交流電網(wǎng)整流變引起的直流偏磁機(jī)理與實(shí)驗(yàn)分析

劉明軍 程 臣 趙克江 張作鵬 陳正宇

（國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司檢修分公司，重慶 400039）

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交流電網(wǎng)整流變引起的直流偏磁機(jī)理與實(shí)驗(yàn)分析

劉明軍 程 臣 趙克江 張作鵬 陳正宇

（國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司檢修分公司，重慶 400039）

電力變壓器中出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象不容忽視，根據(jù)沒(méi)有直流輸電線路的重慶電網(wǎng)出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象的情況，結(jié)合重慶地區(qū)供電格局、負(fù)載情況，針對(duì)該直流偏磁引起的原因進(jìn)行了研究。分析了整流變壓器在工作過(guò)程中因換流閥觸發(fā)不平衡，交流側(cè)正序二次諧波等原因產(chǎn)生直流并流入電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)中其他變電站造成直流偏磁的影響。采用相應(yīng)措施，針對(duì)變壓器的直流偏磁進(jìn)行實(shí)測(cè)，論證了整流變壓器對(duì)交流電網(wǎng)產(chǎn)生直流偏磁影響的現(xiàn)象，并獲得其主要特征。

整流變壓器；直流偏磁；觸發(fā)角；中性點(diǎn)

變壓器的直流偏磁指變壓器繞組中出現(xiàn)了直流分量，使鐵心中出現(xiàn)直流磁勢(shì)和直流磁通，使變壓器損耗增加，震動(dòng)噪聲加劇，產(chǎn)生大量諧波危害電網(wǎng)。

重慶電網(wǎng)多臺(tái)變壓器出現(xiàn)了直流偏磁現(xiàn)象，并且在負(fù)荷較小的情況下變壓器噪聲異常嚴(yán)重。重慶地區(qū)沒(méi)有直流輸電接地極，且直流接地極僅在直流線路檢修期間才產(chǎn)生直流入地的情況，其引起的主變中性點(diǎn)直流分量是較為穩(wěn)定的電流，可排除直流輸電線路接地極引起的變壓器直流偏磁；同時(shí)地磁暴引發(fā)直流偏磁現(xiàn)象具有偶然性，而檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示直流分量持續(xù)產(chǎn)生，因此地磁影響也可以排除。

再考慮重慶軌道交通雜散電流的影響。重慶軌道交通是通過(guò)鐵軌構(gòu)成直流回路，鐵軌對(duì)地有絕緣，且有一套監(jiān)測(cè)絕緣狀況以及雜散電流的保護(hù)裝置，因此也可排除軌道交通直流雜散電流對(duì)變壓器的影響[1-9]。

經(jīng)調(diào)查，重慶公司220kV電網(wǎng)系統(tǒng)中有九個(gè)變電站對(duì)220kV牽引站和鋁廠供電，這些企業(yè)均有整流設(shè)備，當(dāng)整流設(shè)備工作時(shí)，將產(chǎn)生較大直流電流，其中一部分直流電流注入 220kV電網(wǎng)系統(tǒng)，由于220kV電網(wǎng)系統(tǒng)中輸電線路直流電阻、主變?nèi)萘看笮『屯寥离娮杪实炔町?，使得系統(tǒng)中各220kV主變中性點(diǎn)接地直流分量也存在差異。所以產(chǎn)生高九路變電站直流偏磁的情況[2]。

1　整流變壓器交流側(cè)直流產(chǎn)生機(jī)理

1.1整流變壓器

整流變壓器在電化學(xué)處理過(guò)程（如電解和電鍍）及大功率直流牽引等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。電解行業(yè)的整流系統(tǒng)主要由整流變壓器、整流柜、濾波器等裝置組成。目前在各種整流電路中，應(yīng)用最廣泛的是三相橋式整流電路。城市軌道交通中一般采用十二脈波或二十四脈波整流[3]。輸出為 750V 或1500V。然而，由于整流系統(tǒng)的強(qiáng)非線性和時(shí)變性，系統(tǒng)在工作過(guò)程中會(huì)在交流側(cè)產(chǎn)生大量高次諧波和較強(qiáng)的直流分量。對(duì)電網(wǎng)會(huì)造成諧波污染和直流偏磁現(xiàn)象[4]。在此針對(duì)實(shí)際情況，對(duì)電解工業(yè)整流變壓器和直流牽引電機(jī)的牽引變壓器進(jìn)行分析。研究其結(jié)構(gòu)、工作方式，進(jìn)而得出兩種整流變壓器產(chǎn)生直流的原因。

