接地極對變壓器直流偏磁的影響及其抑制探析

文衛兵 拾 揚

（國網北京經濟技術研究院，北京102209）

0 引言

近年來，伴隨著我國電力事業的發展與高壓直流輸電技術的進步，高壓直流輸電工程不斷增加，為區域電網之間的互聯互通和電力能源的遠距離輸送提供了有效支撐，使電網對電力的輸送能力大大提升，為我國的電力安全與社會發展提供了保障；另一方面，高壓直流輸電技術的應用也引發了一些問題，如變壓器直流偏磁［1］。

本文針對接地極單極大地回線運行方式所引起的變壓器直流偏磁問題，分析其對變壓器正常運行的不利影響，研究接地極各方面與直流偏磁的關系，提出接地極與變壓器的優化設計方案。

1 直流偏磁效應的負面作用

對于高壓直流輸電，通常在工程上采用雙極直流輸電系統，若其中一極因檢修停止正常運行或突然發生故障，系統能自動轉換為單極方式運行［2］。而在高壓直流輸電系統采用單極大地回線方式運行的過程中，輸電線路與接地極、大地構成回路，由于輸電線上會產生相對較大的直流電，電流流經大地，使得接地點附近的大地電位發生變化，如果其附近存在電力交流系統，則會受到較大影響，使變壓器運行異常，產生直流偏磁問題［3－4］。

如果直流電流入變壓器繞組，尤其是流入的電流值大于變壓器所能承受的限值時，會影響變壓器的正常運行，甚至損害設備。具體表現為如下4點：（1）變壓器鐵耗、銅耗增加。變壓器繞組流入的直流電，會大大增加變壓器內部的勵磁電流，進而惡化變壓器的漏磁問題。漏磁問題會影響變壓器的其他組件，包括油箱、夾件等，并在其中產生鐵耗與銅耗。（2）變壓器運行溫度升高，發生過熱。直流電由大地經中性接地點流入變壓器繞組，變壓器繞組的勵磁電流直線上升，將使設備內部的其他組件產生渦流，設備整體溫度上升，如果這一狀態持續時間過長，會使設備過熱。（3）變壓器噪聲變大。直流電由大地經中性接地點流入變壓器繞組，將使變壓器磁通飽和且包含諧波分量，變壓器運行磁致伸縮，進而誘發噪聲。（4）變壓器振動增大。直流電由大地經中性接地點流入變壓器繞組，會加劇鐵芯的伸縮現象，使變壓器振動問題變得嚴重。

2 接地極對直流偏磁的影響

對于高壓直流輸電系統而言，進入接地極中的直流電流通常會受到接地極所處環境以及換流站與接地點距離的影響，下文將圍繞上述幾個方面展開分析。

2.1 接地極入地電流與變壓器直流偏磁的關系

當直流輸電系統處于單極大地回線運行方式時，輸電線會有幾百甚至上千安培的電流通過接地極注入大地。由于中性點與接地網之間會構成直流通路，在電位差的作用下，會有直流電流入變壓器。

假設有兩座變電站——M與N，這兩座變電站的電勢分別為VM和VN。M和N的中性點直接與大地相連，兩座變電站有線路連接。則通過中性點進入變壓器的直流電流由下式可得：

式中，RTN、RTM分別為兩變電站主變的直流電阻；RN、RM分別為兩變電站的接地電阻；RZ為兩變電站之間線路的電阻。

由上式可知，入地電流越大，變壓器直流偏磁越嚴重。

2.2 接地極所處環境與變壓器直流偏磁的關系

在雙極直流輸電系統中，一極檢修或故障會引發中性點接地變壓器的直流偏磁效應，流入變壓器的電流大小主要受大地電位差的影響。

對于接地極附近的區域來說，大地土壤的導電特性差異大，周邊的地理環境、地形情況也十分復雜。地表電位的大小與附近土壤電阻率有著正相關關系，同時與流入變壓器中性點的直流電流也呈正相關的特性。

另一方面，接地極深度對直流偏磁也會產生影響。在高壓直流輸電系統中，為了使入地電流在地表產生的電位和電位梯度保持在相對較低的范圍內，常采用垂直于大地的深層接地極，將電流直接泄放入地層深處。接地極埋得距離地表越遠，其附近的地表電位下降得越明顯，從而能有效抑制直流偏磁效應。

