变压器直流偏磁对变电站设备的影响分析

变压器直流偏磁对变电站设备的影响分析

闵虎

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摘要：变压器直流偏磁是一种不正常运行状态，分析了磁暴灾害和直流输电单极大地运行两种情况造成的变压器直流偏磁机理。重点分析了直流偏磁产生的损耗温升和振动噪声对变压器机械疲劳和绝缘损伤的危害，直流偏磁谐波和铁心饱和对保护装置可靠性的影响，偶次谐波造成无功补偿装置谐波放大的事故，并从规划运行角度提出了预防和治理措施，为电网运行提供参考。

关键词：变压器；直流偏磁；温升；振动噪声；谐波；磁暴灾害

1引言

变压器直流偏磁是一种不正常运行状态，国内外已发生多起直流偏磁造成的运行事件[1-2]。造成变压器直流偏磁主要归结为三种，第一是临近效应，如直流输电单极大地运行、直流输电线与交流输电线相邻[3]；第二是设备内部原因，如换流阀逆变角不平衡[4]；第三是外部空间天气，如磁暴灾害。变压器直流偏磁的本质是绕组中窜入直流电流，运行点发生偏移[5]。

本文介绍了磁暴灾害和直流输电单极大地运行两种情况造成的变压器直流偏磁机理。重点分析了变压器直流偏磁产生的次生灾害效应对变电站设备的影响，包括变压器本体振动噪声增大、损耗温升增加造成的损伤，直流偏磁谐波对保护和无功补偿设备造成的误动和谐波放大影响，并从规划运行角度提出了预防和治理措施。

2磁暴和直流输电造成变压器直流偏磁的机理

太阳剧烈活动喷射出的高能高速粒子流在行星际中传播，当其冲击空间电离层电流时与地球磁场发生相互作用，产生剧烈快速的地磁扰动，称为“磁暴”[6]。地球作为由大地和海水组成的良导体，在磁场剧烈变化时，会在大地中感应出电场，地面感应电场作用在地基技术系统，如大规模电网、输油气管线、通信网络、交通信号灯系统等导体网络时，不同接地点地面感应电势间的电位差产生感应电流，称为地磁感应电流（GeomagneticallyInducedCurrent），简称GIC，GIC在电力系统中的流通路径如图1所示。

图2直流输电单极大地运行入地电流流通路径

高压直流输电单极大地回路方式运行时，接地极入地电流会在极址周边产生一个强大的电流场，由于大地土壤电阻率的变化，接地极周边不同位置的中性点接地变压器处于不同地电位，直流电流经过主变压器三相绕组、大地、输电线路形成通路，构成一个比纯大地更为低阻的通道，如图2所示。

直流电流流经变压器绕组，直流磁通叠加交流磁通导致变压器运行点偏移，如图3（b）所示，A为正常运行点，虚线为变压器发生直流偏磁运行曲线。图3（c）为变压器励磁电流曲线，可见叠加磁通的偏移使铁心发生半波饱和，导致励磁电流成为正负半波不对称和波形畸变的尖顶波，经傅立叶变换知，含有大量的奇次和偶次谐波[8]。而励磁电流产生无功功率，励磁电流增大导致变压器无功消耗增大，可能引起电压波动。

直流磁通叠加导致变压器铁心发生半波饱和，导致磁导率大幅下降，大量的漏磁通经变压器油、油箱壁、铁心拉板或者夹件等附件形成回路，导致结构件涡流损耗的大量增加，引起较大的温升。损耗和温升增大对变压器造成极大的损伤，不但导致变压器效率降低而且加速了变压器油纸绝缘的老化，极大缩短了运行寿命，而变压器正常运行负荷一般较高，较小的热量裕度下很难抵抗直流偏磁引起的过热，绝缘重复损伤积累最终导致绝缘烧毁，若变压器发生深度长时间偏磁影响，变压器可能瞬间毁坏，如图4所示。变压器直流偏磁过热往往导致油中气体含量水平剧增，严重可导致瓦斯保护跳闸，图5为直流输电单极大地运行某变压器内部气体含量监测水平，随着直流偏磁程度加深，内部气体含量骤升。

