直流偏磁对变压器的影响及抑制措施

杜

峰１，张

英２

（１．湖北省黄石供电公司，湖北黄石４３５００３；

２．广东电网电力科学研究院，广东广州５１０６００）

分析了直流偏磁对交流系统变压器的影响，并介绍了几种抑制措施。摘要：

关键词：变压器；直流偏磁；分析中图分类号：ＴＭ４０１＋．１

文献标识码：Ｂ

文章编号：１００１－８４２５（２００８）０７－００１１－０３

ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＤＣＢｉａｓｔｏＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒａｎｄＩｔｓＳｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎＭｅａｓｕｒｅｓＤＵＦｅｎｇ１，ＺＨＡＮＧＹｉｎｇ２

（１．ＨｕａｎｇｓｈｉＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＣｏｍｐａｎｙ，Ｈｕａｎｇｓｈｉ４３５００３，Ｃｈｉｎａ;２．ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈ

ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｕａｎｇｄｏｎｇＰｏｗｅｒＧｒｉｄＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＤＣｂｉａｓｔｏｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｉｎＡＣｓｙｓｔｅｍｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｓｏｍｅｓｕｐ－ｐｒｅｓｓｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．

Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ＤＣｂｉａｓ；ＡｎａｌｙｓｉｓＫｅｙｗｏｒｄｓ：

１前言

随着我国电力行业的迅速发展，大容量、长距

离的直流输电成为解决现代电力需求矛盾的主要方法。在直流输电单极大地回线方式或双极不平衡方式运行时，直流电流侵入交流系统，变压器将产生直流偏磁问题；由太阳耀斑活动引起的地磁暴也会造成同样的问题。因此，直流偏磁成为电力系统急需研究解决的问题［１－３］。

着距离的增大，其电位分布为按指数规律下降的曲线。开始电位梯度很大，当距离增大到一定程度，相邻两点的电位差ΔＵ越来越小时，分布曲线渐渐趋于平坦。ΔＵ施加在不同变电站变压器的接地中性点间，通过变压器绕组以及变压器之间的输电线路形成回路。

太阳耀斑活动导致地磁暴时，太阳风和射线流袭击地球，使地磁场的水平和垂直分量发生变化，在地球表面诱发电位梯度。当其作用于中性点接地变压器时，就会产生地磁感应电流，其频率在０．００１Ｈｚ～０．０１Ｈｚ之间，典型幅值为１０Ａ～１５Ａ，有的可达到２００Ａ［４］。

由直流输电和地磁暴产生的直流电流，当其通过变压器中性点接地点及输电线路组成的通路流经两侧绕组时，在变压器铁心内部产生一定的直流磁通，使得磁通在正、负半周明显不对称，发生偏移，从而产生直流偏磁。当变压器绕组无直流分量，励磁电流ｉ（ｔ）工作在铁心磁化曲线\"（ｔ）的线性段时，铁心中的磁通为正弦波，励磁电流也是正弦波（如图２中实线所示）。当发生直流偏磁时，励磁电流工作在铁心磁化曲线的饱和区，使励磁电流的正半波出现尖顶（如图２中虚线所示），其幅值的大小除了与变压

２直流偏磁产生的机理

直流电场分布如图１所示。在直流接地极场

内，地中直流电位升高为Ｕ０。而直流接地极以外，随

Ｕ０

Ｕ

图１

Ｆｉｇ．１

直流电场分布图

ＤＣｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ

１２

#（

ｔ）#（ｔ）

－π

０

πω

ｔ０

ｉ（ｔ）

（ａ）

－π

（

ｂ）０

ｉ（ｔ）

πωｔ（

ｃ）图２直流电流对变压器励磁电流的影响Ｆｉｇ．２

ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＤＣｔｏｅｘｃｉｔｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｏｆｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ

器设计有关，还与绕组中的直流电流值有关。

３直流偏磁对变压器的影响

励磁电流波形发生畸变后，既非对称于原点，也非对称于ｙ轴。经傅立叶分解后，除了含有１、３、５…奇次谐波外，还含有０、２、４…偶次谐波。励磁电流幅值和波形的变化对变压器的影响主要表现在以下几个方面。

（１）噪声和振动增大。变压器的噪声主要来自铁心的磁致伸缩，磁致伸缩产生的振动是非正弦的，所以噪声的频谱含有多种谐波分量。由于变压器噪声频率发生变化，可能会因某一频率与变压器结构部件发生共振，使噪声增大。贵州高坡－广东肇庆直流输电以单极大地回线方式输送功率为７５０ＭＷ时，经现场测试，２２０ｋＶ春城变电站变压器中性点直流电流为３４．５Ａ，噪声达到９３．９ｄＢ，增加约１９ｄＢ［５］。

直流偏磁引起的高振动给变压器本身带来的问题比噪声更加严重，可能会导致变压器内外相关部件松动。例如，轴向压板、压钉、拉板以及地脚螺丝等。绕组绝缘的磨损，从长期来看，对变压器绝缘和抗短路冲击能力会有较大损害。

（２）谐波增大。当铁心工作在饱和区时，漏磁通会增加，在一定程度上使电压波峰变平，谐波电压和电压总谐波畸变率增大。此时，变压器成了交流系统中的谐波源，从而带来一系列问题。如系统电压波形畸变、滤波器过载、继电保护误动、合空载长线时产生持续过电压、单相重合闸过程中潜供电流增加及断路器恢复电压增高等。

