直流偏磁對變壓器的影響及治理措施

占繼宏　邵崇軍

[摘 ? ?要]直流偏磁是變壓器運行的一種不健康狀況，在基礎上分析了直流輸電單級大地運行導致的直流偏磁機理。直流偏磁的出現(xiàn)會造成變壓器的機械疲勞和絕緣損傷，且諧波對保護裝置運行安全性產(chǎn)生了一定影響。本文介紹了磁暴災害和直流輸電單極大地運行情況下，變壓器的直流偏磁機理。并重點分析了變壓器直流偏磁下的次生災害效應對變壓器設備產(chǎn)生的不利影響，主要體現(xiàn)在變壓器本體振動噪聲增大、損耗溫升增加造成的損傷，直流偏磁諧波對保護和無功補償設備造成的誤動和諧波放大影響，并從規(guī)劃運行角度提出了預防和治理措施。

[關鍵詞]變壓器;直流偏磁;溫升;振動噪聲;諧波;磁暴災害

[中圖分類號]TM76 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）05–0–03

Influence of DC Deviation on Transformer and Its Control Measures

Zhan Ji-hong， Shao Chong-jun

[Abstract]DC bias is an unhealthy condition of transformer operation.On the basis of this， the mechanism of DC bias caused by single stage earth operation of DC transmission is analyzed.The appearance of DC bias will cause mechanical fatigue and insulation damage of transformers， and harmonics will have a certain impact on the safety of protective devices.In this paper， the mechanism of DC bias of transformer under the condition of magnetic storm disaster and single pole operation of DC transmission is introduced.The adverse effect of secondary disaster on transformer equipment under DC bias is analyzed， which is mainly reflected in the damage caused by the increase of vibration noise and loss temperature rise of transformer body， the influence of DC bias harmonic on misoperation and harmonic amplification caused by protection and reactive power compensation equipment， and the prevention and treatment measures are put forward from the point of view of planning and operation.

[Keywords]transformer; DC bias; temperature rise; vibration noise; harmonic; magnetic storm disaster

由于我國能源分布處于“源荷割離”的現(xiàn)狀，高壓直流輸電因其固有特點已廣泛投入運行。因而變壓器直流偏磁現(xiàn)象愈發(fā)增多，導致一系列的危害威脅電網(wǎng)及主要設備的安全運行。直流偏磁導致變壓器漏磁通增加，結構件損耗增大，壽命降低，同時變壓器勵磁電流突變，振動明顯增強，從而導致噪聲增大的故障，無功損耗增大，電網(wǎng)中的繼電保護可能會錯誤動作，不能保證電網(wǎng)的安全。通常情況下，變壓器直流偏磁產(chǎn)生的原因可以歸結為以下三種。第一是臨近效應，也就是直流輸電單極大地運行、直流和交流輸電線相鄰的情況。第二是變壓器設備的內(nèi)部原因，比如出現(xiàn)了換流閥逆變角不平衡。最后是外部環(huán)境的天氣變化，這里對變壓器直流偏磁產(chǎn)生影響的是磁暴災害，變壓器直流偏磁的本質是繞組中竄入直流電流，導致運行點發(fā)生偏移。

1 ?直流輸電造成變壓器直流偏磁的機理

當磁場急劇變化時，地球上會感應出電場。地面感應電場作用于地面技術系統(tǒng)，例如大型電網(wǎng)，油氣管道，通信網(wǎng)絡和交通信號燈系統(tǒng)。在導體網(wǎng)絡的情況下，在不同接地點的地面感應電位之間的電位差會產(chǎn)生感應電流，稱為地磁感應電流。高壓大型電網(wǎng)覆蓋大面積和許多接地點。GIC通過變壓器繞組，傳輸線和大地形成環(huán)路。GIC的頻率為0.01～0.0001 Hz，可以認為是相對于50 Hz工頻的準直流電。當GIC流經(jīng)變壓器繞組以產(chǎn)生偏磁磁通量并與AC磁通量疊加時，變壓器的工作點進入鐵磁飽和區(qū)域，從而導致變壓器的DC偏磁磁化。當HVDC輸電單元以大回路模式運行時，流入地面的接地電流將在極點周圍產(chǎn)生強電流場。由于土壤電阻率的變化，接地極周圍不同位置的中性點接地變壓器位于不同的地面上。電位和直流電流形成一條路徑，穿過主變壓器，地線和傳輸線的三相繞組，形成一個電阻比純土低的通道。直流電流流經(jīng)變壓器繞組，疊加在交流磁通量上的直流磁通量導致變壓器的工作點發(fā)生偏移。如圖1（b）所示，A為正常工作點，虛線為變壓器的直流偏磁工作曲線。圖1（c）是變壓器偏磁電流曲線。可以看出，疊加的磁通量的偏差使鐵心半波飽和，從而使偏磁電流成為具有不對稱的正負半波和波形失真的峰值波。傅立葉變換表明它包含很多奇數(shù)甚至偶次諧波。偏磁電流產(chǎn)生無功功率，并且偏磁電流的增加導致變壓器無功功率消耗的增加，這可能導致電壓波動。