2.3 接地點距離與變壓器直流偏磁的關系

如果接地極附近環境相同，勵磁電流的波形還會受到接地點距離的影響。接地點與電流源越近，變壓器的直流偏磁問題就越大，且變壓器勵磁電流波形畸變也會加劇。反之，偏磁現象就會減弱。當直流接地極和變壓器中性點的距離超過60 k m時，勵磁電流畸變可以忽略。

3 直流偏磁抑制

伴隨著高壓直流輸電工程的發展，直流偏磁問題逐漸引起了電力從業者的重視，針對接地極所引發的變壓器直流偏磁問題，學者們從不同方面開展了研究，并提出了優化設計方案。

3.1 變壓器制造設計

從變壓器自身考慮，提升變壓器中性點所能通過的電流最大值是解決直流偏磁問題的根本之道。這一參數受到變壓器運行噪聲、溫升等指標的限制。進一步分析，直流偏磁的影響與變壓器鐵芯各向異性、磁滯損耗等因素密切相關，它是一個非線性的三維瞬態模型，需從變壓器尺寸、結構、介質、加工等多方面進行優化設計。

3.2 接地極與變壓器選址

直流輸電系統的單極大地回線運行方式會對地注入大電流，使接地極附近變壓器接地端電位發生變化，其變化大小與接地極附近土壤結構密切相關。因而，當我們分析直流輸電系統接地極對變壓器的直流偏磁影響時，必須以實際環境為基礎，通過土壤建模，計算土壤地表電位分布，進而評估變壓器偏磁大小，通過合適的接地極選址，降低直流輸電工程中接地極對變壓器直流偏磁問題的影響。

定性分析來看，當接地極附近土壤電阻率較低時，接地極對變壓器直流偏磁的影響降低；同時，加大接地極埋深或增加變壓器接地點與接地極距離也可以降低對變壓器直流偏磁的影響。

3.3 變壓器接地設計

從變壓器自身的接地設計出發，可從以下3個方面改進優化，從而降低接地極對變壓器的直流偏磁影響：（1）在變壓器中性點接地端加裝電容；（2）向變壓器中性點注入反向電流；（3）在變壓器中性點加裝電阻。以上3種方法分別具有不同的優缺點：（1）在變壓器接地點加裝電容，使變壓器對大地的直流電流相當于斷路，能夠有效阻擋直流電流向變壓器的流入，但加裝電容會影響附近其他變壓器設備，使其直流偏磁問題加重；（2）向變壓器中性點注入反向電流需要借助直流發生裝置，而這一措施目前多用于流入電流較大的運行環境，設備運行狀態復雜且成本較高；（3）在變壓器中性點加裝電阻這一方法實施起來簡單方便、造價便宜，能夠有效阻擋直流電流的流入，抑制變壓器直流偏磁問題，但如何根據實際情況設計接地端電阻參數、分析加裝電阻對附近電力設備的影響等問題仍無明確的方法，有待各方面的進一步研究。

4 結語

當高壓直流輸電系統運行于單極大地回線方式時，電力系統將大地作為輸電回路的一部分，通過接地極向大地注入較大電流，這一電流將引起接地極附近土壤地表電位變化，如果附近存在變壓器設備，部分電流會通過變壓器的接地端流入變壓器繞組，影響變壓器運行狀態，進一步引發直流偏磁問題。綜合來看，接地極入地電流越大，對直流偏磁的影響越大；接地極所處環境中周圍土壤電阻率越大、接地極埋深越淺，變壓器的直流偏磁問題就越嚴重；接地點的距離也會影響直流偏磁，接地極與變壓器距離越近，變壓器受影響越大。針對接地極所引發的變壓器直流偏磁問題，其解決需從變壓器制造設計、接地極與變壓器選址設計以及變壓器接地設計3個方面展開。

［1］王彪，王渝紅，丁理杰，等.高壓直流輸電接地電極及相關問題綜述［J］.電力系統及其自動化學報，2012（1）：66－72.

［2］顧承昱，司文榮，鄭旭，等.并聯直流接地極抑制上海區域直流偏磁的方法研究［J］.高壓電器，2012（4）：65－74.

［3］黃道春，魏遠航，鐘連宏，等.我國發展特高壓直流輸電中一些問題的探討［J］.電網技術，2007（8）：6－12.

［4］何文林，孫翔，鄒國平，等.直流偏磁對中性點接地變壓器衍生影響的檢測分析［J］.浙江電力，2014（10）：1－5.