直流偏磁之我见Word文档下载推荐.docx
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研究表明较大的地磁波动会引起电力系统出现不寻常的无功和有功波动、极度的电压波动、频移、不必要的继电器操作、变压器三角形绕组中三次谐波电流增加以及通讯、远程监测和监督管理报警误动作。
我国幅原辽阔，在一定地区存在地磁感应电流的可能性是存在的。
国内对Glc问题的研究开始于20世纪90年代后期。
天津大学进行过GIC对电力变压器影响及消除方法的研究工作，华北电力大学针对我国电网发展的需要，运用对比法初步分析了GIC对我国电网的影响。
1.2直流输电单极大地回路运行产生的地中直流
在单极大地回路运行方式或双极不平衡运行方式的时候，大地作为直流输电回路，流通的电流为直流输电系统的运行电流，在其换流站周围一定区域内会产生地表电位，使周边中性点接地变压器在中性点产生直流分量。
其中流经两台中性点接地的变压器的直流电流分量，取决于两台变压器所在点的电位，变电站接地电阻、变压器绕组直流电阻和线路的直流电阻等因素，当流过变压器每相绕组的直流电流增大达到一定程度时，必然会引起铁心磁饱和，从而导致励磁电流波形发生畸变，从而引起变压器发生直流偏磁。
我国许多直流输电接地极额定电流高达3000A，必然影响极址周边中性点接地变压器的正常工作。
1.3直流输电线路与交流输电线路的并行运行或交流网络中存在电压电流关系曲线不对称的负载。
交流网络中存在电压电流关系曲线不对称的负载。
电压电流关系曲线不对称的负载，如相控交流负载、相控整流器、单波整流器、线路换向逆变器都能产生直流分量，另外在控制不对称的直流输电系统以及某些变频器系统中，变压器绕组电流均含有直流分量，它们对铁心饱和的影响与有接地直流电流进入变压器中性线时相同。
测量表明，如果在不同的接地点存在直流或准直流电位差，每相25A的等效直流在735kV自祸变压器可持续数小时，在315kV换流变压器中此电流可达3OA。
2直流偏磁问题研究概况
2.1总体概况
国外从八十年代初就开始了地磁感应对电力系统及其设备运行性能影响的研究，在国际上公开发表的文献大体上可分成三类,最主要的一类是从事电力系统运营的公司和研究机构从电力网安全运行的角度研究磁暴等地磁干扰对交流输电系统[1,2,12-14]以及直流接地基对直流输电系统的影响[15],其中大多数是在分析接地系统特点、地表电磁场分布、地磁感应电流在系统中的分布以及复杂电力系统网络模拟方法等的基础上，进行关于电力系统在地磁干扰情况下，系统中可能出现的直流大小、谐波含量及对系统无功的影响等方面的研究。
第二类是对电力系统监测和对变压器进行试验，其中监测是对电力系统地磁场及电力系统故障进行的[6,16,17]，试验则是用不同规模的变压器在其中性线中注入直流进行励磁电流、漏磁和温升等方面的试验[10,18,19]。
第三类是对地磁干扰状态下的变压器进行仿真计算，主要用解析法[6]、等效磁路和电路法[11]或部分结合有限元分析[21-23]进行存在直流时的变压器性能分析。
2.2当前的研究中存在的问题
综合国内对特高压直流输电接地电流对变压器影响的研究可以看出，尽管取得了一些研究成果，弄清了直流偏磁的部分作用机理，但仍然存在不少问题没有解决。
南京理工大学博士蒯狄正基于现场测试和试验研究中性点直流量对变压器、继电保护装置和变电所接地网的影响，但现场测试和模拟试验存在较大误差，不能准确反应中性点电流对变压器的影响[59，“0];
沈阳工业大学博士姚缨英用电磁场数值法分析了直流偏磁下变压器的励磁电流波形、漏磁、损耗和局部发热情况[6’，“2]，并用场路祸合解非线性瞬态涡流场的计算方法来研究交直流共同作用下的磁场分布，但没有明确变压器中性点允许通过的电流限值。
接地电流引起的直流偏磁对系统及其用电设备运行性能的影响大多从系统的角度去研究，变压器都是用简化的等效电路或磁路模型来代替，这对于制造厂家来说过于粗糙。
