電力變壓器直流偏磁現(xiàn)象綜述

王善磊+趙玉瑤+彭嘉杰+王嘉禾+江春鑫

摘要：隨著特高壓直流輸電工程的實(shí)施，由直流極單極大地回線運(yùn)行引起的直流偏磁現(xiàn)象對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行造成了嚴(yán)重威脅。本文首先從兩個(gè)方面對(duì)變壓器直流偏磁成因進(jìn)行了機(jī)理分析，并結(jié)合直流偏磁下變壓器的勵(lì)磁特性總結(jié)出直流偏磁對(duì)電力變壓器的的危害，最后，綜合評(píng)價(jià)了三種主流的抑制直流偏磁的措施。

關(guān)鍵詞：變壓器；直流偏磁；形成機(jī)理；危害；直流輸電

1、引言：

直流偏磁現(xiàn)象屬于變壓器的一種不正常工作狀態(tài)，即在變壓器勵(lì)磁電流中出現(xiàn)了直流分量，且同時(shí)發(fā)生半波飽和[1]，直流偏磁會(huì)使得勵(lì)磁電流的諧波分量增加，而且出現(xiàn)大量偶次諧波。這將導(dǎo)致變壓器溫升增加，噪聲加劇，同時(shí)使得繞組電磁力增大，振動(dòng)明顯。此外，直流偏磁對(duì)繼保設(shè)備、電容器組、電流互感器等設(shè)備的正常運(yùn)行也有不同程度的影響[2]。

高壓直流輸電是導(dǎo)致直流偏磁產(chǎn)生的主要原因。因?yàn)槠渚哂休斔腿萘看?、損便于異步聯(lián)網(wǎng)、損耗耗小、輸送距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)近年來(lái)被廣泛使用。文獻(xiàn)[3]指出由于蘇州500kV木瀆變電站距離±800kV同里換流站接地極較近，在實(shí)際生產(chǎn)生活中發(fā)現(xiàn)其受直流偏磁影響嚴(yán)重。另外，直流輸電在運(yùn)行點(diǎn)調(diào)試或突發(fā)故障情況下亦有可能有大量直流電流通過(guò)接地極流入大地，從而導(dǎo)致交流電網(wǎng)內(nèi)變壓器直流分量增加，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)危害[4]。

國(guó)內(nèi)外近年來(lái)對(duì)電力變壓器直流偏磁現(xiàn)象的研究也取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。文獻(xiàn)[5]指出同純正弦交流勵(lì)磁時(shí)的磁滯回線相比，直流偏磁條件下鐵心磁滯回線發(fā)生了明顯變化。并說(shuō)明在鐵磁材料磁化特性的眾多模型中，Jiles-Atherton（J-A）模型比較符合磁滯現(xiàn)象的物理本質(zhì)，且模型參數(shù)較少、實(shí)現(xiàn)方便。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[6]利用J-A模型，成功建立了直流偏磁時(shí)的變壓器模型，并且設(shè)計(jì)出計(jì)及渦流損耗和異常損耗的鐵心動(dòng)態(tài)磁滯損耗模型。

2、直流偏磁形成機(jī)理分析

2.1從變壓器運(yùn)行工作點(diǎn)及勵(lì)磁特性分析

如圖1為變壓器直流偏磁下的工作點(diǎn)分析，可以看到，當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)，變壓器工作于磁化曲線OA段?？紤]到變壓器的穩(wěn)定性，正常運(yùn)行時(shí)，變壓器的主磁通位于A點(diǎn)，當(dāng)通入直流分量后，由直流電流產(chǎn)生的直流磁通和交流電流產(chǎn)生的磁通，因此交流磁通在與直流磁通方向一致的半個(gè)周波內(nèi)，磁通密度大大增加，同時(shí)，另外半個(gè)周波由于二者的方向相反，總磁通密度減小，致使勵(lì)磁電流出現(xiàn)正負(fù)半周不對(duì)稱(chēng)的尖頂波。

2.2 從高壓直流輸電系統(tǒng)分析：

高壓直流輸電工程引起直流偏磁原理如圖2所示。

從圖2可見(jiàn)，高壓直流輸電工程常常采用單極大地回線的方式運(yùn)行，因而會(huì)使得巨大的直流電流經(jīng)接地極流入大地，導(dǎo)致很大范圍內(nèi)的大地電位發(fā)生畸變，構(gòu)成中性點(diǎn)接地變壓器、輸電線路和大地回路，進(jìn)而使產(chǎn)生的直流電流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)入侵變壓器繞組，引起變壓器直流偏磁。

