中性點直流偏磁對變壓器的影響及抑制措施

張瑞達

摘 要：直流輸電系統(tǒng)在大地回流方式（包括單極大地回線方式及雙極不平衡方式）運行或直流供電的軌道交通系統(tǒng)或地球磁場的變化時，均可能會引起交流電網(wǎng)中部分中性點接地變壓器發(fā)生直流偏磁問題，從而產(chǎn)生諧波，引起噪聲、振動、過熱等問題，對變壓器的正常運行造成較大的影響。文章著重分析直流偏磁對變壓器的影響，并提出了具體的抑制措施。

關鍵詞：中性點；直流偏磁；變壓器；抑制措施

中圖分類號：TM401+.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）27-0099-02

1 前 言

目前，高電壓直流輸電系統(tǒng)以其大容量和長距離優(yōu)勢，在電力行業(yè)中應用比較普遍。其中已有多回直流輸電系統(tǒng)落點的廣東地區(qū)，由于地質(zhì)條件的特殊性（多為花崗巖地質(zhì)，大地直流電阻較大），這些直流輸電系統(tǒng)初期的單級系統(tǒng)調(diào)試和后期的非正常運行所引起的大地回線方式導致交流系統(tǒng)中接地變壓器的直流偏磁問題越來越嚴重和頻繁。中性點直流偏磁會引起變壓器諧波、噪聲、過熱等問題，還會使變壓器消耗的無功增加，嚴重時可引起變壓器的損壞，并可能引起保護的誤動，對變電站的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生了不利影響。

為了抑制直流偏磁，廣東地區(qū)的多個變電站（如500 kV深圳站）在運行的變壓器中性點已經(jīng)加裝了電容隔直裝置，對變壓器直流偏磁的抑制效果明顯。

2 中性點直流偏磁對變壓器的影響

2.1 噪音和振動增加

變壓器的噪音主要來源于鐵心的磁致伸縮，磁致伸縮產(chǎn)生的振動是非正弦的，所以噪音的頻譜含有多種諧波分量。中性點直流分量增大了變壓器的勵磁電流，鐵心磁過度飽和，增加諧波分量和噪音，且噪音頻率不穩(wěn)定。如果某一頻率與變壓器部件發(fā)生共振，會產(chǎn)生噪音疊加。

直流偏磁引起的高振動對變壓器本身帶來的問題比噪聲更加嚴重，可能會導致變壓器內(nèi)外某些部件的松動，從長期來看，對變壓器的絕緣和抗短路沖擊能力也會有較大損害。

2.2 產(chǎn)生高次諧波，出現(xiàn)電壓波動

直流偏磁背景下，變壓器工作點發(fā)生變化，處于非線性飽和區(qū)。勵磁電流呈現(xiàn)非線性，使系統(tǒng)電壓出現(xiàn)畸變，造成電壓波動。如果鐵心磁路飽和，勵磁電流呈現(xiàn)尖峰波形，以確保主磁通仍然為正弦波。該種背景下，勵磁電流具備基波分量im1和三次諧波分量im3，具體表示方式如下：

三相三次諧波的幅值和相位都相同，Y形接線中，三次諧波不具備流通性，且增加變壓器的無功損耗，降低系統(tǒng)電壓，使繼電器誤動。

2.3 損耗增加和升溫

直流偏磁會增加變壓器的勵磁電流度，使變壓器磁通過度飽和。勵磁電流處于磁化曲線的飽和區(qū)域內(nèi)，增加變壓器的漏磁通。漏磁通流經(jīng)變壓器的油箱、壓板和夾件等，增加渦流損耗，使金屬和郵箱過熱。如果鐵心磁通密度增加，也會增加該損耗[1]。

2.4 影響電網(wǎng)穩(wěn)定性

如果變壓器的勵磁電流滯后系統(tǒng)90 °，會導致無功功率損耗。通常情況下，它的損耗比較輕微。但是，如果無功功率急劇增加，就會產(chǎn)生大量無功損耗，并增加輸電線路損耗。如果鐵芯中，磁通密度處于飽和狀態(tài)，會對勵磁電流波形產(chǎn)生干擾，增加其峰值，導致繼電保護裝置誤動作，不利于電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

3 中性點直流偏磁抑制措施

3.1 裝設電容隔直裝置

電容隔直裝置電氣結(jié)構(gòu)原理，如圖1所示。

該裝置主要由隔直裝置主設備（成套裝置箱體、電容器、晶閘管、旁路開關、數(shù)字監(jiān)控裝置及交直流CT、PT）和遠方監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成。隔直裝置的基本原理是在電容器的兩端并聯(lián)一個晶閘管及機械開關旁路裝置，置于變壓器中性點實現(xiàn)直流電流的抑制作用，利用與電容器并聯(lián)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換旁路開關實現(xiàn)隔直裝置直接接地運行狀態(tài)和電容接地運行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。當變壓器中性點檢測到越限的直流電流時，將狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關斷開；當變壓器中性點直流電流消失時，延時將狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關閉合。在電容接地運行狀態(tài)下，當交流系統(tǒng)發(fā)生三相不平衡故障時，將有可能在電容器兩端產(chǎn)生高電壓。裝置通過大功率晶閘管實現(xiàn)過電壓快速旁路保護，并驅(qū)動狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關閉合實現(xiàn)中性點金屬性接地。