2 ?直流偏磁對變壓器本體的影響

直流磁通的疊加導致變壓器鐵心的半波飽和，從而導致磁導率顯著降低。大量的漏磁通通過諸如變壓器油，油箱壁，鐵心拉板或夾具之類的附件形成回路，從而導致結構零件的渦流損耗大幅度增加，從而導致更大的溫度上升。損耗的增加和溫升的增加對變壓器造成了極大的損害，這不僅降低了變壓器的效率，而且還加速了變壓器油紙絕緣的老化，大大縮短了使用壽命[1]。變壓器的正常工作負載通常較高，而熱裕度較小。難以抵抗由直流偏磁引起的過熱，并且反復出現(xiàn)的絕緣損壞的累積最終將導致絕緣燒壞。如果變壓器受到深度和長期偏磁的影響，則變壓器可能會立即損壞。變壓器直流偏磁的過熱通常會導致機油中氣體含量的急劇增加，這可能會嚴重導致氣體保護裝置跳閘。隨著直流偏磁程度的加深，內(nèi)部氣體含量急劇上升。直流偏磁引起的變壓器的振動噪聲包括磁致伸縮引起的鐵心振動噪聲，磁通泄漏引起的繞組和罐壁振動噪聲。鐵芯的半波飽和會極大地增加相同DC偏磁方向的半周期內(nèi)的磁通密度，從而導致硅鋼板的磁致伸縮率增加，從而導致鐵芯的振動和噪聲增加，繞組電流和漏磁通量油箱壁和拉板夾的振動也會增加變壓器的運行噪音。變壓器正常運行期間的漏磁通非常小，因此可以忽略油箱壁和張緊板夾的振動。在直流偏磁的情況下，漏磁通的大幅度增加會增加燃油箱壁和張緊板夾的振動，并且對主變壓器的振動和噪聲影響非常明顯。直流電力傳輸單元通過在直流偏磁下的振動加速度和變壓器的中性直流電流分量的測量數(shù)據(jù)來極大地工作。可以看出，主變壓器兩個測量點的振動數(shù)據(jù)曲線與中性點直流電流分量顯示出良好的一致性。直流偏磁越深，主變壓器的振動就越嚴重。

3 ?直流偏磁對保護的影響

首先是由于偏磁電流失真引起的大量奇數(shù)和偶數(shù)諧波。傳統(tǒng)的模擬繼電器保護基于基本電流，電壓和其他電氣設置，并且波形可能會失真。使相關的保護裝置發(fā)生故障或拒絕移動。數(shù)字微機保護是基于檢測到的電量的幅值的設置，由諧波引起的波形失真可能導致零序、負序，差動保護和其他激活量較小的保護誤動作。由第二個半波飽和引起的鐵芯測量阻抗的變化，距離保護部分作用下層變壓器的遠程備用保護。在線路意外過載和故障情況下，變壓器阻抗的變化可能會導致測量阻抗保護范圍的差異很大。直流偏磁伴隨有CT飽和，導致CT傳遞特性變差，由變壓器差動保護計算出的差動電流增加，從而導致差動保護發(fā)生故障。此外，變壓器差動保護采用二次諧波制動，以防止誤操作，從而避免了偏磁涌流的影響。制動率通常為15%。當變壓器被直流偏磁時，隨著偏磁的加深，偶數(shù)諧波將急劇增加。當二次諧波含量超過15%時，主變壓器差動保護將被阻止。這時，只能通過后備保護來消除主變壓器故障，從而延長了主變壓器的損壞時間，甚至諧波也影響了主變壓器的差動保護[2]。作為保護裝置中的重要設備，保護用電磁式電流互感器能否正確傳變一次電流是繼電保護裝置可靠動作的前提，也是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的保證。流經(jīng)交流電網(wǎng)的直流電流容易造成直流偏磁，使鐵心磁通大大增加，起始飽和時間大為縮短，二次電流波形發(fā)生嚴重畸變，造成保護誤動作。

