电力变压器直流偏磁现象综述

王善磊+赵玉瑶+彭嘉杰+王嘉禾+江春鑫

摘要：随着特高压直流输电工程的实施，由直流极单极大地回线运行引起的直流偏磁现象对电网安全运行造成了严重威胁。本文首先从两个方面对变压器直流偏磁成因进行了机理分析，并结合直流偏磁下变压器的励磁特性总结出直流偏磁对电力变压器的的危害，最后，综合评价了三种主流的抑制直流偏磁的措施。

关键词：变压器；直流偏磁；形成机理；危害；直流输电

1、引言：

直流偏磁现象属于变压器的一种不正常工作状态，即在变压器励磁电流中出现了直流分量，且同时发生半波饱和[1]，直流偏磁会使得励磁电流的谐波分量增加，而且出现大量偶次谐波。这将导致变压器温升增加，噪声加剧，同时使得绕组电磁力增大，振动明显。此外，直流偏磁对继保设备、电容器组、电流互感器等设备的正常运行也有不同程度的影响[2]。

高压直流输电是导致直流偏磁产生的主要原因。因为其具有输送容量大、损便于异步联网、损耗耗小、输送距离长等优点近年来被广泛使用。文献[3]指出由于苏州500kV木渎变电站距离±800kV同里换流站接地极较近，在实际生产生活中发现其受直流偏磁影响严重。另外，直流输电在运行点调试或突发故障情况下亦有可能有大量直流电流通过接地极流入大地，从而导致交流电网内变压器直流分量增加，给电网安全稳定运行带来危害[4]。

国内外近年来对电力变压器直流偏磁现象的研究也取得了实质性的进展。文献[5]指出同纯正弦交流励磁时的磁滞回线相比，直流偏磁条件下铁心磁滞回线发生了明显变化。并说明在铁磁材料磁化特性的众多模型中，Jiles-Atherton（J-A）模型比较符合磁滞现象的物理本质，且模型参数较少、实现方便。在此基础上，文献[6]利用J-A模型，成功建立了直流偏磁时的变压器模型，并且设计出计及涡流损耗和异常损耗的铁心动态磁滞损耗模型。

2、直流偏磁形成机理分析

2.1从变压器运行工作点及励磁特性分析

如图1为变压器直流偏磁下的工作点分析，可以看到，当正常运行时，变压器工作于磁化曲线OA段。考虑到变压器的稳定性，正常运行时，变压器的主磁通位于A点，当通入直流分量后，由直流电流产生的直流磁通和交流电流产生的磁通，因此交流磁通在与直流磁通方向一致的半个周波内，磁通密度大大增加，同时，另外半个周波由于二者的方向相反，总磁通密度减小，致使励磁电流出现正负半周不对称的尖顶波。

2.2 从高压直流输电系统分析：

高压直流输电工程引起直流偏磁原理如图2所示。

从图2可见，高压直流输电工程常常采用单极大地回线的方式运行，因而会使得巨大的直流电流经接地极流入大地，导致很大范围内的大地电位发生畸变，构成中性点接地变压器、输电线路和大地回路，进而使产生的直流电流经变压器中性点入侵变压器绕组，引起变压器直流偏磁。

3、直流偏磁的危害

3.1导致变压器损耗增加、温升增加进而引发局部过热

直流偏磁会引起变压器正半波励磁电流大幅增加，使得铁心饱和程度增加，进而带来绕组、铁芯、油箱的涡流损耗增加，引起变压器顶层油温温度上升，导致变压器局部过热。文献[8]通过ANSYSMaxwell建立变压器3D模型，通过Maxwell三维瞬态求解器对直流偏磁下变压器的铁心损耗，磁滞损耗以及涡流损耗进行了计算，经计算发现：直流偏磁下变压器整体损耗增加，并且随着偏磁直流的增大，变压器的损耗进一步增大。

3.2绕组电磁力增加，导致振动加剧，噪声大大增加

变压器直流偏磁下谐波电流增加，并且出现大量偶谐波分量，根据绕组电动力计算公式：

将式中的i（t）写成傅立叶级数展开形式：

变压器发生直流偏磁时，会有较大的直流分量通过绕组，即中的直流分量大大增。另外，直流偏磁是其他频率的谐波成分也大大增加，因此的表达式为：

n为谐波电流的次数。当无直流偏磁时，n为1、3、5等奇次谐波，且当n>1时，数值较小，所以绕组振动对称，相对平稳。。但是，当直流电流流过时，n除了奇次谐波还含有大量偶次谐波，且同等情况下谐波电流大大增大，导致增大，继而根据公式，得出直流偏磁下变压器绕组的电磁力增大，绕组振动加剧。

4、抑制直流偏磁的措施：

4.1中性点串联电阻法：

该方法概念明确，其优点是工程上容易实现而且价格便宜，性能相对来说较为稳定，操作实施简单。但是，由于串联电阻的原因，不可避免的会导致功率损耗增加；此外，如果串联的阻值选的过小，则会使得直流电流不能完全得到抑制，难以达到抑制的目的。但如果串联的电阻过大，线路的零序电流保护的范围将被缩小，其阈值设定又需要重新设定。

4.2中性點串联电容法：

这种方法是利用电容器对于直流电流的隔离作用，在变压器中性点串联接入以电容，用以隔断大地与系统间的直流电流。但是，中性点串联电容的方法对于容易引起过电压，从而容易使得保护装置误动作。因此，工程上常常配置并联的开关来保证其可靠性。另外，考虑到对变压器的保护，常常会设置电流旁路，将其对继电保护装置的影响降到最低。

总结

笔者首先从变压器本身的励磁特性以及运行特点对变压器直流偏磁形成原因进行了细致的分析，接着又论述了高压直流输电系统入地电流导致的直流偏磁形成原因。最后，笔者结合现有的研究成果，从损耗、绕组振动、以及继电保护这三个方面对变压器直流偏磁带来的危害进行了综述。

参考文献：

[1]薛向党，郭晖， 郑云翔， 等. 地磁感应电流对电力变压器危害的研究[J]. 电力系统及其自动化学报， 1999，11（2）： 13-19.

[2]郑涛 ，陈佩璐，刘连光，等 .计及直流偏磁的电流互感器传变特性对差动保护的影响 [J]. 电力系统自动化，2012 ， 36（20）：89-93.

[3]李贞，李庆民，李长云，等. J-A 磁化建模理论的质疑与修正方法研究[J]. 中国电机工程学报，2011，31（3）： 124-131.

[4]李晓萍，文习山，陈慈萱 . 单相变压器直流偏磁励磁电流仿真分析[ J ] . 高电压技术，2005，31（9）：8-10

作者简介：

王善磊 （1996-） 性别：男民族：汉籍贯：江苏连云港学历：本科在读研究方向：电气工程及其自动化