1.2觸發(fā)角不平衡產(chǎn)生直流

以現(xiàn)在軌道交通和電解工業(yè)使用最廣泛的三相整流變壓器為分析對(duì)象，分析其產(chǎn)生直流的機(jī)理。三相橋式整流電路由網(wǎng)側(cè)繞組、閥側(cè)繞組、整流橋構(gòu)成。圖1是其電路工作原理，正常工作情況下，每個(gè)晶閘管的觸發(fā)角為60°。電流波形如圖2所示。

圖1　三相橋式整流電路

圖2　三相橋式整流電路電流波形圖

理想情況下，同一閥橋中的所有閥應(yīng)具有相同的觸發(fā)角。此時(shí)，換流變壓器單相繞組中的電流波形見(jiàn)圖 3（a），從圖中可以看到，正、負(fù)半周電流幅值相等，導(dǎo)通時(shí)問(wèn)相同，電流一時(shí)間面積相等[6]。但在實(shí)際工程中，這種絕對(duì)的一致很難被長(zhǎng)久保持，多種原因會(huì)導(dǎo)致同一閥橋中各閥的觸發(fā)角彼此不平衡。此時(shí)，換流變壓器單相繞組中的電流可能會(huì)出現(xiàn)圖3（b）所示的波形從圖中可以看出，此時(shí)，正、負(fù)半周電流導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)度不再相等。雖然電流的幅值相等，但正、負(fù)半周電流一時(shí)間面積已不相等，對(duì)稱軸相對(duì)于原來(lái)的位置發(fā)生了偏移，出現(xiàn)了一個(gè)等效直流電流分量。若工作電流幅值原來(lái)是I，正負(fù)半周對(duì)稱，現(xiàn)假設(shè)整流橋觸發(fā)角偏差0.1°，由此產(chǎn)生的等效直流為工作電流的0.3‰，一般情況下工作電流為幾千到幾百千安，因此網(wǎng)側(cè)最大能產(chǎn)生幾十安的直流分量。即變電站也有幾乎相等大小的直流流過(guò)變壓器繞組。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)一般認(rèn)為Indc小于交流額定有效值相電流的0.7%時(shí)可接受。ABB公司作為三峽直流輸電工程的系統(tǒng)總包單位認(rèn)為，Indc可取額定電流1%。而高壓變壓器中流過(guò)的交流量也在數(shù)十安培，所以由以上原因產(chǎn)生的直流量級(jí)別遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出允許范圍，會(huì)給變壓器造成非常嚴(yán)重的直流偏磁影響[5]。

圖3　不平衡觸發(fā)角產(chǎn)生的等效直流電流

1.3交流側(cè)母線正序二次諧波電壓

直流輸電系統(tǒng)經(jīng)常是與交流輸電系統(tǒng)通過(guò)換流站聯(lián)合在一起運(yùn)行的（同址共建），而交、直流輸電系統(tǒng)之間的相互作用也會(huì)在換流變壓器中引入直流電流分量、如換流站直流側(cè)的基頻電流會(huì)在交流側(cè)產(chǎn)生直流電流，換流站交流側(cè)的正序二次諧波電壓經(jīng)過(guò)直流側(cè)的反饋，最終也會(huì)在交流側(cè)產(chǎn)生一個(gè)直流電流[7]。

換流閥的循環(huán)導(dǎo)通與關(guān)斷不僅會(huì)影響電流的波形，還會(huì)影響電壓的波形。在換流閥這一特性的作用下，換流站交流母線中的正序二次諧波電壓會(huì)在換流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組產(chǎn)生直流電流分量[8]。正序二次諧波電壓產(chǎn)生的直流電流流程如圖4所示。

交流母線中的正序二次諧波電壓經(jīng)過(guò)換流閥的開(kāi)關(guān)動(dòng)作后，以基頻電壓的形式出現(xiàn)在直流側(cè)。此基頻電壓作用在直流側(cè)的基頻阻抗上，產(chǎn)生基頻電壓。由于換流閥是循環(huán)導(dǎo)通的，而諧波電流是連續(xù)的，結(jié)果導(dǎo)致直流側(cè)的諧波電流會(huì)以其他的頻率形式在換流變壓器各相網(wǎng)側(cè)繞組中出現(xiàn)[10]。其中有兩類頻率的諧波電流分量較強(qiáng)，即網(wǎng)側(cè)基頻及直流側(cè)諧波頻率的和與差。經(jīng)過(guò)換流閥的開(kāi)關(guān)動(dòng)作后，直流側(cè)的這一基頻電流會(huì)以一個(gè)正序二次諧波電流和一個(gè)直流電流的形式出現(xiàn)在換流變壓器的網(wǎng)側(cè)繞組中。

