大地直流偏磁狀態(tài)下電力變壓器性能分析

邢軍強(qiáng) 韓剛 楊德利 楊文強(qiáng) 王雅慧 張景山 杜明競(jìng)

摘要：地磁感應(yīng)電流會(huì)引起變壓器準(zhǔn)直流偏磁而造成鐵芯飽和，對(duì)變壓器及電力系統(tǒng)產(chǎn)生電壓不穩(wěn)定、無功補(bǔ)償、電流諧波、變壓器局部溫升等多方面影響。對(duì)直流偏磁狀態(tài)下不同結(jié)構(gòu)電力變壓器進(jìn)行性能分析，以期為電力變壓器穩(wěn)定運(yùn)行提供解決方案。

關(guān)鍵詞：地磁感應(yīng)電流;變壓器;直流偏磁;性能分析

中圖分類號(hào)：TM41 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1674-1161（2020）01-0026-03

日冕物質(zhì)拋射（coronal mass ejection，CME）是指等離子體和磁場(chǎng)突然從日冕中大量噴發(fā)。如果噴發(fā)的方向朝向地球，大量的高能帶電粒子與地磁場(chǎng)作用造成地球磁暴現(xiàn)象。在變化的地球磁場(chǎng)作用下，地球表面可誘發(fā)每公里幾十伏、持續(xù)時(shí)間幾分鐘至幾小時(shí)的地表面電勢(shì)（ESP）。當(dāng)這一電勢(shì)作用于電力系統(tǒng)時(shí)，會(huì)在系統(tǒng)長(zhǎng)距離輸電線路中產(chǎn)生地磁感應(yīng)電流（GIC），其峰值可達(dá)數(shù)百安培，變化頻率遠(yuǎn)低于1 Hz，呈準(zhǔn)直流狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)GIC流入中性點(diǎn)接地的大型電力變壓器時(shí)，會(huì)造成變壓器鐵芯在工作頻率的每個(gè)半周期出現(xiàn)嚴(yán)重的磁飽和，這將對(duì)變壓器產(chǎn)生危害，進(jìn)而影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1 電力變壓器結(jié)構(gòu)及連接組對(duì)GIC分布影響

地磁感應(yīng)電流的成因是變壓器（中性點(diǎn)）、電力傳輸線和大地組成閉合導(dǎo)體環(huán)路。當(dāng)緩慢變化的磁場(chǎng)穿過這個(gè)環(huán)路時(shí)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，傳輸線上感應(yīng)出準(zhǔn)靜態(tài)的電動(dòng)勢(shì)，系統(tǒng)產(chǎn)生準(zhǔn)靜態(tài)的電壓。原理框圖如圖1所示。

1.1 變壓器結(jié)構(gòu)的影響

從變壓器的組別來看，單相變壓器對(duì)GIC最為敏感;而三相三柱電力變壓器由于其較大的零序阻抗（大的磁阻），對(duì)應(yīng)的GIC水平較低，受到GIC影響的風(fēng)險(xiǎn)最小。如圖2所示，三相三柱電力變壓器的直流磁通必須穿過上磁軛到箱蓋、箱壁，然后返回下磁軛，因此對(duì)GIC較為不敏感;而單相變壓器、三相五柱變壓器等的直流磁通路在鐵芯中，磁阻較小，因此對(duì)GIC敏感。

1.2 連接組的影響

繞組的連接對(duì)GIC也有顯著影響。帶有三角接繞組的變壓器，其等效的電抗較大，對(duì)鐵芯飽和起到延遲作用，客觀上減小了GIC電流脈沖對(duì)繞組溫升的影響。如圖3所示，由于三角接繞組的存在，高低壓處于GIC之前“平衡”狀態(tài)，其時(shí)間常數(shù)可達(dá)數(shù)分鐘。在此狀態(tài)下，變壓器尚未飽和，高低壓繞組電流平衡，不會(huì)導(dǎo)致溫升效應(yīng);而峰值GIC的時(shí)間常數(shù)往往只有幾十秒，因此保護(hù)了變壓器。

