變壓器直流偏磁的抑制方法研究

陳 煒 朱成龍

(武漢大學電氣工程學院，湖北 武漢 430072)

變壓器直流偏磁的抑制方法研究

陳 煒 朱成龍

(武漢大學電氣工程學院，湖北 武漢 430072)

介紹了現有的變壓器直流偏磁抑制方法，包括變壓器中性點串小電阻法、電位補償法、電容隔直法及直流電流反向注入法，并對其進行了技術經濟比較，從而選擇了電位補償法來研制變壓器直流偏磁抑制裝置，最后對該裝置進行了仿真研究。

直流偏磁；抑制；電位補償法；仿真

0 引言

直流偏磁指的是在變壓器運行過程中，勵磁電流中含有直流的部分，而這些直流分量的存在，使得變壓器鐵芯呈現正負半周不對稱飽和，由此引起的一系列電磁效應。當變壓器在運行過程中出現直流偏磁現象時，變壓器的勵磁電流高度會發生嚴重畸變，鐵芯磁通將處于過度飽和狀態，持續一段時間的話，會產生一定的噪聲，導致變壓器本身及無功功率的損耗，更有甚者會導致局部過熱，以致絕緣層遭到破壞，從而使變壓器使用壽命大大降低或直接損壞。本文對現有的直流偏磁電流抑制措施進行了總結，主要包括變壓器中性點串小電阻法、電位補償法、電容隔直法及直流電流反向注入法等，并對其進行技術經濟比較。

1 現有抑制方法

1.1 變壓器中性點串小電阻法

當兩臺變壓器中性點直接接地時，會通過大地構成直流回路，于是有直流電流流經中性點接地線。直流電流大小只與電阻元件以及元件間電位差有關。直流電阻包括存在于變壓器各相繞組的等效直流電阻、接地網直流電阻、變壓器連接線的直流電阻；同時，直流電流的大小還與兩臺變壓器的中性點電位差有關。因為三相負荷不對稱，以及三相線路等效阻抗值不對稱，即使電力系統處于正常工況，系統中性點也會有不平衡電流，其數量級為幾個安培，對系統的穩定安全運行沒有影響；但是在發生接地故障時，中性點電流值可能會突變到數十千安。這種情況下，在中性點串入電阻可以大幅度減小故障電流的幅值，但是，電流流過電阻就會產生電壓差，這會使得變壓器中性點對地電位相比不串接電阻時高很多。在中性點串聯電阻可以抑制直流偏置電流，降低系統諧振的幾率，但是當系統發生短路故障時電阻容易被燒毀或者遭遇雷擊。

1.2 電位補償法

其原理是在變壓器中性線中間串一小電阻(0.5～2.0 Ω)，通過一外部電源在該電阻上形成一直流電位，以此調節變壓器中性點的直流電位來達到減小流入變壓器繞組直流電流的目的，該電阻同樣需要保護旁路。

1.3 電容隔直法

電容隔直法是指將變壓器的中性點通過電容與大地相連，有效隔斷直流電流。主變壓器中性點安裝電容后，在單相接地故障發生在主變壓器高壓側的情況下，電流通過大型主變壓器中性點時，會生成一個高幅值的暫態電壓。當電容兩端的電壓超過一定限值時，可以通過保護動作將電容旁路掉，來限制這一暫態電壓的幅值。所以系統中不需要大型電容器承受大故障電流，這樣一來，節省了安裝空間，降低了成本，也消除了對主變中性點絕緣的有害威脅。故障消除后，電流旁路保護自動回到正常狀態，電容器又處于投入運行。保護間隙的作用是：當電容或其他設備發生故障時，若超過放電電壓則保護間隙放電，保護變壓器的絕緣。如果主變壓器中性點電容器損壞或發生故障，則放電間隙旁路掉保護裝置以及電容，相當于變壓器中性點直接接地。同理，也可以通過這樣的操作，實現電容器或電流旁路保護裝置的維修。

