存在，从而会出现直流电流从变压器的中性点（接地）注入变压器绕组中，产生直流偏磁现象。直流输电的双极两端中性点接地方式当前最常用接地方式（见图1-2），实际上，其实是由两个独立运行的单极大地回线系统组成，当两级对称运行时，由于正负极在大地回路中流过的电流相反，地中无直流电流通过，当不对称运行时，地中流过电流为两级电流之差，从而导致直流电流流入中性点接地的变压器绕组中。
2直流偏磁对变压器及电力系统的影响
变压器中有直流电流流过时，在变压器铁芯中会产生直流磁通，这些直流磁通会导致变压器铁芯趋向饱和，励磁电流增大，发生畸变，产生大量谐波；增加无功损耗，金属构件的损耗也会增加，引起局部过热现象，从而使绝缘损坏，危害变压器的使用寿命；另外，变压器的无功变化和高次谐波还会引起继电保护误动，电压的大幅下降，对电力系统的安全运行有非常严重的危害。989年3月13日加拿大魁北克发生9个小时的大面积停电事故，原因是地磁感应现象导致的直流偏磁。图2-1为直流偏磁机理图，图a为磁通曲线图，图b为Φ-i曲线图，图c为励磁电流曲线图，实线为没有直流分量，虚线为有直流分量。直流偏磁对变压器的危害主要有以下几个方面：
2.1噪声增大，振动加剧
变压器铁芯的磁致伸缩导致噪声的产生，且随磁通密度的增大而增大。直流偏磁使变压器铁芯磁通密度增大，导致磁致伸缩加剧，噪声增大，当直流电流等于励磁电流时，单相变压器的噪声增大了10dB，2004年5月贵广直流单极大地运行方式下，变压器中性点直流电流达到了34.5，噪声达到93.9dB。另外直流偏磁情况下，变压器励磁电流不仅有奇数次谐波分量还有偶数次谐波，噪声将会发生变化。此外，磁致伸缩会引起变压器铁芯和本体振动，振动加剧，会导致变压器有关部件松动，进而引起发热、放电或部件掉落，危机变压器安全运行。
2.2变压器损耗增加
铁损和铜损是变压器的损耗。变压器铁损包磁滞和涡流损耗。磁滞损耗正比于铁芯磁密的平方和频率。当铁芯饱和时，铁芯的导磁率接近空气的导磁率，从而使变压器漏磁通增加，变压器的漏磁通穿过压板、夹件和油箱等构件，并在其中产生涡流损耗。这说明直流分量增加时，铁损也会增加。
铜损也称负载损耗，是由变压器绕组的电阻引起的，是由经过绕组的电流产生的，在直流电流的作用下，励磁电流可能会大幅度增加，导致变压器的铜损大幅度增加。
2.3无功功率的影响
变压器中，因为系统超前于励磁电流90°，所以系统中将会产生无功功率损耗，一般情况下这个无功损耗很小，而它会随直流电流的增大引起铁芯饱和，多次谐波增大了电抗使无功损耗加剧，导致系统无功损耗增大，电压下降。1989年3月13日加拿大魁北克停电事故就是因为太阳磁暴引起的无功需求增大。
2.4产生大量谐波
直流偏磁情况下，变压器的工作点从线性区移到饱和区，励磁电感不再是常数，并具有非线性特征，使系统的电压发生畸变，引起了电压的波动。当铁芯磁路达到饱和时，为使主磁通保持为正弦波，励磁电流将变成尖顶波，此时励磁电流中含有大量的三次谐波，并有少量偶次谐波，变压器的无功损耗增加，导致系统电压下降严重，系统继电保护可能会误动作
2.5对铁芯拉板的影响
芯式和壳式变压器的铁芯一般是利用磁性材料做成，以获得足够的机械强度，位于铁芯表面的铁芯拉板或支撑板，与铁芯硅钢片磁场强度相同，其厚度比硅钢片大很多，较大的涡流损耗导致了拉板温度的升高，采用非磁性材料拉板可大大降低温升。
2.6直流偏磁对不同结构变压器的影响
根据不同的铁芯结构，变压器分为芯式和壳式两种，芯式结构其绕组包围芯柱，壳式其铁芯包围绕组的顶、底和侧面。芯式结构的绕组绝缘和装配比较简单，现场一般采用芯式结构；壳式机械强度较好，一般应用于低压、大电流、小容量变压器中。
按磁路分可分为三个单相独立磁路和三相磁路两类，三个单相独立磁路是将三个单相变压器在电路上连接起来，组成一个三相系统，这种组合磁路相互独立，各相磁通经过的磁路相互之间没有影响。三个单相变压器的铁芯拼成星形磁路，施加对称电压，三相主磁通之和为0，中间芯柱无磁通流过，如果将三个芯柱放在一起就可以得到三相芯式变压器
对于三相芯式变压器当有直流电流流入时，它相当于是零序电流，这种变压器零序磁阻较大，只有较大直流电流才会对变压器运行产生影响，允许流过的直流电流较大。对于三相五柱式变压器由于它的零序磁通可以通过两个铁芯边柱，相对于三相芯式变压器磁阻小很多，这种结构变压器直流偏磁现象比较严重，直流偏磁容易对其产生影响，允许流过的直流较小。三相分体变压器，零序磁通与主磁通磁路一致，磁阻低，磁通比较容易饱和，与三相五柱变压相比允许流过的直流更小。另外现在大型变压器励磁电流都不大，容易受直流电流影响。
