变电站直流抑制装置选型研究

变电站直流抑制装置选型研究

陆东王文静鲁晓莉

（江苏科能电力工程咨询有限公司210000）

1直流偏磁概述

1、直流偏磁的定义

电力变压器中的“直流偏磁”是指由于某种原因导致的直流磁势或直流磁通，以及由此引起的一系列电磁效应。直流偏磁使变压器铁心半周饱和，在激励电流中产生大量谐波，不仅增加了变压器的无功消耗，而且可能引起保护继电器误动作。与此同时，铁心的高度饱和使漏磁增加，引起金属结构件和油箱过热。局部过热将使纸绝缘老化并使变压器油分解，影响变压器的寿命，对变压器的正常运行产生严重影响。

2、直流偏磁的产生机理

在线运行的变压器绕组内产生较大的直流分量，可以由如下原因引起：

（1）太阳等离子风的动态变化与地磁场相互作用产生的地磁“风暴”。

地磁场的变化将在地球表面诱发电位梯度。在地面电导率较小的地区，当发生严重地磁风暴时，电位梯度可达每公里几伏至上百伏，持续时间可为几分钟到几小时，这一低频且具有一定持续时间的电场作用于输电系统中中性点接地的电力变压器时，地表电位梯度将在其绕组中诱发地磁感应电流，其频率在0.001～1Hz之间，与50Hz的交流系统相比较，可看作近似的直流，其值可达80～100A以上，在一些自耦变压器中已测得地磁感应电流每相超过200A。

（2）直流输电线路接地极入地电流。

直流系统在系统调试、检修或发生故障的情况下时，会出现直流系统单极运行。单极运行时直流系统使用大地作为直流电流回路，这将引起直流接地极周围变电站地位升高。不同位置的变电站由于不同程度电位升，将会通过输电线路及大地，构成直流回路，直流电流通过变电站主变中性点侵入变压器绕组，引起变压器直流偏磁。变压器出现直流偏磁后会出现噪声增大，振动加剧等现象，还可能发生过热，并造成交流电网的谐波畸变增大，从而降低变压器的效率，缩短变压器的寿命。中性点直流分布机理见图1.1。

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Ф（t）的线性段，此时铁心中的磁通量为正弦波，励磁电流也是正弦波（如图1.2-2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，导致励磁电流的正半波出现尖顶（如图1.2中虚线所示），其幅值的大小除了与变压器设计有关，还与绕组中的直流电流值密切相关。

3、直流偏磁的危害

主变励磁电流波形发生畸变后。不再对称于原点，经傅立叶分解后，除了含有1，3，5，…的奇次谐波外，还含有0，2，4，…的偶次谐波。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：

a）噪声、振动增大。在交变磁场作用下，硅钢片受磁场磁化作用，硅钢片尺寸发生了微小变化（磁致伸缩），铁心随励磁频率变化而振动，并产生噪声。磁致伸缩产生的振动是非正弦的，噪声的频谱含有多种谐波分量。由于变压器噪声频率是变化的，可能会因某一频率与变压器结构部件发生共振而使噪声加大。根据现场测试220kV主变中性点直流电流为34A时，噪声可达到94dB左右，增量约19dB。

b）直流偏磁引起的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紧固件松动，如轴向压板、压钉、拉板、地脚螺栓等。此外会导致线圈绝缘层磨损，对变压器绝缘、抗短路冲击能力会有较大损害。

c）电压波形变坏。当铁心工作在严重饱和区时，漏磁通会增加，在一定程度上使电压波峰变平，谐波电压、电压总谐波畸变率增大。根据南网相关报道，在直流输电单极大地回线方式运行期间，几次发生35kV侧电容器鼓肚、爆炸事故，经分析是由于变压器工作在饱和区域而产生大量谐波，使得电容器组因谐振放大引起谐波过流而导致。

d）铁耗增加。在直流偏磁的作用下．变压器励磁电流可能会大幅度增加，变压器会工作在铁心的饱和区，使铁耗大幅增加。

3直流偏磁抑制装置选型

变压器直流偏磁抑制技术是一种电能治理产品，能有效避免直流偏磁给电网带来的破坏，目前常用的直流偏磁抑制技措施主要包括：电阻限流法、电容隔直法。

（1）主变中性点加装电容隔直装置法

在主变压器中性点上串联电容器，能够利用电容器“隔直通交”的特性来抑制直流电流。

正常运行时，电容器隔离直流电流，并可为工频电流提供低阻通道。但是当系统发生单相接地故障时，中性点会流过很大的零序短路电流，并且产生幅值很高的暂态电压，如果选用的电容器不能达到性能要求的话很容易损坏或发生爆炸。因此，如果需要采用电容器进行直流隔直，需在电容器两端并联旁路电路，形成电容隔直装置。

电容隔直装置装设于主变压器中性点侧，其主要部件为隔直电容，电容两侧并联有电流旁路保护装置和旁路刀闸。电容隔直装置有两种工作状态：一是直接接地状态，即为装置的正常工作状态，在主变压器中性点直流电流不超过设定限值时，装置都处于直接接地状态。二是隔直工作状态，当主变压器中性点直流电流超过了设定限值时，主变压器中性点接入隔直装置，起到抑制直流电流流入主变压器中性点的作用。在装置工作在隔直工作状态的情况下，当发生单相短路故障时，主变压器中性点交流电流超过设定限值，装置将立即转为直接接地状态，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。

电容隔直装置原理图见图3.1。

综合上述分析，直流偏磁问题的各种解决方案各有优缺点。从接入方式来看，在主变中性点和地网之间串入设备的两种抑制直流偏磁方法均需要旁路保护。从安全可靠性来看，这两种方法对旁路保护的要求基本在同一水平。因此，当旁路保护装置达到同样的技术条件、同样的安全可靠性时，在主变中性点和地网之间串入设备的两种抑制直流偏磁方法中，主变中性点加装电容隔直装置的方法较优。