直流偏磁對電力變壓器的影響及其抑制方法

郭超++朱虎++楊新春

摘 要：由于“西電東送”的需要、工業和城市的發展，高壓直流換流站、金屬冶煉廠和軌道交通系統逐漸增多，導致直流偏磁與變壓器振動等問題日趨嚴重。系統分析了直流偏磁產生的原因，直流偏磁對電力變壓器的影響，以及直流偏磁的抑制方法。

關鍵詞：直流偏磁；電力變壓器；高壓直流輸電

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.159

0 引言

直流偏磁是指直流電流注入變壓器繞組中，導致變壓器磁通中產生直流分量而導致的一系列電磁效應。近年來，隨著高壓直流換流站、金屬冶煉廠和軌道交通系統逐漸增多，直流偏磁導致的變壓器振動等現象逐漸增加且日趨嚴重。

1 直流偏磁產生原因

1.1 地磁暴

當太陽發生耀斑等劇烈活動時，太陽產生高溫等離子體高速向地球運動，導致地磁場發生劇烈變化，使大地表面產生低頻（0.001～1Hz）感應電動勢（ESP），處于不同電位梯度的接地變壓器通過輸電線和大地形成回路，回路中流過感應電流（GIC），由于感應電流頻率較低，相對于工頻來說接近于直流，因此可使變壓器產生直流偏磁現象。

1.2 高壓直流輸電

高壓直流輸電（HVDC）系統由于具有造價低、損耗小、穩定性高等優點，在遠距離、大功率輸電中得到越來越廣泛的應用。當系統以單極大地回線方式或雙極不平衡方式運行時，可能高達上千安的直流電流將通過換流站接地極流入大地，直流電流回路上的大地將產生電位梯度。如果兩個變電站均有變壓器中性點接地并且其直流地電位有差異，直流電流將以變壓器、大地和輸電線為回路，從電位高的變壓器中性點流出，從電位低的變壓器中性點流進。

1.3 直流雜散電流

雜散電流是指在設計或規定回路以外流動的電流。直流雜散電流主要來源于軌道交通等直流電氣化鐵路、冶煉廠等直流電解系統和直流電焊系統等直流負荷。直流雜散電流的流動導致回路上的大地產生電位梯度，不同電位梯度上的接地變壓器中性點將流過直流電流。

2 直流偏磁對變壓器的影響

2.1 振動和噪音加劇

當變壓器中性點流入或流出直流電流時，直流電流將在鐵芯中產生直流磁通，直流磁通與交流磁通疊加，使得一個半周的磁通大大增加，鐵芯飽和，而另外一個半周磁通減小。由于勵磁電流與磁通間的非線性關系，磁通的增加將使勵磁電流波形畸變，出現“尖頂波”，因而電流中將出現直流分量、奇次諧波與偶次諧波。磁通和電流的增加將使變壓器振動和噪音加劇，嚴重時可能導致部件松動，甚至導致放電、短路等嚴重后果。

（1）鐵芯硅鋼片磁致伸縮。由于S=（B2），其中S為硅鋼片應變，B為磁感應強度。因此磁通的增加將使得硅鋼片磁致伸縮加強，鐵芯振動加劇。同時從公式也可以看出磁致伸縮引起的振動周期是2倍工頻，即100Hz。

（2）硅鋼片接縫處、疊片間電磁吸引力。硅鋼片接縫處、疊片間由于存在漏磁通引起的電磁吸引力，隨著漏磁通的增加而使鐵芯振動加劇。但隨著變壓器制造工藝的進步、鐵心疊壓方式的改進和鐵心柱、鐵扼采用無緯環氧玻璃粘帶綁扎，使得硅鋼片接縫處、疊片間電磁吸引力引起的振動較小[1]。

（3）繞組電動力。在漏磁通的作用下，流過電流的變壓器繞組將承受電動力的作用。漏磁通的增加將使繞組承受電動力增加，繞組及其相連的變壓器部件振動加劇。

2.2 變壓器損耗增加、溫度升高

直流偏磁時勵磁電流增加，導致銅損增加。磁通密度的增加將導致磁滯損耗和渦流損耗的增加，同時引起繞組、鐵芯和附件等發熱。溫度的升高可能使得變壓器效率降低、熱老化加速和壽命降低。

3 變壓器直流偏磁的抑制方法

變壓器直流偏磁的抑制措施分為外部措施和內部措施。

3.1 外部措施

（1）交流線路上串聯電容。直流電流通過接地變、大地和交流線路構成回路，利用電容“通交隔直”的特性，在交流線路中串聯電容可以隔斷直流電流的流通。但是串聯電容后改變了線路的阻抗值，系統繼電保護及自動化裝置的整定值需要重新校核。由于系統中存在自耦變壓器，直流分流可以流入另一個電壓等級，所以需要在各個電壓等級的每回出線上裝設串聯電容，成本較高。

（2）變壓器中性點串接電容。同樣利用電容“通交隔直”的特性，在變壓器中性點與地之間串接電容也可抑制直流偏磁現象。該方法同樣能完全阻隔直流分量在變壓器中的流動，但該方法改變了系統零序阻抗，繼電保護整定值需要重新校核。同時，系統發生單相接地故障時，中性點可能產生較高的暫態電壓。因此需要在電容兩端并聯電流旁路保護裝置，以降低暫態電壓保護電容。

（3）變壓器中性點串聯小電阻接地。存在直流電位差的兩個變電站，當變壓器中性點串聯小電阻接地時，直流電流更多經過大地通路流過，流過變壓器直流電流減小。但該方法只能減小直流電流，無法隔斷所有直流電流；中性點電阻的串入改變了系統零序阻抗，繼電保護的相關整定值需要重新計算；同時如果系統運行方式改變，電阻值需要重新選擇[2]。

3.2 內部措施

（1）變壓器中性點注入反向直流電流。通過監測中性點的直流電流，利用補償接地極往中性點注入大小相同方向相反的直流電流，使得流進變壓器的直流電流為零。該方法不影響零序阻抗等系統參數，但結構復雜，適合于直流電流穩定的情況。

（2）自激補償法。自激補償法的原理是變壓器生產時增加一個附加繞組，通過檢測變壓器中直流磁通的大小和方向，使得附加繞組產生大小相同方向相反的直流磁通。使得變壓器中直流磁通為零。但該方法需要改變變壓器結構，增加變壓器設計與制造成本[3]。

4 結論

近年來，隨著高壓直流換流站、金屬冶煉廠和軌道交通系統逐漸增多，直流偏磁導致的變壓器振動等現象日趨嚴重。本文分析了直流偏磁的原因，主要有地磁暴、高壓直流輸電和直流雜散電流；從鐵芯磁致伸縮、硅鋼片間電磁吸引力和繞組電動力的角度分析直流偏磁對電力變壓器的影響，最后總結了抑制直流偏磁現象的措施。

參考文獻：

[1]顧曉安，沈榮瀛，徐基泰.大型電力變壓器振動和噪聲控制方法研究[J].噪聲與振動控制，2001，21（05）：7-11.

[2]張露，阮羚，潘卓洪等.變壓器直流偏磁抑制設備的應用分析[J]. 電力自動化設備，2013，33（09）：151-156.

[3]張師赫，蘇帥，劉青.單相變壓器直流偏磁及抑制措施分析[J]. 電氣技術，2016，17（04）：25-28.

作者簡介：郭超（1988-），男，四川眉山人，博士，工程師，主要從事高壓電氣設備絕緣狀態評估及其方法研究。endprint