接地电流引起的直流偏磁对变压器运行性能的影响主要通过实验进行，而实验研究消耗时间、经费，而且很难找出变压器结构与直流偏磁效应之间的关系【‘]。
1993年shuLu和YiluLiu[，’]用磁路分析结合有限元分析的方法模拟了五种不同结构铁心的变压器对GIC的敏感程度，认为所有的单相和三相结构都易受GIC的影响，若直流偏磁增加，三相三柱铁心形式也能达到饱和并受到GIC的影响。
但该文献只考虑直流对变压器的作用而忽略了交流，己引起其它研究者的质疑，R.A.walling认为不考虑交流仅分析直流来研究地磁感应会有较大的误差。
文献【54]对三台小尺寸模型变压器进行了直流激励测试，发现单相三柱变压器对直流的敏感程度最强，三相三柱最弱，随直流量的增加，三相三柱激励及漏磁几乎不变。
分析计算时，直流源的引入方式对结果影响很大。
文献【63]认为同侧引入直流电流比异侧引入直流电流更能准确地反映地磁感应电流或直流输电线路单极运行引起的变压器直流偏磁问题。
3.3尚需深入研究的问题
综上所述，直流偏磁现象还有不少问题需要深入研究。
比如:
中性点直流量的大小靠实测得出，而缺乏相应的理论计算模型;
接地电流引起的直流偏磁究竟对变压器有什么影响并没有统一的认识;
目前尚无对中性点直流量进行在线监测的装置;
变压器承受直流偏磁的能力没有详细的分析;
导致变压器局部过热的机理和位置没有得到共识。
3直流偏磁对变压器的危害
3.1噪音增大
当变压器线圈中有直流电流流过时，励磁电流会明显增大。
对于单相变压器，当直流电流达到额定励磁电流时，噪音增大10dB;
若达到4倍的额定励磁电流，则噪音增大ZOdB。
此外，变压器中增加了谐波成分，会使变压器噪音频率发生变化，可能会因某一频率与变压器结构部件发生共振使噪音增大。
三峡直流输电系统向系统输送，自2002年12月三峡500kv直流输电（湖北龙泉一江苏政平）开始调试和试运行以来，常州武南两组500kV主变压器均出现噪声大幅度上升。
而在贵广直流线路中，2004年5月监测记录表明，贵广750MW单极大地回路运行方式下，春城站主变压器中性点直流电流34.5A，噪声93.9dB。
3.2振动加剧
变压器本体的振动主要源于硅钢片的磁致伸缩引起的铁心振动。
磁致伸缩使铁心随励磁电流的变化出现周期性的振动。
直流偏磁下的变压器铁心处于半周磁饱和状态，磁通偏移，同时励磁电流出现畸变现象，此时磁致伸缩加剧，导致铁心的振动也随之加剧，硅钢片接缝处和叠片间存在由漏磁引起的电磁吸引力，磁饱和时漏磁增大引起电磁吸力增大，从而也加剧了铁心的振动。
3.3局部过热
芯式变压器铁心的拉板或壳式变压器铁心的支撑板通常是采用磁性材料，以获得足够的机械强度。
位于铁心表面的铁心拉板或支撑板，与铁心硅钢片的磁场强度相同，其厚度比硅钢片的厚度又厚得多，大的涡流损耗导致了拉板（或有撑板）温度升高。
试验研究了铁心拉板（或支撑板）温升与其磁场强度的关系。
不论是心式铁心拉板，还是壳式铁心的支撑板，在同样的磁场强度下，交流过励磁的温升比直流偏磁的温升高约1倍。
这是因为直流偏磁时，仅半个周波存在高的磁场。
此外，如果铁心的拉板或支撑板采用非磁性材料，温升可大大降低。
3.4对电压波形的影响
在我国，110kV及以上变压器一般采用YN，d连接，超高压、大容量变压器，特别是自祸变压器一般采用YN，d，yn连接。
对于YN，d和YN，d，yn连接的三相变压器，虽然当直流接地极电流流过YN绕组时，增加励磁谐波电流，但由于一次和二次绕组都可以为三的倍频谐波电流提供通道，直接为变压器提供所需的三的倍频谐波电流，使得主磁通接近正弦波，从而使电动势波形也接近于正弦波。
然而事实上，当铁芯工作在严重饱和区，漏磁通会增加，在一定的程度上使电压波形畸变。
3.5变压器损耗增加
变压器的损耗包括磁芯损耗（铁耗）和绕组损耗（铜耗）。