圖4　正序二次諧波電壓產(chǎn)生的直流電流流程圖

2　直流電流在電網(wǎng)中的傳播

當(dāng)直流電流從整流變壓器流入電網(wǎng)，經(jīng)過(guò)輸電線路，流入變電站變壓器繞組線圈，使變壓器產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象。按照等效定律，可將輸電網(wǎng)絡(luò)看成純電阻的直流通路，從而可以，按照線路參數(shù)獲得電網(wǎng)等效電阻模型，計(jì)算直流在電網(wǎng)中各變壓器的中性接地線的大小[11]。

另外一方面，該直流分量也可以通過(guò)高壓側(cè)和低壓側(cè)公共接地網(wǎng)絡(luò)從一側(cè)中性點(diǎn)流入另一側(cè)中性點(diǎn)，引發(fā)更嚴(yán)重的直流偏磁危害。

具體的電阻網(wǎng)絡(luò)波形和電路的傳播在此不做詳細(xì)的分析。

3　直流測(cè)量實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證之前的理論推導(dǎo)，證實(shí)這種直流偏磁現(xiàn)象的存在，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，分別采用電流表和傳感器+示波器等測(cè)量方法進(jìn)行實(shí)地測(cè)量。

3.1直流分量的離散測(cè)量

對(duì)高九路變電站220kV側(cè)中性點(diǎn)直流分量的測(cè)量使用測(cè)試儀器FLUKE318交直流測(cè)試鉗表，測(cè)量結(jié)果去掉耦合的交流分量。每隔一分鐘記錄一次讀數(shù)，共記錄3h內(nèi)的180個(gè)讀數(shù)點(diǎn)，繪制高壓側(cè)中性點(diǎn)直流分量圖。

如圖 5所示，220kV（高壓側(cè)）中性點(diǎn)直流分量測(cè)試期間幅值不斷變化，最大值10.6A且電流方向交替變換，反方向最大值6.4A，交流電流1.9A。測(cè)試期間該主變?cè)肼曇搽S直流分量幅值變化呈高低起伏狀。進(jìn)一步分析主變壓器220kV側(cè)中性點(diǎn)直流分量的特點(diǎn)，可以看出，該直流分量大小不斷變化且長(zhǎng)時(shí)間存在，其頻率較低，可以推測(cè)這種現(xiàn)象可能是由于負(fù)載變化的工作狀態(tài)使整流變壓器產(chǎn)生變化的直流，從而影響高九路變電站主變壓器[12]。

圖5　主變高壓側(cè)中性點(diǎn)接地電流錄波

3.2電流連續(xù)波形測(cè)量

對(duì)主變中性點(diǎn)電流波形的測(cè)量：使用測(cè)量?jī)x器為泰克TDS3012C示波器，配套的電流探頭型號(hào)為TCPA300+TCP303。將示波器探頭置于主變壓器中性接地線，設(shè)置示波器橫坐標(biāo) 10ms/div，縱坐標(biāo)100mv/div。測(cè)量結(jié)果如下。

高九路#1主變110kV側(cè)中性點(diǎn)接地電流含有大量諧波（圖6、圖7），不存在直流分量，47次、49次諧波含量較大，其次是 150～600Hz頻率區(qū)間的諧波含量較多，中性點(diǎn)直流分量為 0，交流電流0.22A，在噪聲上升時(shí)（圖7），2500Hz頻率內(nèi)的諧波整體上升，且12次諧波上升最為明顯。

圖6　高九路#1主變110kV側(cè)中性點(diǎn)接地電流波形圖（噪聲下降時(shí)）

圖7　高九路#1主變110kV側(cè)中性點(diǎn)接地電流波形圖（噪聲上升時(shí)）

高九路#1主變220kV側(cè)中性點(diǎn)接地電流含有大量諧波（圖8、圖9），且存在直流分量，噪聲降低時(shí)諧波含量集中在650Hz頻率范圍內(nèi)（圖8），噪聲上升時(shí)諧波含量集中在2500Hz頻率范圍內(nèi)（圖9），且諧波含量整體升高，其中650Hz頻率范圍內(nèi)諧波上升最為明顯。分析其直流分量，直流分量波動(dòng)范圍較大，正向最大16A，反向最大30A左右。波動(dòng)無(wú)規(guī)律，頻率較低大致在0.05HZ到0.2Hz。220kV側(cè)直流分量產(chǎn)生的影響嚴(yán)重。