當交流系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，電容器承受主要的短路零序電流，并同時觸發(fā)閉合電容器的晶閘管和機械開關旁路，起到限壓和分流的作用，從而使電容器免受長時間的大電流作用，達到保護電容器的目的及避免變壓器中性點暫態(tài)過電壓。在電網(wǎng)恢復正常后，電流旁路裝置便自動復歸，使電容隔直裝置重新恢復隔直狀態(tài)運行。

裝置的控制功能分遠方/就地控制、自動/手動控制、定時自動控制。遠方監(jiān)控計算機實現(xiàn)遠方監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)及錄波數(shù)據(jù)存儲、分析等功能。遠控計算機與就地數(shù)字監(jiān)控裝置通過光纜通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。電容隔直裝置具備效率和安全效益層面的雙向優(yōu)勢，可以有效隔絕大地系統(tǒng)中直流電流分量對主變壓器的影響，減少損耗，且對系統(tǒng)繼電保護的影響比較有限，對主變壓器的安全運行有重大作用。據(jù)統(tǒng)計，南方電網(wǎng)公司部分

500 kV變電站主變中性點自加裝電容隔直裝置以來，總體運行情況良好，當發(fā)生中性點直流偏磁時，隔直裝置均能進行良好的精準分析，正確的做出動作。

3.2 反方向注入電流

反向直流裝置電源示意圖，如圖2所示。

將反向直流電流注入變壓器中性點，對原有偏磁電流進行抵消。在變電站外補償接地極和變壓器中性點之間注入直流電流，經(jīng)過變壓器繞組和電網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)該電流的部分回歸，使其返回補償接地極。對直流發(fā)生裝置輸出直流電流的方向和大小進行有效控制，以對變壓器中性點原有直流電流進行抵消。對具體的參數(shù)進行反向注入，使其對運行系統(tǒng)的影響參數(shù)進行抑制。它具有較高要求，且相對比較復雜[2]。

3.3 中性點串聯(lián)電阻

中性點串聯(lián)電阻是在變壓器中性點和地之間對相應限值的電阻進行串入，它能夠縮減中性點部位的電流，使其與具體的項目相符合。在許可范圍內(nèi)，合理改變串聯(lián)電阻中直流電流的分布，以對電流超標問題進行有效控制，實現(xiàn)偏磁。串入電阻的過程中，也升高了變壓器中性點的對地電位。雖然串聯(lián)電阻值比較低，但是它的容量比較大。加之，工作人員對變壓器的絕緣性能進行核算，中性點串聯(lián)點能夠?qū)ο到y(tǒng)阻抗能力進行更改，進而對自動化裝置進行核算和保護。

3.4 電位補償

變壓器發(fā)生直流偏磁，在中性點中對反向的直流電流進行接入，對直流偏磁的負面影響進行抵消和削弱。電位補償法包括正電位補償和負電位補償。它不需要對系統(tǒng)參數(shù)進行更改，更不會影響繼電保護和自動裝置的正常運行。同時，負電位補償過程中，能夠?qū)Φ鼐W(wǎng)進行陰極保護。

但是它也具備相應的缺陷：正電位補償會腐蝕地網(wǎng)。正電位補償背景下，電流經(jīng)過地網(wǎng)，很容易發(fā)生腐蝕。該種腐蝕情況持續(xù)時間比較短，對地網(wǎng)的影響也比較輕微。如果輔助接地極選擇不科學，會使系統(tǒng)周邊變壓器直流偏磁問題加劇。電力人員在輔助接地極安裝過程中，對它的位置進行合理選擇，使其與系統(tǒng)內(nèi)部其他變壓器保持一定的距離，將其對變壓器的干擾降到最低[3]。

4 結(jié) 語

中性點直流偏磁對變壓器的運行產(chǎn)生了負面干擾。電力人員要采取科學合理的方法對流入變壓器中性點的直流電流進行嚴格控制，將它對變壓器的干擾降到最低。電力企業(yè)要結(jié)合具體工程背景，對接地極址進行選擇，合理論證直流極地極電流對交流電力變壓器的磁飽和影響，并采取具體的抑制措施，以對變壓器中性點直流水平進行限制，使電力系統(tǒng)時刻處于良好的運行環(huán)境中，推進我國電力企業(yè)的快速發(fā)展。

參考文獻：

[1] 蔣偉，吳廣寧.變壓器直流偏磁抑制措施的研究進展[J].四川電力技術(shù)， 2011，（03）：9-13.

[2] 邱璆，張一坤.變壓器中性點串小電阻抑制直流偏磁的研究[J].華東電 力，2012，（05）：812-816.

[3] 牛勇.直流偏磁對變壓器運行的影響及應對措施[J].廣東科技，2014， （06）：53-54.