简论直流偏磁对变压器的影响及治理方法

毛昱良

引言

四川泸州川南发电有限责任公司（方山电厂）正处于向家坝--上海±800kV复奉直流超高压直流输电线路接地极附近，其中2013年复奉直流共发生6次不对称运行方式，方山电厂220kV中性点接地运行的变压器就出现了噪声、振动明显增大等情况，测得中性点最大直流电流为18A，数值大大超过了主变压器额定允许流过的直流电流8.59A。直流偏磁现象对变压器的正常运行和使用寿命有着严重的影响，危害大型发电厂安全运行，因此应加以重视。

1、变压器直流偏磁的原因

当直流电流流入中性点接地变压器的三相绕组时，会在铁心磁通中产生直流分量，引起磁通偏移，从而使励磁电流高度畸变，变压器出现直流偏磁现象。其原因主要有以下两种：

a、太阳等离子风活动引起的“地磁暴”会在地表产生电势差，诱发的地磁感应电流（近似直流）在中性点接地变压器中产生直流偏磁；b、超高压直流输电单极大地回路运行或双极输送功率不平均时，因交流系统的直流阻抗很小，会有直流电流流入中性点接地变压器产生直流偏磁。

2、直流对中性点接地变压器的影响分析

受到大地电阻的影响，直流电流在大地中流通总是从高电位流向低电位。那么两个换流站接地极之间肯定会产生电位差，入地电流将由逆变器接地极流向整流器接地极。如果不同地点并联运行的中性点接地变压器处在接地极附近，那么变压器的中性点必然会有压降。接地极的一部分入地电流将从地电位较高的变压器1中性点串入其绕组，通过输电线路进入中性点地电位较低的变压器2绕组，再由中性点流入大地，从而构成直流回路。

图1 构成直流回路示意图

如图2所示：当中性点电压被抬升，有直流分量时（虚线），磁路工作在磁化曲线的非线性区域，使得变压器磁通发生偏置，导致铁芯半波饱和，产生很大的激磁电流。

图2 变压器直流偏磁原理图

直流偏磁引起变压器励磁电流高度畸变，产生大量谐波。当谐波频率与变壓器有关部件的固有频率接近时，发生共振噪音增大。严重磁饱和产生的漏磁通导致磁致伸缩加剧，变压器振动加剧，同时磁滞损耗和涡流损耗使铁损增加，铁心的空载损耗增大。励磁电流的增大使变压器无功消耗增加，铜损增加，线圈发热，损坏绝缘，降低变压器使用寿命，威胁变压器的安全运行。

3、变压器直流偏磁治理方法

根据变压器直流偏磁的原因，目前主要有以下消除中性点直流电流的方法：

3.1中性点串联电阻

在变压器中性点串入一个低值电阻，这样能够有效地抑制流入中性点的直流电流。其优点：原理简易，容易实施，成本较低。缺点：a、无法完全消除流入中性点的直流；b、电阻值选取较大时变压器中性点不能可靠接地；c、系统零序参数产生了变化，影响到继电保护的整定；d、每当电网运行方式改变时，接地电阻需要重新计算阻值并更换。现场应用较少。

3.2中性点注入反向直流电流

借助有源注入直流电流直接抵消大地电流窜入变压器中性点的直流电流。其优点：使用灵活，无需改变系统参数。缺点：a、由于采用的是先检测后抑制，存在滞后性，导致不能完全抵消中性点的电流；b、工程量大，必须为装置建造一个独立的接地极；c、装置的成本和维护费用较高。虽然国内已有使用，但不适合推广。

3.3在交流线路上串联电容

变压器绕组出线处串联电容，能够有效切断直流回路。其优点：a、完全隔离直流电流流入交流系统；b、能够增加线路输送的能力，大大提高系统的暂态稳定性。缺点：a、对电容自身的要求较高；b、电网中有自耦变压器时，必须要安装多个电容。

3.4变压器中性点串联电容器

因为电容器具有“隔直通交”的特性，所以将其串入变压器中性点用来隔断直流电流流入变压器中性点。电容器组工频阻抗很小，理论上可以认为变压器中性点是金属接地，不需要修改变压器继保参数；在系统发生短路故障时，旁路保护装置可以承受大电流短时冲击和快速合上旁路开关，保证系统和隔直装置的安全。因此，使用中性点串联电容的方法较普遍。

图3 中性点串联电容器原理图

4、方山电厂采取的治理方案

方山电厂#1、2主变为三相五柱式重庆ABB变压器；启备变为三相三柱式天威保定变压器。由于直流输电接地极电流对不同结构变压器所产生的影响不同，根据研究结果表明，对三相五柱式变压器影响较大，对三相三柱式变压器影响较小，而实测结果也证明了这一点。经反复论证与技术评估，方山电厂于2014年最终采用变压器中性点串联电容器技术仅对主变中性点直流电流进行抑制。#1、#2主变共用一台隔直装置采用一拖二的结构，但同一时间仅允许一台主变通过该装置中性点接地运行。

以#1主变使用隔直装置为例：在变压器中性点新设一把K12隔离开关，为保证完全隔离直流电流，在隔直装置投运后，#1主变中性点接地隔离开关K11处于分断状态，新设隔离开关K12处于闭合状态。当变压器中性点未检测到直流电流，这时旁路开关K3处于合闸状态，#1主变中性点通过旁路开关K3金属接地，保证系统发生任何故障，变压器中性点均不出现不接地状态。当变压器中性点检测到直流电流超限时，旁路开关K3立即断开，使得电容器组投入运行以隔断直流电流，然后再通过电容器组两端的直流电压判断变压器中性点的直流电流已消失，则装置合上旁路开关K3。装置在电容接地运行状态下，一旦检测到变压器中性点的交流电流超限时，装置判断为电网发生不对称短路故障，晶闸管被触发导通，同时驱动旁路开关K3立即合闸，确保#1主变中性点迅速进入直接接地运行状态。

图4 一拖二的变压器中性点隔直装置

5、结束语

综上所述，直流偏磁现象严重危害中性点接地变压器及电力系统的安全运行，与其他三种治理方法相比，变压器中性点串联电容器法成熟实用，是治理直流偏磁比较理想的措施。本文结合方山电厂采取的治理方案验证了由该方法构成的隔直装置的可靠性，为大型发电厂变压器直流偏磁防治提供了参考。

（作者单位：四川泸州川南发电有限责任公司）