电力变压器的直流偏磁特性分析

电力变压器的直流偏磁特性分析

贾伟刘文静张国峰刘朋辉赵全胜李俊华刘

（国网河南省电力公司郑州供电公司河南郑州450006）

摘要：直流输电和地磁风暴在大地中产生的直流电流，经直接接地的变压器中性点流入绕组中，使变压器工作状态发生偏移，励磁电流发生畸变是产生直流偏磁的机理，在直流偏磁影响下，变压器噪声增大、振动加剧、局部过热，导致变压器绝缘降低，电力系统电压降低，甚至造成继电保护误动作；针对直流偏磁产生机理，使用在变压器中性点串联电容、电阻，削弱流入变压器的直流电流，可有效抑制直流偏磁。

关键词：变压器；直流偏磁；机理；影响；抑制措施

0引言

目前，中国110kV及以上电力系统，广泛采用中性点直接接地运行方式，对于中性点直接接地系统，经过变压器中性点流入绕组中的直流电流导致变压器磁通曲线发生偏移，从而产生直流偏磁现象；直流偏磁现象使变压器的金属构件的涡流增大，损耗增加，运行噪声增大，甚至降低电力系统电压，影响电网安全稳定运行。

1变压器直流偏磁产生的原因

变压器直流偏磁主要是由于直流电流经过直接接地的变压器中性点流入绕组中，使变压器工作于非正常运行状态。而大地中直流电流存在的原因有以下两种：（1）随着国家经济快速发展，电力需求不断增加，大容量、长距离直流输电工程得到广泛应用，目前直流输电系统常采用双极两端中性点接地运行方式，当双极电压、电流不相等时，即不对称运行方式时，大地中就存在直流电流，该直流电流为两级电流的差值；当直流输电系统采用单极大地回线运行方式时，大地构成直流输电回路的一部分，在大地中就会存在直流电流。（2）地球内部存在的天然磁场—地磁场与太阳等离子风的动态变化相互作用产生的地磁风暴，使地磁场发生变化，这种变化在地球表面产生了电位梯度，在地面电导率较小的地区发生严重的地磁风暴时，在地表的电位梯度将在中性点直接接地的变压器绕组中诱发频率为0.001～1Hz之间的地磁感应电流，与电力系统中50Hz的交流电流相比，地磁感应电流可近似为直流电流，其值可以达到100A以上。

2直流偏磁现象产生机理

变压器铁芯由一种典型的铁磁材料硅钢片叠加而成，具有磁滞特性，而变压器正常运行时，工作在磁化曲线的非饱和区即OA段，变压器的磁通曲线、φ-I曲线和励磁电流曲线如图1中实线所示，当有直流电流流入变压器绕组时，直流电流和绕组中的交流电流叠加之后产生的总磁通使变压器工作状态发生了偏移，甚至进入了饱和区，使励磁电流增大并且发生畸变，如图1中虚线所示。

通常理解直流偏磁有一个误区，即直流偏磁是由于铁芯中直流电流产生的磁通，与交流电流产生的磁通叠加而产生的，实际上是进入变压器的直流电流与交流电流叠加之后，总电流产生的磁通造成的直流偏磁效应，如果产生的总磁通使变压器工作在高饱和区域，由于铁芯的饱和磁感应强度是有限度的，即总磁通是有限值的，随着流入变压器直流电流的增加，励磁电流的畸变越来越严重，励磁电流的峰值在半个周期内急剧增大，在另外半个周期内逐渐减少，当励磁电流增大到一定程度时将出现严重的半周饱和现象，而且励磁电流中出现了大量的以二次谐波为主的偶次谐波。

图1变压器直流偏磁产生原理

3直流偏磁对变压器的影响

3.1噪声增大振动加剧

取向硅钢片的磁滞伸缩特性是变压器振动噪声的主要原因，变压器在直流偏磁作用下使铁芯中通过的总磁通增大，励磁电流谐波分量增加，导致磁滞伸缩加剧，振动噪声增大，并且随着直流偏磁的增大，变压器的空载噪声也随之增大，2004年5月监测单极大地回路运行方式下的贵广直流线路，监测发现在春城站主变压器中性点流入34.5A的直流电流时，噪声可达到93.9dB。

3.2损耗增加局部过热

在直流偏磁下的变压器铁芯发生过度磁饱和时，使铁芯的导磁率趋近于空气的磁导率，从而导致变压器中漏磁增加，漏磁会穿过铁芯、夹件等金属构件，并在其中产生涡流使变压器损耗增加，导致局部过热，局部过热将使变压器油分解和纸绝缘老化，降低变压器的使用寿命。

4直流偏磁对电力系统的影响

直流偏磁使变压器铁芯过度饱和时，励磁电流急剧增大并含有大量的偶次谐波，增加了变压器的无功消耗，在系统稳态运行时，系统电压随着直流偏磁电流增大而降低，并且系统电压降低速度与直流偏磁电流增加速度呈正相关。

另外直流偏磁还有造成电力系统继电保护误动作的可能性，主要表现为以下两个方面：

1）在直流偏磁影响下的变压器成为了交流系统的谐波源，谐波进入电力系统后会引起电压波形发生畸变使继电保护误动作。

2）在直流偏磁条件下电流互感器的传变特性发生改变，对采用基波分量算法和谐波制动方案的保护造成严重威胁，降低继电保护的可靠性，并且直流偏磁诱发的电流互感器局部暂态饱和，有引起变压器差动保护误动作的可能性。

5抑制直流偏磁现象的方法

对于直流偏磁问题，国内外提出了众多抑制方法，抑制变压器的直流偏磁现象首先要必须明确产生直流偏磁是由于有直流电流流入变压器绕组，阻断或者削弱经中性点流入变压器的直流电流，是抑制直流偏磁现象的有效途径，具体有以下几种方法：

1）串联电容法

在变压器中性点与系统大地之间串联电容，从而隔断直流电流来消除直流偏磁对变压器的影响，在检测到没有直流电流时将所串联的电容短路，从而保证在正常运行时变压器中性点直接接地，串联电容法能彻底隔断直流电流的通路，但是可能会增大流入其他变压器中的直流电流，从而导致其他变压器产生直流偏磁。

2）串联电阻法

流入变压器直流电流的大小由直流输电和地磁风暴引起的地面电位差，以及变压器绕组、中性点接地电阻和连接线路的等效电阻决定的，因此，在变压器中性点接地线上串联电阻可以有效降低流入变压器的直流电流，从而达到抑制直流偏磁的目的。

6结语

本文分析了变压器直流偏磁现象产生的主要原因和基本原理，论述了直流偏磁对变压器和电力系统造成的影响，并提出了抑制直流偏磁的措施；然而对于电力系统而言，在复杂运行状态下，不合理的选择抑制措施会加剧变压器直流偏磁，因此在选择抑制措施时需要综合考虑，并且各个措施抑制直流偏磁的程度尚不明朗，需要进一步研究分析。

参考文献：

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[4]马志强.变压器直流偏磁的原理性仿真[J].广东电力，2004，17（2）：5-9.