500kV變壓器直流偏磁產(chǎn)生原因及抑制措施

趙倞宇

摘要：在當(dāng)前直流輸電系統(tǒng)迅猛發(fā)展形勢(shì)下，輸電容量持續(xù)增長(zhǎng)，輸電距離日益增加，直流偏磁變電站500主變壓器的影響也在持續(xù)惡化。文章在闡述了500kV變壓器直流偏磁產(chǎn)生原因和機(jī)制的基礎(chǔ)上，對(duì)500kV變壓器直流偏磁潛在威脅和抑制措施進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：500kV變壓器;直流偏磁;影響;措施

1概述

電力系統(tǒng)中直流輸電系統(tǒng)以輸送容量大、距離長(zhǎng)、損耗小等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)內(nèi)得到廣泛實(shí)施。但是，當(dāng)直流輸電系統(tǒng)產(chǎn)生故障或事故時(shí)，直流輸電系統(tǒng)將會(huì)按照大地回流方式（包括單極大地回線(xiàn)方式及雙極不平衡方式）運(yùn)行，甚至?xí)懈哌_(dá)數(shù)千安的直流電流流過(guò)的可能，在直流輸電系統(tǒng)產(chǎn)生故障的交流電網(wǎng)中，就會(huì)存在直流電流從接地的中性點(diǎn)流入500kV變壓器后，繼續(xù)經(jīng)由輸電線(xiàn)路輸送向遠(yuǎn)方，給500kV變壓器本身和交流電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成惡劣影響[1]。

2 500kV變壓器直流偏磁產(chǎn)生原因解析

500kV電力變壓器的磁動(dòng)勢(shì)和磁通出現(xiàn)直流分量導(dǎo)致變壓器鐵心半周磁飽和，以及由此引起的一系列電磁效應(yīng)的現(xiàn)象稱(chēng)為“直流偏磁”。由于500kV電力變壓器的原邊等效阻抗對(duì)直流分量?jī)H表現(xiàn)出電阻性質(zhì)，而且很小。由此就導(dǎo)致了微小的直流分量就會(huì)在電力繞組中形成較大的直流激磁磁勢(shì)，并與交流磁勢(shì)一起作用于500kV電力變壓器原邊，導(dǎo)致500kV電力變壓器鐵心的工作磁化曲線(xiàn)發(fā)生明顯偏移，出現(xiàn)關(guān)于原點(diǎn)不對(duì)稱(chēng)，即變壓器偏磁現(xiàn)象。以下兩種原因可能會(huì)引起在線(xiàn)運(yùn)行的500kV電力變壓器繞組內(nèi)產(chǎn)生較大的直流原因：

2.1太陽(yáng)活動(dòng)產(chǎn)生的地磁“風(fēng)暴”

地磁場(chǎng)與太陽(yáng)等離子風(fēng)的活動(dòng)相互影響產(chǎn)生地磁“風(fēng)暴”，地球表面將由于地磁場(chǎng)的活動(dòng)產(chǎn)生電位梯度，地磁風(fēng)暴及地面電導(dǎo)率的嚴(yán)重程度決定了其大小，當(dāng)中性點(diǎn)接地的500kV電力變壓器時(shí)受到低頻、具有一定持續(xù)時(shí)間的電場(chǎng)作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生頻率在0.01～1Hz之間的地磁感應(yīng)電流（可近似看成直流）。它持續(xù)時(shí)間短，但值較大。

2.2單極運(yùn)行方式

交流與直流輸電線(xiàn)路的并行運(yùn)行和交流網(wǎng)絡(luò)中存在的不對(duì)稱(chēng)的負(fù)載。由于可以利用大地作為導(dǎo)體，省去一根導(dǎo)線(xiàn)的成本，所以直流輸電系統(tǒng)中單極運(yùn)行方式較為普遍。但是，如果換流站距離交流輸電系統(tǒng)變電站中的500kV電力變壓器不遠(yuǎn)，加之地下長(zhǎng)期有大的直流電流而在其換流站周?chē)欢▍^(qū)域中會(huì)產(chǎn)生地表電流，就會(huì)與其并行運(yùn)行的500kV電力變壓器產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致通過(guò)500kV電力交流變壓器的接地中性點(diǎn)在500kV電力交流變壓器的勵(lì)磁電流中產(chǎn)生直流分量。它持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，但值較小。