4 ?直流偏磁對無功補償裝置影響

變電站中的電容器組和靜止無功補償裝置（SVC）主要向系統(tǒng)提供無功，是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要設備。對諧波來說相當于低阻抗設備，直流偏磁時勵磁電流產(chǎn)生的大量諧波電流流過電容器組和SVC，從而導致這些設備過載，并可能由此導致其過流保護裝置將其從系統(tǒng)切除。無功補償裝置的退出運行會使系統(tǒng)無功不足的情況進一步加劇，進而導致系統(tǒng)電壓波動，甚至系統(tǒng)解列等。直流偏磁下的勵磁電流諧波分布變廣，含量增加，交流系統(tǒng)電容器組則有可能與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振，在諧波源的作用下產(chǎn)生諧振過電流過電壓而損壞。目前絕大多數(shù)交流系統(tǒng)電容器組過電流保護裝置沒有諧波分析功能，在電容器組發(fā)生諧振過流的情況下不能保護電容器組。近來年，隨著直流輸電系統(tǒng)單極運行方式的次數(shù)增多，交流系統(tǒng)電容器組故障也明顯上升。在‘三廣”直流輸電系統(tǒng)發(fā)生單極大地回路運行時，廣東電網(wǎng)某變電站500 kV主變因發(fā)生4次諧波諧振而使低壓側第2、3組電容器先后5次爆炸事故。

5 ?預防措施和建議

目前，國外針對直流偏磁的研究大多通過直流偏磁的成因方面展開研究，而國內(nèi)學者對變壓器受到的影響進行研究。一些專家學者分析變壓器的結構是否對直流偏磁存在影響，分析直流輸電單極運行時的諧波特性，通過選用合理的電抗率以減弱諧波所帶來的的危害。此外，國內(nèi)外對直流偏磁抑制措施展開了大量的研究。并設計了一種旁路保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)由電容器及放電間隙構成，大大減小了直流偏磁下變壓器的勵磁電流，但電容器容抗值仍需進一步研究?？偟膩碚f，國內(nèi)外對直流偏磁的研究目前已進入了實質性階段。對直流偏磁進行抑制最有效的方法就是避免主變繞組中的直流電流進入。經(jīng)常采用的技術措施為在主變中性點加裝隔直電容、串接電阻、加裝反向直流發(fā)生器。由于電網(wǎng)運行中增加治理設備具有龐大的投資，可能會改變電網(wǎng)的結構和參數(shù)，甚至對電力系統(tǒng)的運行性能產(chǎn)生不利影響，因此增加治理設備的過程中要全面的分析和考慮，不建議大面積推廣和使用[3]。從整體規(guī)劃運行的角度來說，直流偏磁預防能夠取得良好的效果。例如在電網(wǎng)規(guī)劃階段應該充分考慮直流接地極的地電流影響，接地極的預埋深度要加深，交流變壓器的選址則要遠離直流接地極;在設備的選型階段中，要使用抗直流鐵磁材料變壓器。變壓器運行的過程中容易出現(xiàn)直流偏磁導致主變運行負荷降低的情況，應該采取預留鐵心飽和裕度等方法。

6 ?結語

由上文可知，直流偏磁對變壓器設備運行會產(chǎn)生一定程度的影響，體現(xiàn)在這幾點。（1）鐵心半波飽和導致主變本體振動噪聲增大、損耗溫升增加，造成了主體設備的機械疲勞，絕緣體嚴重受損，長時間的直流偏磁效益可能會導致變壓器直接燒毀。（2）直流偏磁會生成大量諧波，直接影響變壓器保護裝置的運行安全穩(wěn)定性，而鐵心飽和改變了距離保護測量阻抗，改變了后備保護區(qū)間范圍。而CT飽和增加了主動設備和變壓器設備的保護差流，容易出現(xiàn)保護誤動的情況。（3）直流偏磁產(chǎn)生的偶次諧波對并聯(lián)的電容器產(chǎn)生重大影響，可能會導致爆炸燒毀事故。（4）加裝直流偏磁治理設備具有龐大的投資，需要深入論證對電網(wǎng)運行的硬性，可以從規(guī)劃運行的角度開展變電站和相關設備的選擇工作，預防治理主變直流偏磁影響。直流偏磁對變電站設備的安全運行產(chǎn)生極大的威脅。（5）無功補償裝置在直流偏磁諧波作用下可能過載，跳閘退出，也有可能與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振而損壞。本文的分析結果對直流偏磁下變壓器的安全運行和維護，通過對無功補償裝置的選擇以及繼電保護裝置的整定，具有一定的參考意義，為電網(wǎng)的安全運行提供參考。

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