（３）无功损耗增加。由于直流偏磁引起变压器

第４５卷

饱和时，励磁电流的增加，使变压器消耗的无功增加，它可能使系统无功补偿装置过载，也可能使系

统电压下降，严重时可使整个电网崩溃。

４直流偏磁抑制措施分析

直流偏磁对变压器产生的影响应采取措施加

以抑制。目前采取的抑制措施有在交流线路上装设串联电容器、变压器中性点串联小电阻接地、中性

点串联电容器接地和反向注入抑制等［６－８］。

４．１交流线路上装设串联电容器

利用电容器隔直通交的特性，在交流线路上串联电容器可以达到抑制直流电流的目的。但由于系统中有自耦变压器，所以仅在一个电压等级的输电线路上装设串联电容器并不能限制直流电流通过自耦变流到另一电压等级的线路。而且装设串联电容器后改变了线路的阻抗，系统继电保护及自动化装置、输电线路故障定位装置的整定需要重新做校核计算。

４．２变压器中性点串联小电阻接地

变压器中性点串联小电阻接地，可用来抑制中性点直流电流，其原理如图３所示。

变压器及输电线

变电站Ａ

路等效直流电阻

变电站Ｂ

中性点串接

电阻器

Ａ站地网接地电阻

站间大地等Ｂ站地网效直流电阻

接地电阻

Ａ站、Ｂ站之间直流电位差

图３

抑制中性点直流电流原理图

Ｆｉｇ．３

ＤｉａｇｒａｍｏｆＤＣｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎａｔｎｅｕｔｒａｌｐｏｉｎｔ

图３中把相关参数用集总参数来表示。串联电阻器增大了地上支路的电阻，电流势必更多地流经大地支路，从而达到了抑制变压器中性点直流电流的目的。电阻串入的同时，变压器中性点对地电位也随之升高。例如，当系统发生接地短路故障时，若故障电流幅值为２０ｋＡ，对串入５Ω的电阻来说，其电压峰值将达到１００ｋＶ，发热功率为２０００ＭＷ，１ｓ内可以产生２０００ＭＪ的热量。因此，串联的电阻具有低阻值、大容量的特点，一般为几个欧姆。同时，变压器中性点的绝缘水平也需进行论证核算。从图３可

第７期杜峰、张英：直流偏磁对变压器的影响及抑制措施１３

知，由于更多的电流从大地支路流过，将增大对周边中性点未串联小电阻的变压器的影响。中性点串

联小电阻接地改变了系统的零序阻抗，因此，需要对相关保护和自动化装置的整定重新做校核计算。４．３

中性点串联电容器接地

中性点串联电容器后接地，是利用电容器隔直通交的特性来抑制直流电流的，抑制装置原理图如图４所示。

正常运行时电容器可隔离直流电流，为工频电

变电站

接地网

变压器

补偿接地极

直流电流监测装置

限流电抗器

直流发生装置

变压器

图５

Ｆｉｇ．５

隔离刀闸

反向注入抑制原理图

Ｄｉａｇｒａｍｏｆｒｅｖｅｒｓｅｉｎｊｅｃｔｉｏｎｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ

系统的参数，但技术要求较高，比较复杂。

旁路刀闸

电流旁路

保护装置

保护间隙

隔离刀闸

５结束语

鉴于直流输电系统接地极电流和地磁感应电流分布规律的不确定性以及目前国内对变压器直流偏磁承受能力尚无明确标准规定，变压器直流偏

图４Ｆｉｇ．４

中性点串联电容器接地抑制装置原理图

Ｄｉａｇｒａｍｏｆｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｄｅｖｉｃｅｗｉｔｈｅａｒｔｈｏｆｎｅｕｔｒａｌｐｏｉｎｔｓｅｒｉｅｓｃａｐａｃｉｔｏｒ

磁成为当前电力系统面临的一大难点问题。笔者介绍的几种抑制措施各有利弊，需要结合现场的具体情况实施。参考文献：

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徐柏榆，王晓毛，等．直流输电对交流系统变压［５］梅桂华，

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阻措施［Ｊ］．电力系统自动化，２００６，３０（１２）：８８－９１．［８］杨积久，康健，何愈杰．±５００ｋＶ直流偏磁对变压器的影

响及直流偏磁反极性补偿装置的研制及应用［Ｊ］．贵州电力技术，２００６，（６）：１－８．

流提供低阻通道。当系统发生单相接地故障时，中

性点会流过很大电流，并产生幅值很高的暂态电压。当电容器两端电压超过一定限值后，电流旁路保护装置动作将电容器旁路，以抑制电容器上的暂态电压。在故障排除后，电容器重新投入运行。电容器串入中性点与地网之间后，也改变了系统的零序阻抗。因此，需要对相关保护和自动化装置的整定重新做校核计算。在系统操作时，过电压倍数会大大增加，系统绝缘配合需要重新论证。４．４

反向注入抑制

反向注入抑制是在变压器中性点注入一个反向直流电流来抵消原来的偏磁电流，其原理如图５所示。

在变电站外补偿接地极与变压器中性点之间注入直流电流，该电流部分经由变压器绕组和电网再回到补偿接地极。通过控制直流发生装置输出直流电流的方向和大小，就可以达到抵消变压器中性点原有直流电流的目的。反向注入抑制不影响运行

收稿日期：２００８－０３－１３作者简介：杜峰（１９７１－），男，湖北英山人，湖北省黄石供电公司工程师，从事电力系统运行与控制方面的工作；

张英（１９７８－），男，湖北黄梅人，广东电网电力科学研究院工程师，从事电力系统运行与控制方面的工作。