3直流偏磁對(duì)變壓器產(chǎn)生的危害

3.1500kV電力變壓器噪聲和振動(dòng)加劇

當(dāng)500kV電力變壓器發(fā)生直流偏磁時(shí)，由于變壓器磁滯伸縮，導(dǎo)致變壓器鐵心的伸縮，進(jìn)一步造成噪聲增大，其噪聲包含的諧波分量中某一分量與變壓器構(gòu)件發(fā)生共振時(shí)，噪聲將進(jìn)一步加劇，就會(huì)產(chǎn)生變壓器內(nèi)部絕緣受損和零件松動(dòng)的危險(xiǎn)，出現(xiàn)不同程度的鐵心柱彎曲、鐵心綁帶松脫等嚴(yán)重問(wèn)題。特別是當(dāng)兩臺(tái)500kV電力變壓器鐵心柱嚴(yán)重彎曲和鐵心片疊片串片時(shí)，造成繞組內(nèi)部短路，就只能返廠維修。同時(shí)從環(huán)境保護(hù)角度考慮，當(dāng)500kV電力變壓器噪音過(guò)大，會(huì)引起變電站周?chē)鐓^(qū)群眾抱怨、恐慌等惡劣社會(huì)影響。

3.2電壓波形發(fā)生畸變

500kV電力變壓器鐵心發(fā)生直流偏磁嚴(yán)重時(shí)鐵心可能工作在飽和區(qū)，導(dǎo)致變壓器漏磁通增加，進(jìn)一步造成電壓波形發(fā)生畸變。

3.3產(chǎn)生諧波，引發(fā)爆炸事故

500kV電力變壓器正負(fù)半波對(duì)稱(chēng)的周期性勵(lì)磁電流中應(yīng)該只包含奇次諧波，但是在直流偏磁的作用的下，導(dǎo)致半波深度飽和的變壓器勵(lì)磁電流中出現(xiàn)了偶次諧波分量。此時(shí)，500kV電力變壓器成了交流系統(tǒng)中的諧波源，嚴(yán)重威脅電補(bǔ)償電容器組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)由于諧波電流嚴(yán)重超標(biāo)，還有可能造成爆炸事故。

3.4500kV電力變壓器無(wú)功損耗增加

當(dāng)直流偏磁引起變壓器發(fā)生飽和現(xiàn)象，勵(lì)磁電流將會(huì)大幅增加，使500kV電力變壓器無(wú)功損耗明顯增加，它可造成電力系統(tǒng)電壓下降，嚴(yán)重時(shí)可致使整個(gè)電網(wǎng)崩潰。

3.5繼電保護(hù)系統(tǒng)故障

500kV電力變壓器直流偏磁會(huì)導(dǎo)致波形嚴(yán)重畸變，畸變率較大，會(huì)造成部分或全部繼電保護(hù)裝置不能正確實(shí)時(shí)動(dòng)作，其產(chǎn)生的3、6、9次等諧波很大程度上會(huì)造成零序電壓或零序電流啟動(dòng)的繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)。

