直流偏磁对变压器的影响及防治措施

直流偏磁对变压器的影响及防治措施

贾英王斌袁凯琪

（国网山西检修公司）

摘要：随着我国电力行业的飞速发展，电力的供需矛盾已经成为现代电力的主要矛盾，加大对大容量、长距离的直流输电的研究力度，对解决这一矛盾有深远意义。在高压直流输电过程中，流经绕组的直流电流成为变压器励磁电流的一部分，该直流电流使变压器铁心偏磁，改变了变压器的工作点，使原来磁化曲线工作区的一部分移至铁心磁饱和区，结果总励磁电流变成尖顶波，最终导致变压器振动增大。所以本文从直流偏磁的机理入手，着重讨论直流偏磁对变压器的影响以及如何防治直流偏磁。

关键词：直流偏磁；变压器；防治措施

一、我国电力现状

随着±800kV直流线路及1000kV交流电网的建设，我国大容量、远距离的电网格局已逐步发展起来。在直流输电工程大量建设的基础上，国内关于变压器直流偏磁的研究也日渐得到重视。由于我国的电网复杂，直流输电线路和大量交流输电线路交叉运行，不可避免地存在直流偏磁问题，由太阳耀斑剧烈活动引起的地磁暴也会造成同样的现象。所以直流偏磁是我国电网现阶段亟需解决的问题。

二、直流偏磁产生的原因

直流输电线路与交流输电线路的并行运行或交流线路中存在电压电流关系曲线不对称的负载都会导致直流偏磁；当太阳耀斑进行剧烈活动时，产生的射线流会向四处发散，部分指向地球，将地磁场的稳定性打破，在地球表面形成电流梯度，当其作用于中性点接地变压器时，产生地磁感应电流，导致直流偏磁现象；用电轨道交通的直流电源把大地作为其中的一极，类似直流输电的单极运行，这会使城市里大于110kV的变压器产生直流偏磁[1]。

三、直流偏磁对变压器的影响

变压器绕组中有直流分量流过时，这些直流磁通造成变压器铁芯严重饱和，励磁电流高度畸变，产生大量谐波，经傅立叶分解后发现，除了含有1、3、5…奇次谐波外，还含有0、2、4…偶次谐波，导致变压器无功损耗增加，局部过热，破坏绝缘，从而损耗变压器寿命。变压器直流偏磁对变压器的影响主要表现在以下几个方面。

（一）噪声和振动变大

正负半波对称的周期性励磁电流中只含有奇次波，系统电压波形畸变，当变压器线圈中有直流电流流过时励磁电流会明显增大。在直流偏磁的情况下，励磁电流不仅含有1、3、5…奇次谐波，还有0、2、4…偶次谐波。奇次谐波产生半个周波的奇次波噪声，偶次谐波与之相对应。所以，变压器不仅产生奇次波噪声，还会产生偶次波噪声，这些谐波会使噪音频率发生变化，可能因某一频率的改变导致其与变压器内部结构发生共振使噪音增大[2]。

（二）谐波增大

漏磁现象是当铁心工作在饱和区时产生的，这时电压波峰变平缓，在直流电流作用下，如果电压达到一定的数值，变压器的励磁电流会大幅度增加，变压器的基本铜耗也会急剧增加，让线圈发热。这时，变压器成为交流系统中的谐波源，从而产生断路器恢复、电压增高、系统电压波形畸变等一系列问题。

（三）变压器励磁电流的畸变

受直流偏磁的影响，当变压器的工作点移至非饱和区时，变压器的激磁电感不再是常数，而是随着电流副值的变化而变化，这直接导致电压畸变；绕组变压器和磁路结构会对电压造成二次影响。励磁电流畸变还会导致系统电压下降、电压波形畸变，最终导致继电保护误动问题。

（四）损耗增加

变压器的损耗包括磁芯损耗和绕组损耗。

在直流偏磁的作用下，变压器励磁电流大幅度增加，导致铜耗急剧增加。但由于磁密变化较小，所以附加铜耗受到的影响要比基本铜耗小得多。

基本铁耗与通过铁心磁密的平方成正比，和频率成正比。变压器漏磁通常会穿过压板、夹件、邮箱等结构，在这些部件中产生涡流，涡流是由磁链引起的变压器感应电流，这部分损耗以应起谐波电流频率的平方次增加，该损耗是变压器谐波发热损耗的重要来源。