3、直流偏磁的危害

3.1導(dǎo)致變壓器損耗增加、溫升增加進(jìn)而引發(fā)局部過(guò)熱

直流偏磁會(huì)引起變壓器正半波勵(lì)磁電流大幅增加，使得鐵心飽和程度增加，進(jìn)而帶來(lái)繞組、鐵芯、油箱的渦流損耗增加，引起變壓器頂層油溫溫度上升，導(dǎo)致變壓器局部過(guò)熱。文獻(xiàn)[8]通過(guò)ANSYSMaxwell建立變壓器3D模型，通過(guò)Maxwell三維瞬態(tài)求解器對(duì)直流偏磁下變壓器的鐵心損耗，磁滯損耗以及渦流損耗進(jìn)行了計(jì)算，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)：直流偏磁下變壓器整體損耗增加，并且隨著偏磁直流的增大，變壓器的損耗進(jìn)一步增大。

3.2繞組電磁力增加，導(dǎo)致振動(dòng)加劇，噪聲大大增加

變壓器直流偏磁下諧波電流增加，并且出現(xiàn)大量偶諧波分量，根據(jù)繞組電動(dòng)力計(jì)算公式：

將式中的i（t）寫(xiě)成傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)形式：

變壓器發(fā)生直流偏磁時(shí)，會(huì)有較大的直流分量通過(guò)繞組，即中的直流分量大大增。另外，直流偏磁是其他頻率的諧波成分也大大增加，因此的表達(dá)式為：

n為諧波電流的次數(shù)。當(dāng)無(wú)直流偏磁時(shí)，n為1、3、5等奇次諧波，且當(dāng)n>1時(shí)，數(shù)值較小，所以繞組振動(dòng)對(duì)稱(chēng)，相對(duì)平穩(wěn)。。但是，當(dāng)直流電流流過(guò)時(shí)，n除了奇次諧波還含有大量偶次諧波，且同等情況下諧波電流大大增大，導(dǎo)致增大，繼而根據(jù)公式，得出直流偏磁下變壓器繞組的電磁力增大，繞組振動(dòng)加劇。

4、抑制直流偏磁的措施：

4.1中性點(diǎn)串聯(lián)電阻法：

該方法概念明確，其優(yōu)點(diǎn)是工程上容易實(shí)現(xiàn)而且價(jià)格便宜，性能相對(duì)來(lái)說(shuō)較為穩(wěn)定，操作實(shí)施簡(jiǎn)單。但是，由于串聯(lián)電阻的原因，不可避免的會(huì)導(dǎo)致功率損耗增加；此外，如果串聯(lián)的阻值選的過(guò)小，則會(huì)使得直流電流不能完全得到抑制，難以達(dá)到抑制的目的。但如果串聯(lián)的電阻過(guò)大，線路的零序電流保護(hù)的范圍將被縮小，其閾值設(shè)定又需要重新設(shè)定。

4.2中性點(diǎn)串聯(lián)電容法：

這種方法是利用電容器對(duì)于直流電流的隔離作用，在變壓器中性點(diǎn)串聯(lián)接入以電容，用以隔斷大地與系統(tǒng)間的直流電流。但是，中性點(diǎn)串聯(lián)電容的方法對(duì)于容易引起過(guò)電壓，從而容易使得保護(hù)裝置誤動(dòng)作。因此，工程上常常配置并聯(lián)的開(kāi)關(guān)來(lái)保證其可靠性。另外，考慮到對(duì)變壓器的保護(hù)，常常會(huì)設(shè)置電流旁路，將其對(duì)繼電保護(hù)裝置的影響降到最低。

總結(jié)

筆者首先從變壓器本身的勵(lì)磁特性以及運(yùn)行特點(diǎn)對(duì)變壓器直流偏磁形成原因進(jìn)行了細(xì)致的分析，接著又論述了高壓直流輸電系統(tǒng)入地電流導(dǎo)致的直流偏磁形成原因。最后，筆者結(jié)合現(xiàn)有的研究成果，從損耗、繞組振動(dòng)、以及繼電保護(hù)這三個(gè)方面對(duì)變壓器直流偏磁帶來(lái)的危害進(jìn)行了綜述。

參考文獻(xiàn)：

[1]薛向黨，郭暉， 鄭云翔， 等. 地磁感應(yīng)電流對(duì)電力變壓器危害的研究[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)， 1999，11（2）： 13-19.

[2]鄭濤 ，陳佩璐，劉連光，等 .計(jì)及直流偏磁的電流互感器傳變特性對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響 [J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012 ， 36（20）：89-93.

[3]李貞，李慶民，李長(zhǎng)云，等. J-A 磁化建模理論的質(zhì)疑與修正方法研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（3）： 124-131.

[4]李曉萍，文習(xí)山，陳慈萱 . 單相變壓器直流偏磁勵(lì)磁電流仿真分析[ J ] . 高電壓技術(shù)，2005，31（9）：8-10

作者簡(jiǎn)介：

王善磊 （1996-） 性別：男民族：漢籍貫：江蘇連云港學(xué)歷：本科在讀研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化