圖8　高九路#1主變220kV側(cè)中性點(diǎn)接地電流波形圖（噪聲降低時(shí)）

圖9　高九路#1主變220kV側(cè)中性點(diǎn)接地電流波形圖（噪聲上升時(shí)）

圖10　高九路#1主變220kV側(cè)中性點(diǎn)接地電流直流分量

3.3噪聲測(cè)試

經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：高九路1#主變（中性點(diǎn)接地）周圍噪聲異常。在噪聲異常的1#主變周圍一周選取了13個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)點(diǎn)分別測(cè)試了噪聲的最大值和最小值（即每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行2次測(cè)試）[13]。測(cè)得1#主變周圍噪聲較大時(shí)的單個(gè)測(cè)點(diǎn)最大等效聲級(jí)為91.4dB，噪聲較小時(shí)的單個(gè)測(cè)點(diǎn)最小等效聲級(jí)為67.9dB，最大值和最小值相差達(dá)20dB以上。2#主變（中性點(diǎn)未接地）周圍噪聲沒(méi)有出現(xiàn)忽大忽小的異?，F(xiàn)象，每個(gè)測(cè)點(diǎn)只進(jìn)行一次測(cè)試。測(cè)得2#主變周圍單個(gè)測(cè)點(diǎn)最大等效聲級(jí)為71.1dB：?jiǎn)蝹€(gè)測(cè)點(diǎn)最小等效聲級(jí)為62.8dB，最大值和最小值相差10dB以內(nèi)?？梢缘贸?，隨著直流分量的較大波動(dòng)，噪聲和震動(dòng)出現(xiàn)基本同步的變化規(guī)律，中性點(diǎn)直流小的噪聲較小，且最大值和最小值相差小，直流分量大的，噪聲變化也大。

由以上測(cè)試結(jié)果分析可得整流變壓器產(chǎn)生的直流偏磁有以下特點(diǎn)[14-15]。

（1）頻率很低：由測(cè)試可以看出，直流分量的的頻率大概在 0.002Hz到 0.05Hz，變化頻率相比50Hz工頻來(lái)說(shuō)較低，可以看成直流。實(shí)際情況中整流變壓器所供給的負(fù)載情況不斷變化，如牽引機(jī)車的各種運(yùn)行狀態(tài)，電解工業(yè)根據(jù)不同需求調(diào)節(jié)電解電壓電流等。

（2）極性不定：整流變壓器產(chǎn)生直流過(guò)程中不確定因素較大，如觸發(fā)不平衡過(guò)程中同一橋臂上的整流閥的觸發(fā)角受很多因素影響。

（3）電流幅度不定：電流在較大的時(shí)候可能為30A，小的時(shí)候才1～2A。

4　結(jié)論

由以上檢測(cè)結(jié)果可以看出高九路變電站受到直流電流影響產(chǎn)生嚴(yán)重的直流偏磁，從本文分析可以得出該直流來(lái)源為電網(wǎng)中220kV牽引站和鋁廠的整流變壓器。從實(shí)際檢測(cè)情況看，由整流變壓器產(chǎn)生的直流偏磁現(xiàn)象不容小視。隨著全國(guó)軌道交通和電解工業(yè)的發(fā)展，這種現(xiàn)象對(duì)變壓器的影響可能會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，所以研究這一現(xiàn)象具有深遠(yuǎn)價(jià)值，為將來(lái)電網(wǎng)規(guī)劃提供有益的參考。

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The Mechansim and Experiment Analysis of DC Magnetic Bias Caused by Rectifier Transformer of AC Grid

Liu Mingjun Cheng Chen Zhao Kejiang Zhang Zuopeng Cheng Zhengyu
(State Grid Chongqing Electric Power Co. Maintenance Branch Company, Chongqing 400039)

In power transformer, DC magnetic bias cannot be ignored. According to the situation of DC magnetic bias in Chongqing electric power network, the reason of DC magnetic bias is studied. Analysis of the rectifier transformer in working process due to commutation valve trigger the unbalance, AC side of the second harmonic voltage of positive sequence and produces a DC and flow into the power grid, to power in the substation caused by the influence of DC biasing. Using the corresponding measures, the DC magnetic bias of the transformer is measured and the effect of the rectifier transformer on the DC magnetic bias is demonstrated.

rectifier transformer; DC magnetic biasing; grid distribution; neutral point

劉明軍（1979-），男，高級(jí)工程師，主要從事電力設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)及故障診斷研究。