变压器铜耗包括基本铜耗和附加铜耗。
在直流电流的作用下，变压器励磁电流可能会大幅度增加，导致变压器基西南交通大学硕士研究生学位论文第4页本铜耗急剧增加。
但由于主磁通仍为正弦波，且磁密变化相对不大，所以直流偏磁电流对附加铜耗产生的影响相对较小，铜耗主要是基本铜耗。
变压器铁耗包括基本铁耗（磁滞和涡流损耗）和附加铁耗（漏磁损耗）。
基本铁耗与通过铁芯磁密的平方成正比，和频率成正比。
对于采用YN，d接线的变压器，尽管励磁电流包含着谐波分量，由于主磁通仍然维持着正弦波，因此变压器绕组中的直流电流不会对基本铁耗产生太大的影响。
然而由于励磁电流进入了磁化曲线的饱和区，使得铁芯和空气的导磁率接近，从而导致变压器的漏磁大大增加。
变压器漏磁通会穿过压板、夹件、油箱等构件，并在其中产生涡流损耗，即附加铁耗。
附加铁耗会随着铁芯磁密的增加而显著增加。
应重视附加铁耗即使在无直流情况下，大型变压器的附加铁耗与基本铁耗相当甚至更大，这意味着随着变压器绕组中直流分量的增加，变压器的附加铁耗会增加。
1变压器承受直流能力影响因素的分析
从图2一1中可以看出造成变压器直流偏磁饱和的根本原因是由于变压器铁心磁化曲线的饱和特性。
变压器磁化曲线饱和程度、临界饱和点、变压器运行工作点等都是影响变压器承受中性点直流大小的因素。
不同结构、设计运行磁密取值和处于不同运行水平的变压器承受直流的能力不同。
容易受影响的变压器如中性点流过直流后产生直流磁通大的变压器和工作在临界铁心饱和点的变压器。
铁心材料磁化曲线拐点形状比较圆滑的和磁通密度设计取值愈低的变压器容许直流电流值较大。
现代变压器的铁心多采用优质的冷轧硅钢片，磁通密度选择在1.5一1.7T，励磁电流约为额定电流的0.1%，当外加电压增加时，励磁电流将会急剧增大。
通过第三章的分析也可以看出变压器承受直流偏置的能力和变压器本身的结构也有关系。
不同结构的变压器对直流偏置的反应情况也不同，由于三相三柱变压器直流磁通在铁心中无通道，需经过其它结构件和油从油箱返回，而油的磁阻较大，所以直流磁通很小，因此可允许从中性点通过较大的直流电流;
直流磁通在三相五柱式变压器中须经过旁扼返回，磁通返回通道的截面较小，从而在较低的磁通密度下就可能出现铁心饱和，直流电流的影响较为明显，在接地线中允许通过的直流电流较三相三柱式变压器小;
组式变压器特别是由单相自藕变压器构成的组式变压器，由于各相铁心都为直流提供低磁阻通路，且链绕直流的匝数多、铁心截面小，所以直流影响很严重，因此对允许通过的直流量应有所限制。
4直流偏磁的抑制措施
目前，己有一些关于解决直流偏磁问题的研究，取得了一些进展，但也存在不少问题。
4.1接电容器抑制法
电容器有“隔直通交”的特性，串联电容器可以达到抑制直流电流的目的，按串联电容器的位置，可分为在输电线路接电容器和在变压器中性点接电容器两种方式。
4.1.1输电线路接电容器
由于系统中有自藕变压器，所以仅在一个电压等级的输电线路上装设串联电容并不能限制直流电流通过自祸变压器流到另一电压等级的线路。
必须在与交流系统相联的所有出线上均装设串联电容器，刁‘能有效地抑制和消除流过相关变压器中性点的直流电流。
交流电网出线众多，若所有出线上均装设串联电容器，必然大大增加资金投入。
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作校核计算。
4.1.2变压器中性线接电容器
变压器中性点串联一个电容器来抑制变压器中性点的直流电流如图4一2所示哪]。
该装置的优点是隔直比较彻底，但为了限制故障过程中电容器两端的暂态电压，需要容量很大的电容器来承受故障电流，从而使价格昂贵，安装空间变大。
系统单相对地短路时，中性线上将通过非常大的零序短路电流，如果选用的电容器达不到性能要求就很容易损坏甚至爆炸。
在中性点电容器上并联电流旁路保护装置能更好的抑制直流偏磁减少事故。