3、变压器允许的直流电流
我国能源主要分布在西部地区，随着全国联网战略的实施，电能越来越多依靠直流输送，单在云南省境内目前就有楚穗直流、普侨直流、牛从直流。变压器允许流过直流电流值与变压器结构、材料、磁通密度有关。电压等级越高允许流过的直流电流更大，另外三相五柱式的变压器比单相分体的允许流过的直流更大。
4、变压器直流偏磁的抑制措施
对于离直流接地极较近或受直流偏磁影响严重的地方应采取一定的措施进行抑制，阻断或削弱变压器与中性点之间的直流电流，具体的方法有反向注入电流法、串联电容法和串联电阻法。
反向注入电流法是将一直流电源串入变压器中性点，根据检测到的中性点直流电流值，直流电源自动适时调整，该方法使用灵活，但是价格昂贵，且需要对系统可行性进行检验，原理图见4-1。
串联电容法是将电容接入系统地与中性点之间以隔断直流电源。直流系统正常运行时，切除电容器，快速接地开关合上，变压器中性点直接接地运行；中性点直流较大影响变压器安全稳定运行时，快速接地开关拉开，投入电容器，变压器中性点通过电容器接地运行；电力系统故障时，旁路系统（有的是火花间隙，过电压击穿放电）动作，快速接地开关合上，使变压器中性点直接接地运行，以保护变压器和电容器的安全。串联电容法可以彻底堵塞直流电流流入，但是会使其它变压器中性点直流电流增大，原理图见4-2。
串联电阻法是将电阻串入到变压器中性点的入地回路中，缺点是使变压器非直接接地了，原理图见4-3
5、运维注意事项：
（1）当直流换流站采用不对称运行方式时，各级调度之间应该加强联系，把此项信息有效迅速传达给各相关变电站，让变电站的运行人员能及时对设备进行监视从而实现事故预控，变电站值班员发现声音异常时应及时汇报调度。
（2）装设有中性点直流电流在线监测装置的变电站在发生直流偏磁时应结合变压器最大允许直流电流及时加强监视，越限时汇报相应调度，采取降电压、改变直流运行方式、停变压器等手段降低直流电流。并每小时记录一次油温、功率、直流电流、噪声值。没有直流电流在线监测装置的变压站直流偏磁时应每小时手测一次直流电流值。
（3）因为产生在变压器发生直流偏磁时铜耗和铁耗的增加，尤其是各部件涡流产生大量的热能，也应该重视变压器油温的变化，避免各部件由于温度过高造成设备损坏。
（4）变压器直流偏磁可能引起局部器件温度过高而影响绝缘，在直流换流站恢复正常工作方式时，应对变压器铁芯和夹件的接地电流进行测量，铁芯接地电流变化不得过大并不得超过100mA。较长时间在直流偏磁情况下运行的变压器应进行色谱分析。
（5）在有谐波检测装置的变电站应该加强对电流畸变的监视，通常，电流畸变超过5%的变压器应该降低负荷和电压以保证变压器的安全运行。
（6）在没有谐波保护装置的变电站，运行人员应熟悉电容器组的正常运行电流，在变压器发生直流偏磁而后产生的谐波可能被电容进行谐波放大（共振）。电容器组可能对谐波进行放大但没能动作跳闸，运行人员应该在发生直流偏磁时投入电容器时应该检查电容电流是否正常，然后加强监视电容的电流值，发生异常迅速断开相关电容器组。
6、结论
本文从变压器的励磁电流、损耗及磁场变化的角度对直流偏磁进行了分析，得出主要结论如下：
（1）直流偏磁主要由地磁“风暴”及直流单级运行或双极不对称运行引起。
（2）直流偏磁的主要危害有变压器铁芯饱和、振动加剧、无功损耗增加、电压下降、过热和产生谐波等。
（3）变压器直流偏磁的抑制措施主要有反向注入电流法、串联电容法和串联电阻法三种。
（4）运维中各级调度应加强联系，值班员定期对变压器运行指标进行测量，异常严重时时及时采取对应措施，投切电容器时应注意电流的变化，防止谐波共振.
参考文献：
[1]曾连生 直流输电接地级电流对电力变压器的影响 电力建设 2004
[2]刘成明 万达 直流偏磁对变压器影响的研究 江苏电机工程 2004
[3]云南电网公司变压器直流偏磁运行管理规定（试行） 2010
作者简介：
姜毅（1985年），男，本科，工程师/高级技师 云南电网有限责任公司昭通供电局500kV永丰巡维中心站长 邮箱276346798@qq.com，联系电话15087775561
论文作者:姜毅
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/17
标签：变压器论文; 电流论文; 谐波论文; 铁芯论文; 磁路论文; 绕组论文; 电压论文; 《电力设备》2018年第19期论文;