2 GIC對(duì)變壓器運(yùn)行的約束條件及限制措施

2.1 GIC對(duì)變壓器運(yùn)行的影響

GIC條件下，空載損耗和負(fù)載損耗增加不會(huì)對(duì)變壓器的運(yùn)行造成根本影響，對(duì)變壓器壽命的影響也可以忽略不計(jì)。主要問題是鐵芯夾件的損耗與局部溫升。過高的溫升可能導(dǎo)致變壓器油裂解，如果夾件附近的絕緣件不能承受局部溫升，則整個(gè)變壓器的壽命就會(huì)受到影響。由于溫升，繞組和附件時(shí)間常數(shù)相對(duì)較小，而GIC脈沖時(shí)間常數(shù)接近甚至大于其溫升時(shí)間常數(shù)，因此，即使短時(shí)GIC也會(huì)對(duì)繞組和附件溫升有較大影響。從另一方面來說，鐵芯溫升時(shí)間常數(shù)（>30 min）遠(yuǎn)大于GIC脈沖時(shí)間常數(shù)，因此整體溫升不是GIC的主要問題。此外，GIC導(dǎo)致的變壓器噪聲問題并不屬于長(zhǎng)時(shí)問題，通常只持續(xù)幾分鐘至幾小時(shí);而對(duì)于長(zhǎng)時(shí)問題，空載損耗和噪聲是變壓器運(yùn)行的重要限制。

2.2 減小GIC影響的措施

減小地磁感應(yīng)電流的影響可以從兩方面入手，一是減小地磁感應(yīng)電流本身，二是對(duì)變壓器部件進(jìn)行保護(hù)。

2.2.1 減小地磁感應(yīng)電流 串聯(lián)補(bǔ)償方案（串聯(lián)電容器）既可以提高系統(tǒng)的傳輸能力又可以有效隔離直流，是解決直流偏置問題的理想方案。但每條傳輸線都安裝串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備，費(fèi)用昂貴。更經(jīng)濟(jì)的方案是安裝變壓器中性點(diǎn)隔離裝置，隔離裝置可以是電容器或低阻值電阻（有時(shí)采用避雷器）。正常運(yùn)行條件下，只有少量的零序電流通過變壓器中性點(diǎn);GIC條件下，隔離裝置能夠承受至少200 A的長(zhǎng)時(shí)電流及幾十千安的短路電流。典型的中性點(diǎn)直流隔離裝置如圖4所示。

2.2.2 保護(hù)裝置 變壓器鐵芯飽和造成的磁化電流是諸多問題的根本原因，減小磁飽和的程度可以解決上述問題。最為直接簡(jiǎn)單的方案是選用三相三柱變壓器，其零序高磁阻能夠承受較高的GIC水平，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將油箱與鐵芯保持足夠的距離以提供較大的磁阻。繞組連接也對(duì)GIC現(xiàn)象有顯著影響，三角連接繞組可以延遲鐵芯飽和時(shí)間，極大減小峰值GIC對(duì)變壓器造成的影響。此外，增加磁屏蔽、開槽等措施也是減小磁飽和影響的重要方法，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料可以提高GIC承受水平。

3 結(jié)論

通過大地直流偏磁分析，研究不同變壓器結(jié)構(gòu)下直流偏磁磁場(chǎng)對(duì)變壓器性能的影響，根據(jù)直流偏磁下電力變壓器性能變化情況提出不同結(jié)構(gòu)變壓器的防護(hù)措施，以保障直流偏磁下電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。

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Abstract： The geomagnetic induction current will cause quasi-dc bias of the transformer and cause the saturation of the iron core， which will affect the transformer and power system in many aspects， such as voltage instability， reactive compensation， current harmonics and local temperature rise of the transformer. This paper analyzes the performance of power transformers with different structures under dc bias magnetic state in order to provide a solution for the stable operation of power transformers.

Key words： geomagnetic induction current; transformer; DC magnetic bias; performance analysis