从1989年3月13日加拿大魁北克电力系统大停电事故中可以看出，直流偏磁导致变压器无功需求减少，产生大停电现象。无功功率随GIU增加而急剧增加，电力系统的无功率需求也随之增加，进而导致电力系统输电线路损耗增加[3]。

（五）对支撑板的温升影响

位于铁心表面的支撑板与铁心磁场相同，又比硅钢片厚的多，所以在发生变压器漏磁的部件中产生的涡流会直接导致支撑板温度升高。

四、直流偏磁的防治措施

直流偏磁是变压器的一种非正常工作状态，其对变压器产生的影响应当采取有效的手段加以预防，下面列出几种方法以减小直流偏磁对变压器的影响。

（一）交流线路上串联电容器

因为有自耦变压器参与电流的运输，所以仅在一个电压等级的输电线路上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。

电容器的结构是两块极板，中间隔着一层绝缘体，所以，正常情况下电容器是不会有电流通过的（除非中间的绝缘被击穿）；当电容器接入直流回路时，会有一个短暂的充电过程，当正负极板都充满电荷（电容器两端电压等于电源电压）以后，就没有电流再流动，所以说电容是隔离直流电流的。利用电容器的这一特性，在交流电路上串联电容器可以直接阻止电流通过。

（二）变压器中性点串联小电阻接地

电阻柜联结于电力系统的变压器的中性点与大地之间，串联电阻极大地增加了大地支路的电阻，电流肯定会分配更多的部分流向大地，从而抑制中性点直流电流。当系统出现接地故障时，电阻柜将限制故障电流，同时用经过变换的电流信号切除故障线路，发出故障报警信号。由于系统接入了电阻器，还能有效防止线路和设备绝缘受到破坏。此外，串联的小电阻应当具有低阻值、大容量的特点。

这个方法可以显著降低弧光接地的电压幅值；当运行方式改变时，无需改变阻抗值，即运行方式改变时，电抗值无需更动，免去了消弧线圈必须更换分接头的操作[4]。

（三）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。由于电阻器的阻值与中性点偏磁电流大小有关，为了达到防御效果，通过选择适当的小电阻和采取小电阻最优的安装位置，可在工程易通过的范围内解决直流偏磁对变压器的影响问题。

当系统单相接地故障发生时，中性点会有很大电流流过，并产生暂态电压，这个暂态电压副值很高。当电容器两端电压都超过一定的限制后，电流旁路保护装置将会把电容器设置为旁路，以抑制电容器上的暂态电压。在排除故障之后，电容器会重新投入运行，进入正常的轨道。当接入电网之后，系统的阻抗也随之发生了改变，所以当电容器重新正确运行时，应当重新核算相关的数值和绝缘匹配问题。

（四）反向电流法

当二极管加反向电压的时候，二极管中就流过反向电流。应对直流偏磁电流的反向电流法，是在变压器的中性点注入一个反向直流电流来抵消原来的偏磁电流，在变电站外接地支路与变压器中性点之间接入直流电流，该电流的一部分支流经过变压器绕组和电网再回到接地一端。通过控制直流电流的装置输出直流电的大小和方向，就能抵消变压器中性点的原有直流电流。

总结：因为国内外尚没有对于变压器直流偏磁能力的标准界定，以及电磁感应电流的不规律分布和直流输电系统的不确定性，所以直流偏磁仍是国际电网面临的一大难题。现阶段学者应当研究如何规避以上提到的影响因素，达到最优的电网状态。但以上提到的措施有一定的特殊性，所以还要具体问题进入具体环境中具体分析。

参考文献：

[1]尹燕霖.直流偏磁对车载牵引变压器的影响研究[D].北京交通大学，2015.

[2]陈厚合.交直流混合系统区域间可用输电能力计算[D].华北电力大学，2012.

[3]赵志刚.电力变压器直流偏磁问题的工程模拟[D].河北工业大学，2010.

[4]杜峰，张英.直流偏磁对变压器的影响及抑制措施[J].变压器，2008（07）：11-13.