電力變壓器直流偏磁治理及測試分析

劉明群，徐志，覃日升

（云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

變壓器中性點流入直流電流時，將使變壓器工作點偏移而出現直流偏磁現象，導致變壓器噪聲增大、振動加劇、繼電保護誤動作及變壓器損耗增加等嚴重后果。一般影響接地變壓器偏磁的原因有地磁擾動引起的地磁感應電流、直流輸電工程的單極大地運行，引起這種的直流偏磁基本是暫時性的，另外一種影響因素是地鐵運行，地鐵運行對附近接地變壓器影響是持續性的，其造成的安全隱患更大，本文對直流偏磁產生的原因和機理進行分析，進行治理后監測結果表明治理效果良好，為后續類似的直流偏磁現象治理提供了技術指導。

1 直流偏磁電流產生現象及原因

某電站變壓器投運后一直正常運行，最近運行人員發現，在變壓器負荷無變化情況下，噪聲水平、變壓器的油溫和振動均有上升。運行人員對變壓器中性點流過的直流電流進行連續監測，日夜間直流電流呈現周期性變化，對新投運地鐵線路15 km范圍內的4座變電站的接地變壓器進行監測，得到監測數據如表1所示。

表1 地鐵線路附近接地變壓器中性點直流電流測量表

根據監測數據，地鐵運行時接地變壓器中性點直流電流、噪聲水平和振動幅度均增加，分析表明接地變壓器異常變化與新投運的地鐵線路運行直接相關。

一般來說，交流變壓器產生直流偏磁的原因有：

1）地磁擾動引起的地磁感應電流，地磁場由地球內部穩定的磁場和地球外部變化的磁場兩部分組成，通常太陽風、地震、火山爆等自然現象會引起地球外部磁場發生劇烈變化。地球是一個導電體，地磁場發生劇烈擾動時，變化的磁場會在地表兩點間產生一個電勢，感應作用在兩變壓器中性點端，將在變壓器繞組及線路中產生感應電流。

2）直流輸電產生的地中直流一般的直流輸電工程運行在雙極大地運行方式，當發生單極故障或雙極不平衡運行時，大地中會流過較大的直流電流，在兩極的接地極之間接地變壓器間會流過一定的直流電流，特別是距離換流站接地極址較近的接地變壓器，此種狀態一般只會偶爾出現。

3）地鐵牽引供電系統引起的直流電流。地鐵供電系統采用直流供電方式，分為單邊供電系統和雙邊供電系統。由于機車下走行軌與地不是完全絕緣，部分電流分量將流入大地，由于入地電流的作用，會在牽引站附近產生電位分布。與直流輸電接地極類似，在地鐵線路平行線附近的兩臺接地變壓器將會對地鐵的電流形成分流，使得交流變壓器產生直流偏磁。

直流電流流入變壓器繞組后，變壓器勵磁電流波形發生變化，引起直流偏磁變壓器的勵磁特性曲線變化。圖1淺線為無直流電流時的磁通曲線，黑線為有直流電流時的磁通曲線；圖1右上為變壓器典型的勵磁曲線；圖1右下淺線為無直流電流時的勵磁電流曲線，黑線為有直流電流時發生畸變的勵磁電流曲線。直流電流在繞組中引起直流磁通，引起變壓器主磁通曲線整體上移，使變壓器主磁通在正半軸增大，導致變壓器正半軸工作點進入勵磁曲線飽和區，同時使勵磁電流在正半軸發生畸變，產生直流偏磁。通常情況下流入直流電流越大，勵磁電流畸變程度就越大。當直流電流到達一定程度時，鐵芯磁通不會繼續隨直流電流的增加而增加，表明鐵芯內部已經達到半周磁飽和。

圖1 直流偏磁引起勵磁電流特性曲線變化示意圖

變壓器發生直流偏磁時，勵磁電流發生畸變，產生大量諧波，造成變壓器無功損耗、金屬構件損耗增加，導致局部過熱，引起溫度升高。同時變壓器因鐵芯磁通飽和，諧波分量增加，導致磁滯伸縮加劇，噪聲增大。另外漏磁通增加會導致繞組電動力增加，使變壓器振動加劇。

2 變壓器加裝隔直裝置及測試

電容隔直的方法是在變壓器中性點串聯1個電容設備，利用電容的隔直通交特性徹底阻斷直流電流進入變壓器繞組，原理示意圖如圖2所示。正常運行時，電容處于旁路狀態，當直流偏磁產生影響時，投入電容器，阻隔直流電流流入變壓器。利用電容隔直隔直方法會增加附近其他變壓器的直流電流。

圖2 隔直裝置接線圖

加裝隔直裝置后，直流偏磁電流減少明顯，剩余的直流電流可忽略不計，變壓器噪聲水平下降。以下直流偏磁電流對變壓器影響進行更為精確的振動測試，通過安裝在設備表面的一個或多個振動傳感器來獲取振動信號，將振動信號經過時域（或頻域）分析，獲得信號的特征信息，再通過相應診斷方法獲得設備的工作狀況。選取測點位置的主要原則是振動測試數據具有代表性和振動幅值相對較大的位置。對于三相一體式電力變壓器12個加速度振動測量點分別設置在A、B、C三相高壓側上部及下端部各三個測點（6個測點）；A、B、C三相低壓側上端部及下端部各三個測點（6個測點），共12個測點。測試系統的振動測點布置示意圖如圖3所示。圖4~圖9給出了變壓器A、B、C三相高低壓側的連續振蕩監測波形及頻譜圖。連續振動監測波形表明加裝隔直裝置后，變壓器A、B、C三相高低壓側振動幅度都有明顯下降，具體數值見表2。振動頻譜圖表明，加裝隔直裝置后，特征振蕩頻率減少，振蕩幅值減小，對振蕩整體影響可以忽略不計，根據監測統計數據表明，不論高壓側還是低壓側，上端部測振動值大于下端部。

圖3 振動測點布置示意圖

圖4 加裝隔直裝置前變壓器A相振動波形頻譜圖

圖5 加裝隔直裝置后變壓器A相振動波形頻譜圖

圖6 加裝隔直裝置前變壓器B相振動波形頻譜圖

圖7 加裝隔直裝置后變壓器B相振動波形頻譜圖

圖8 加裝隔直裝置前變壓器C相振動波形頻譜圖

圖9 加裝隔直裝置后變壓器C相振動波形頻譜圖

表2 加裝隔直裝置后地鐵線路附近接地變壓器中性點直流電流測量

接地變壓器中性點加裝隔直裝置前后，振動波形及頻譜對比如圖4、圖5所示，可以明顯看到，加裝隔直裝置后，變壓器振動幅值由4.0 μm下降到2.0 μm，最大振動幅值減少近二分之一，同時對加裝隔直裝置后的通過變壓器中性點的直流電流幾乎為零，同時對變壓器的油溫、噪聲進行測試，測試結果如表2所示，表明加裝隔直裝置后消除了直流偏磁帶來的影響。

3 結束語

隨著城市地鐵線路建設規模越來越大，運行期間產生的直流電流不可避免流入附近的接地變壓器，造成變壓器噪聲、溫度和振動幅值上升，長期運行存在安全隱患，通過加裝隔直裝置取得了良好效果，需要指出加裝隔直裝置變壓器可以消除直流電流，但直流電流不會消失，流入附近其它接地變壓器，接地變壓器流入直流電流隨距離地鐵線路越遠越小，地鐵線路規劃和變電站規劃建設時需要統一規劃，避免相互影響。