4直流偏磁抑制措施

近年來(lái)，已經(jīng)展開(kāi)眾多圍繞超高壓直流輸電系統(tǒng)單極大地回路運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的大地電流對(duì)交流電網(wǎng)中性點(diǎn)接地變壓器的影響方面的研究，其中包括500kV電力變壓器直流偏磁研究和大地電流對(duì)交流電網(wǎng)影響計(jì)算方法以及限制變壓器中性點(diǎn)直流電流方法和工程應(yīng)用的研究。與此同時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)變壓器直流偏磁技術(shù)及方法也取得較大進(jìn)展，采用電測(cè)法原理，在不改變?cè)O(shè)備接線(xiàn)的情況下，在500kV電力變壓器中性點(diǎn)接地引出線(xiàn)處選擇信號(hào)取樣點(diǎn)，直接測(cè)量并顯示出變壓器運(yùn)行狀態(tài)下的直流電流值的大小及方向。為運(yùn)行人員掌握500kV電力變壓器直流偏磁狀況及采取相應(yīng)措施提供重要依據(jù)，能有效起到故障早期預(yù)報(bào)作用。目前抑制500kV電力變壓器直流偏磁的措施主要有以下三種：

4.1中性點(diǎn)串電容

此方法的實(shí)現(xiàn)思路是在變壓器中性點(diǎn)串入電容、火花間隙（或大功率晶閘管）和旁路開(kāi)關(guān)并聯(lián)體，實(shí)現(xiàn)阻隔大地直流回流的目的，但存在使其他中性點(diǎn)的直流電流增大的風(fēng)險(xiǎn)。我們?cè)趯?shí)際施工中也發(fā)現(xiàn)，為消除某臺(tái)變壓器的直流偏磁而不得已斷開(kāi)接地，但卻造成了其他變電站的變壓器中性點(diǎn)直流電流增大導(dǎo)致其他變壓器產(chǎn)生了直流偏磁。

4.2反方向注入電流法

在變壓器中產(chǎn)生反方向的直流電流來(lái)抵消或減弱地中直流流入變壓器產(chǎn)生的偏磁。目前技術(shù)水平下，反方向注入電流法僅僅在電流超標(biāo)的變電站中應(yīng)用，反方向注入電流法的實(shí)際效果還有待進(jìn)一步研究論證。

4.3中性點(diǎn)串接小電阻方案

通過(guò)在中性點(diǎn)和地網(wǎng)之間串入一個(gè)阻值較小的電阻使得中性點(diǎn)流入的直流電流顯著減小，達(dá)到工程實(shí)際中可以接受的程度，通過(guò)直流電流的分布實(shí)現(xiàn)減小中性點(diǎn)電流的超標(biāo)程度并達(dá)到抑制直流偏磁的目的。同時(shí)產(chǎn)生的一個(gè)問(wèn)題是，接地電阻如何選取以及本地接地電阻對(duì)其它變壓器的接地電流有何影響，此方面還有待我們進(jìn)一步討論研究。目前，以上所述三種方法都已通過(guò)工程的有效性檢驗(yàn)，但是相關(guān)裝置還繼續(xù)經(jīng)受電力系統(tǒng)運(yùn)行的考驗(yàn)，電網(wǎng)用戶(hù)通常還需要對(duì)不同方法進(jìn)行反復(fù)比較，決定取舍，選擇最為合適、合理的方法。由于直流電流或者準(zhǔn)直流電流都是在中性點(diǎn)接地變壓器，輸電線(xiàn)路和大地構(gòu)成的回路中流動(dòng)，因此，我們應(yīng)當(dāng)采取合理的手段阻止或隔絕流入500kV電力變壓器繞組中的直流電流，能夠抑制變壓器直流偏磁的影響，對(duì)保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

5結(jié)束語(yǔ)

綜合文章所述，直流偏磁對(duì)500kV電力變壓器和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重大影響。因此，在進(jìn)行主變壓器設(shè)計(jì)生產(chǎn)前，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)500kV電力變壓器周?chē)闹绷飨到y(tǒng)接地極地理位置、電氣距離等關(guān)鍵因素進(jìn)行詳細(xì)研究論證，并且對(duì)直流回路路徑上大地回流的影響進(jìn)一步加強(qiáng)研究，在500kV電力變壓器設(shè)計(jì)選取磁通時(shí)應(yīng)盡量為可能發(fā)生的偏磁影響留有余地，將直流偏磁對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的威脅程度降到最低。

參考文獻(xiàn)

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