有人提出在中性线串联电容器并设置其旁路电路的方法，此方法能明显提高在变压器中性线串联电容器的方法的可行性和实用性，变压器中性点接电容器及其保护装置如图4一3所示。
当电容器两端电压超过一定限值后，通过电流旁路保护设备动作启动电容器旁路，来限制中性点电容器上的暂态电压幅值，这样则不需要容量很大的电容器来承受故障电流，节省了安装空间，缩减了成本，也避免了对主变中性点绝缘的不利影响，确保了变压器安全可靠地运行。
在短路故障清除后，电流旁路保护装置自动返回到动作前状态，将电容器重新投入运行。
目前，中性点串联电容器己在清远220kV滔江变电站安装[76]。
4.2反向电流法
该方法的实现有两种:
1）在出现直流偏磁现象的变压器中性点接一个直流发生装置，如图4一4所示，产生一个与直流接地极电流大小相等，方向相反的直流来进行补偿，以此来抑制变压器直流偏磁。
由于直流量的大小并一定恒定，是随着时间的变化不规则变化的，所以该方法对监测中性点直流的电流传感器要求很高，将传感器获得的中性点电流相关信息传输给补偿电流装置，以便进行实时动态补偿[77]。
此装置优点具有一定的灵活性，缺点装置实现和控制策略复杂，造价较高，且电压安全性和系统可靠性需要检验。
将输出接口、提供报警、启动和闭锁等功能，与反向直流电流发生装置和远端独立接地体等设备，构成一个完整的抑制变压器中性点直流电流的装置，如图4一5所示。
动态补偿装置完善了中性点补偿电流法，能够避免出现欠补偿和过补偿，可以在直流偏磁严重的变电站使用，但由于制造成本的问题，大面积推广将增加资金投入，将动态补偿装置和接小电阻法相结合，形成高低搭配，能有效且经济的抑制变压器直流偏磁问题。
根据反向注入原理，由广东省电力试验研究所研制的平衡抑制装置已在惠州22OkV义和变电站投入运行，到目前为止，运行正常。
2）在变压器内设置消磁线圈，实时调整该线圈绕组中流过的直流电流值以产生一定的直流磁势，从而抵消或削弱地中流入直流所形成励磁磁势的影响。
该方法需要与相关设备厂家协商配合进行，涉及问题较多，在工程实际中应用的难度较大。
3）还有一些其他研究采取了直流地电流补偿法的思路，向地网注入电流来升高或降低地网电位，以减小两变电站地网间的电位差。
注入电流时要注意地网、避雷线及变电站其它设备的分流影响，对补偿容量的合理控制是该方法的难点。
该补偿法适用于直流较小的场合，它的补偿调节的控制过程比较复杂，应避免出现电流的过补偿。
4.3变压器中性点接小电阻法
中性点串接电阻抑制变压器直流偏磁的原理如图4一6所示，用集总参数表示输电线路、变压器以及两变电站土壤间的直流电阻。
当两变电站中性点存在电势差时，直流量会经并联的地面支路和地下支路流向远方，变压器中性点串接电阻器后，增大了地上支路的电阻，流经地下支路的电流就会更多地，这样就减少了进人变压器的直流西南交通大学硕士研究生学位论文第51页量，达到了抑制直流偏磁的目的。
接入小电阻成本低，易于推广，但可能会导致附近其它变压器中性点直流超标，无法完全抵消直流从中性点流入，且中性点电阻器改变了交流系统的零序阻抗，保护配置的整定值需重新设定[78]。
因此，要以整个目标电网的变压器的直流量都不超过承受限度为目的，借助优化计算方法，对接入的小电阻进行全网考虑，达到既消除了直流量超标的变压器的直流偏磁的问题，又不会将直流接地极电流转移到电网中其它变电站的变压器中，目前尚未见相关研究。
同时，要研究中性点接入小电阻后的雷电过电压、内部过电压、对系统继电保护的影响、小电阻的参数选取原则及其保护。
4.4其他方法
对不允许存在接地极地电流区域，应采用双极金属回线方式。
当其中一极发生故障停运时，另一极将通过金属回线方式单极运行，大地中几乎没有因接地极导致的电流分布。
该方法的缺点是由于采用三根导线组成输电系统，其线路结构较复杂，线路造价较高。
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