1.4 反向注入法

當有侵入電流入侵變壓器中性點時，可以利用可控直流源，經調壓器調壓后，再經硅整流至輔助接地極，通過變壓器中性線，注入反向直流電流。

2 典型技術方案優缺點比較

上述4種直流偏置電流的抑制方法，按接入方式劃分可以分為兩類：一類是間接法，串小電阻、電位補償以及電容隔直屬于這一類。采用這類方法，必須在變壓器與變電所接地電網中間串入保護設備，如旁路裝置、放電間隙、整流逆變裝置等。第二類是直流電流注入方法，它不改變變壓器中性點接地方式。

相比其他限流方法，電位補償法具有以下優點：首先，它可以保持變壓器中性點有效接地，完全消除變壓器中性點的直流電流。其次，它串入的小電阻阻值相比較小電阻限流法要小得多，因此其能量損耗也相對較小，并且對繼電保護的影響及對變壓器中性點電位的增大程度較小。再次，它雖然需要配置直流電流源，是有源設備，但是它不需要建立另一個輔助接地極(網)，因此不用考慮接地極釋放的電流對周圍環境的腐蝕作用。這一點要絕對優于反向注入直流電流法。

本文推薦采用電位補償法，并就此做了仿真研究。

3 仿真研究

最終擬研制基于電位補償法的直流偏磁抑制裝置，如圖1所示。

圖1 電位補償法示意圖

3.1 雙向可控直流電源技術方案

通過12脈波SCR半控整流電路將低壓交流電壓整流為直流，通過SCR觸發角度的控制輸出可變的直流電壓，根據系統運行要求可靈活調節直流電位大小和極性。該方案具有電路結構和控制簡單、可靠性高、容量大、成本較低的優點。

3.2 仿真系統原理圖

圖2所示為受到直流偏磁影響的交流系統模擬圖，外加5 V直流電壓，通過可調電阻輸出可變直流電壓，模擬直流偏磁程度，偏磁抑制裝置根據檢測直流電流信號，通過內置的控制算法進行跟蹤補償，并維持直流偏磁電流在規定范圍內。

圖2 仿真系統原理圖

3.3 仿真結果

直流偏磁抑制裝置的控制目標是將變壓器中性線電流限制在規定范圍(±3 A)內。圖3所示為直流偏磁抑制仿真結果圖。

圖3 仿真結果

圖3中mag代表的是變動的電壓源(為了產生變動的電流，模擬直流偏磁量)，E1代表的是12脈動晶閘管橋式半控整流電路直壓側經過雙向開關后的電壓，Is代表的是直流偏磁電流量，也就是控制目標(±3 A范圍內)，α代表的晶閘管觸發角，晶閘管的觸發角導通范圍是0°～180°，觸發角0°在橋式電路中指的是實際電路的自然換相角，即實際電路的30°，圖中觸發角從210°開始減小，隨著觸發角的減小，輸出的直流電壓不斷增加，從而控制串聯在變壓器中性線上的0.5 Ω電阻上的電壓大小。

從圖中可以看出，在0.5 s時直流偏磁量控制電壓源電壓mag突然正向增大，模擬交流系統附近的HVDC系統發生單極運行方式，使直流偏磁電流Is突然增加。控制電路檢測到Is絕對值大于3 A，將迅速根據設定控制策略調節晶閘管導通角減小，使直流電壓E1迅速增大，Is減小，直到E1電位完全補償直流偏磁量，Is處于規定的范圍內為止。

4 結語

高壓直流輸電單極大地回路運行產生的地電流會導致變壓器直流偏磁，干擾變壓器的安全穩定運行。本文介紹了變壓器中性點串小電阻法、電位補償法、電容隔直法及直流電流反向注入法。經過比較，本文推薦使用電位補償法，并對其進行仿真研究，結果證明，電位補償法能有效抑制直流偏磁效應。

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2014-07-22

陳煒(1992—)，男，福建福州人，研究方向：電氣設備的故障與檢測。