大地直流偏磁狀態下電力變壓器性能分析

邢軍強 韓剛 楊德利 楊文強 王雅慧 張景山 杜明競

摘要：地磁感應電流會引起變壓器準直流偏磁而造成鐵芯飽和，對變壓器及電力系統產生電壓不穩定、無功補償、電流諧波、變壓器局部溫升等多方面影響。對直流偏磁狀態下不同結構電力變壓器進行性能分析，以期為電力變壓器穩定運行提供解決方案。

關鍵詞：地磁感應電流;變壓器;直流偏磁;性能分析

中圖分類號：TM41 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1674-1161（2020）01-0026-03

日冕物質拋射（coronal mass ejection，CME）是指等離子體和磁場突然從日冕中大量噴發。如果噴發的方向朝向地球，大量的高能帶電粒子與地磁場作用造成地球磁暴現象。在變化的地球磁場作用下，地球表面可誘發每公里幾十伏、持續時間幾分鐘至幾小時的地表面電勢（ESP）。當這一電勢作用于電力系統時，會在系統長距離輸電線路中產生地磁感應電流（GIC），其峰值可達數百安培，變化頻率遠低于1 Hz，呈準直流狀態。研究發現，當GIC流入中性點接地的大型電力變壓器時，會造成變壓器鐵芯在工作頻率的每個半周期出現嚴重的磁飽和，這將對變壓器產生危害，進而影響電力系統的安全運行。

1 電力變壓器結構及連接組對GIC分布影響

地磁感應電流的成因是變壓器（中性點）、電力傳輸線和大地組成閉合導體環路。當緩慢變化的磁場穿過這個環路時，根據法拉第電磁感應定律，傳輸線上感應出準靜態的電動勢，系統產生準靜態的電壓。原理框圖如圖1所示。

1.1 變壓器結構的影響

從變壓器的組別來看，單相變壓器對GIC最為敏感;而三相三柱電力變壓器由于其較大的零序阻抗（大的磁阻），對應的GIC水平較低，受到GIC影響的風險最小。如圖2所示，三相三柱電力變壓器的直流磁通必須穿過上磁軛到箱蓋、箱壁，然后返回下磁軛，因此對GIC較為不敏感;而單相變壓器、三相五柱變壓器等的直流磁通路在鐵芯中，磁阻較小，因此對GIC敏感。

1.2 連接組的影響

繞組的連接對GIC也有顯著影響。帶有三角接繞組的變壓器，其等效的電抗較大，對鐵芯飽和起到延遲作用，客觀上減小了GIC電流脈沖對繞組溫升的影響。如圖3所示，由于三角接繞組的存在，高低壓處于GIC之前“平衡”狀態，其時間常數可達數分鐘。在此狀態下，變壓器尚未飽和，高低壓繞組電流平衡，不會導致溫升效應;而峰值GIC的時間常數往往只有幾十秒，因此保護了變壓器。

2 GIC對變壓器運行的約束條件及限制措施

2.1 GIC對變壓器運行的影響

GIC條件下，空載損耗和負載損耗增加不會對變壓器的運行造成根本影響，對變壓器壽命的影響也可以忽略不計。主要問題是鐵芯夾件的損耗與局部溫升。過高的溫升可能導致變壓器油裂解，如果夾件附近的絕緣件不能承受局部溫升，則整個變壓器的壽命就會受到影響。由于溫升，繞組和附件時間常數相對較小，而GIC脈沖時間常數接近甚至大于其溫升時間常數，因此，即使短時GIC也會對繞組和附件溫升有較大影響。從另一方面來說，鐵芯溫升時間常數（>30 min）遠大于GIC脈沖時間常數，因此整體溫升不是GIC的主要問題。此外，GIC導致的變壓器噪聲問題并不屬于長時問題，通常只持續幾分鐘至幾小時;而對于長時問題，空載損耗和噪聲是變壓器運行的重要限制。

2.2 減小GIC影響的措施

減小地磁感應電流的影響可以從兩方面入手，一是減小地磁感應電流本身，二是對變壓器部件進行保護。

2.2.1 減小地磁感應電流 串聯補償方案（串聯電容器）既可以提高系統的傳輸能力又可以有效隔離直流，是解決直流偏置問題的理想方案。但每條傳輸線都安裝串聯補償設備，費用昂貴。更經濟的方案是安裝變壓器中性點隔離裝置，隔離裝置可以是電容器或低阻值電阻（有時采用避雷器）。正常運行條件下，只有少量的零序電流通過變壓器中性點;GIC條件下，隔離裝置能夠承受至少200 A的長時電流及幾十千安的短路電流。典型的中性點直流隔離裝置如圖4所示。

2.2.2 保護裝置 變壓器鐵芯飽和造成的磁化電流是諸多問題的根本原因，減小磁飽和的程度可以解決上述問題。最為直接簡單的方案是選用三相三柱變壓器，其零序高磁阻能夠承受較高的GIC水平，設計時應將油箱與鐵芯保持足夠的距離以提供較大的磁阻。繞組連接也對GIC現象有顯著影響，三角連接繞組可以延遲鐵芯飽和時間，極大減小峰值GIC對變壓器造成的影響。此外，增加磁屏蔽、開槽等措施也是減小磁飽和影響的重要方法，優化其結構設計和材料可以提高GIC承受水平。

3 結論

通過大地直流偏磁分析，研究不同變壓器結構下直流偏磁磁場對變壓器性能的影響，根據直流偏磁下電力變壓器性能變化情況提出不同結構變壓器的防護措施，以保障直流偏磁下電力系統安全運行。

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Abstract： The geomagnetic induction current will cause quasi-dc bias of the transformer and cause the saturation of the iron core， which will affect the transformer and power system in many aspects， such as voltage instability， reactive compensation， current harmonics and local temperature rise of the transformer. This paper analyzes the performance of power transformers with different structures under dc bias magnetic state in order to provide a solution for the stable operation of power transformers.

Key words： geomagnetic induction current; transformer; DC magnetic bias; performance analysis