直流偏磁导致的变压器振动噪声包括由磁致伸缩引起的铁心振动噪声和由漏磁通引起的绕组和油箱壁振动噪声。铁心半波饱和使磁通密度在直流偏磁方向一致的半个周波的磁通密度大大增加，导致了硅钢片磁致伸缩率增大，引起铁心振动噪声的增大，而绕组电流漏磁通引起油箱壁和拉板夹件振动也增大了变压器运行噪声。变压器正常运行漏磁通很小，所引起的油箱壁和拉板夹件振动可以忽略，直流偏磁情况下，漏磁通大量增加导致油箱壁和拉板夹件振动加剧，主变振动噪声效果异常明显。图6为直流输电单极大地运行某变压器直流偏磁下振动加速度与中性点直流电流分量的实测数据，可见主变两个测点的振动数据曲线与中性点直流电流分量大小趋势呈现较好的吻合，直流偏磁程度愈深，主变振动愈剧烈。

4直流偏磁对保护的影响

直流偏磁主要从三个方面对保护造成影响，第一是励磁电流畸变产生的大量奇次和偶次谐波，传统模拟式继电保护基于基波电流、电压等电气量整定，波形畸变可能导致相关保护误动或拒动。而数字式微机保护以检测电气量的幅值为整定依据，谐波造成的波形畸变可能导致零序、负序、差动保护等启动量小的保护误动。第二半波饱和引起的铁心测量阻抗变化，距离保护Ⅲ段作为下级变压器的远后备保护，变压器阻抗的变化，可能导致线路事故过负荷情况下测量阻抗保护范围出现较大差异而误动。第三是直流偏磁伴随CT饱和，导致CT传变特性恶化，导致变压器差动保护计算出的差流增大，造成差动保护误动[9]。表1为直流偏磁可能对相关保护造成影响的统计表。

6预防措施和建议

抑制直流偏磁的措施根本是要阻断直流电流进入主变绕组，目前常用的方法有在主变中性点加装隔直电容、串接电阻、加装反向直流发生器等技术措施，但是电网增加治理设备不仅投资庞大，而且治理设备改变了电网的结构和参数，对电力系统运行性能产生的负面影响需要全面综合的考虑，不建议大面积推广使用。而从规划运行角度进行直流偏磁预防，可期望取得较好的效果，如在电网规划阶段充分考虑直流接地极的地电流影响，加深接地极的埋深、交流变压器选址远离直流接地极；设备选型阶段使用抗直流铁磁材料变压器；运行中在可能发生直流偏磁时降低主变运行负荷，预留铁心饱和裕度等方法。

7结论

变压器直流偏磁对变电站设备产生严重影响：

（1）铁心半波饱和导致主变本体振动噪声增大、损耗温升增加，致使主变机械疲劳，绝缘受损，深度长时的直流偏磁可烧毁变压器。

（2）直流偏磁产生大量谐波，降低了保护装置运行可靠性，铁心饱和改变了距离保护测量阻抗，改变了后备保护区间范围。而CT饱和使得主变差动保护差流增大，可能引起保护误动。

（3）直流偏磁产生的偶次谐波引起并联电容器组偶次谐波放大效应，导致爆炸烧毁事故。

（4）加装直流偏磁治理设备投资庞大，对电网影响需深入论证，可考虑从规划运行角度开展变电站选址、设备选型、运行裕度等工作来预防治理主变直流偏磁影响。

参考文献：

[1]文俊，刘连光，项颂，马雪玲等.地磁感应电流对电网安全稳定运行的影响[J].电网技术.2010，34（11）：24-29

[2]刘连光，刘春明，张冰等.中国广东电网的几次强磁暴影响事件[J].地球物理学报，2008，51（4）：996-972

[3]李新年，蒋卫平，李涛.交直流线路同塔输电对换流变直流偏磁的影响[J].电力系统自动化，2011，35（11）：87-92.

[4]杨松.大型换流变压器直流偏磁问题的研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2007.

[5]马雪玲，文俊，刘连光.GIC作用下换流变压器饱和特性的仿真研究[J].陕西电力，2010，38（8）：7-11

[6]刘连光.灾害空间天气对我国电网安全的影响及风险[J].中国工程科学，2010，12（9）：29-32.

[7]BorelerDH.Geomagnetichazardstoconductingnetworks[J].NaturalHazards，2003，28：537-561.

[8]刘同同，刘连光.变压器直流偏磁谐波对并联电容器的影响分析[J].现代电力，2012，29（1）：29-32

[9]李长云，李庆民等.直流偏磁和剩磁同时作用下保护用电流互感器的暂态特性研究[J].电力系统保护与控制，2010，38（23）：107-111