交直流混联电网中变压器直流偏磁特性分析

袁海燕 刘 民 庄燕飞 王庆玉 张青青

（1.山东电力集团公司电力科学研究院，济南 250002；2.山东电力集团公司检修公司，济南 250021）

宁东-山东±660kV直流输电已于 2010年开始运行，预计±800kV直流线路也将落点山东，在山东省内形成多馈入交直流混联电网。银东直流输电单极大地回路运行方式导致山东省交流电网内部分变压器振动加剧，噪声增大，受影响的变压器有的在换流站直流接地极附近，有的却远离接地极。而单极大地被很多国家认为是直流输电运行方式之一，所以研究大地直流对交流系统的干扰，并在此基础上提出消减大地直流对交流设备安全影响的工程方案已经刻不容缓。

目前直流偏磁的研究已开展得较为广泛，如励磁电流的计算、变压器的饱和特性研究、直流偏磁引起变压器振动和噪声的研究、直流偏磁的解算方法以及直流偏磁的抑制等[1-6]。1993年，日本东京电力、东芝、日立和三菱公司进行了联合的试验研究[7]，他们提出芯式变压器的铁心拉板和壳式变压器铁心的支撑板分别为直流偏磁下关键的过热部位，并给出这些部件的温升与其磁场强度的关系。加拿大魁北克电力公司于1996年在735kV实际电网中进行直流偏磁的试验研究，得出芯式变压器允许直流电流的结论[8]。此外，ABB公司对500kV换流变压器允许15A的直流偏磁也给予了阐述。

本文应用 PSCAD对直流偏磁对变压器励磁电流的影响进行了仿真分析，说明直流单极大地电流与变压器直流偏磁的关联性。现场实测了±660kV直流输电线路单极运行时变压器中性点电流，并对直流偏磁引起的变压器振动、噪声等进行分析研究，在此基础上给出了限制直流偏磁的措施。

1 直流偏磁理论分析

1.1 直流偏磁原理

直流偏磁是地磁暴或直流输电单极运行使得变压器中性点电流中出现直流分量引起铁芯磁通工作点改变而产生的一种现象。当直流输电系统由双极运行状态转为单极大地回线运行方式或双极不平衡运行方式时，大地作为直流输电回路，直流输电系统的运行电流经接地极注入大地，在换流站周围一定区域内的土壤中形成一个恒定的直流电流场。在这个区域内的交流变电站间就会产生电位差。此时，恒定的直流电流场所形成的直流电流就会由一交流变压器的中性点流入，经过输电线路从另一交流变压器的中性点流出，如图1所示。

图1 直流输电对交流变压器影响示意图

变压器内有直流电流流过时，其铁心内部产生恒定的直流磁通，该直流磁通与交流磁通共同作用，形成偏磁时的总磁通。由于变压器设计时，为使主磁路内得到较大的磁通量而又不过分增大励磁磁动势，通常把铁心内的工作磁通密度选择在励磁特性曲线的膝点附近，所以即使仅有较小的直流磁通分量，与直流偏磁方向一致的半个周期，铁心的饱和程度大大增加，另半周期饱和程度削弱，励磁电流高度畸变，呈现正负半波不对称的形状，产生大量谐波。如图2所示，图中idc是中性点直流电流，ip是直流偏磁励磁电流。

图2 直流偏磁下变压器励磁电流

直流偏磁的影响主要分为两部分，一是直流偏磁对交流电网的影响，一是直流偏磁对变压器本身的影响。

直流偏磁对交流电网的影响主要表现在：使变压器产生大量谐波，引起系统电压波形畸变、滤波器过载、合空载长线时产生持续过电压、单相重合闸过程中潜供电流增加、断路器恢复电压增高等。变压器无功损耗增加，成了交流系统中的谐波源，进而导致电力系统电压暂降、电容器组过载、继电器误动作，继电保护系统故障，严重时可能导致整个电网崩溃。

直流偏磁对变压器本身的影响主要表现在：励磁电流正负半周不对称，波形发生畸变，严重的时候会形成尖顶波。变压器铁心出现半周饱和，引起绕组、铁心、绝缘油、油箱和夹件等部件的损耗增加、温升增大；同时如果长时间有直流流过，会使变压器局部过热，影响变压器运行，降低变压器的使用寿命。直流偏磁条件下变压器会出现不同程度的噪声以及振动，随着直流电流的增加，发出的噪声和产生的振动也会越来越明显，严重时会使变压器器件松动，严重影响变压器的正常运行。

1.2 仿真模型搭建

由于当直流电流流过时，变压器铁心饱和，此时变压器铁心的励磁曲线呈现非线性特点。为了准确模拟变压器励磁曲线的非线性，选取 PSCAD/EMTDC软件中自带的 UMEC变压器模型进行仿真，它能准确模拟变压器的非线性激磁特性，并依据变压器的不同结构，充分考虑变压器饱和状态下饱和磁通在相内、相间的耦合。

直流电流在变压器的一次侧中性点流入还是二次侧中性点流入对变压器的影响不同。可以将其分为耦合直流电流（直流电流在原边绕组流通对原边电流有影响）以及非耦合直流电流（直流电流在副边绕组中流通只通过直流磁通影响励磁电流）。考虑到在电网的实际运行当中，110kV及以上电压等级的变压器都采用中性点直接接地的接线方式，所以在仿真过程当中，对变压器采用一次侧星形连接，二次侧三角形连接，直流电流从一次侧中性点直接流入，具体接线图如图3所示。

图3 仿真模型架构

模型的具体参数如下：

1）变压器额定容量为 180MVA，额定电压为220/35kV，Y/△连接，三相五柱式结构，空载损耗为110kW，短路损耗为135.65kW。

2）电源容量为200MVA，电源内阻不为零，为纯电阻形式，设定为10Ω。

3）负荷为3相负载，设定额定负载为90MW。

1.3 励磁电流分析

当中性点分别注入 0A、5%和 10%高压侧额定电流时，分析励磁电流波形，具体波形如图4到图6所示。由波形我们可以看出，当变压器原边中性点注入直流电流为0时，励磁电流正负半波对称，波形不发生畸变，为基本的正弦波形；当注入直流电流为额定电流的5%时，励磁电流正负半周波不对称，波形发生畸变；当注入直流电流为额定电流的10%时，励磁电流正负半波不对称情况加剧，波形畸变严重。

图4 中性点注入直流电流为0时励磁电流波形

图5 中性点注入直流电流为5%额定电流时励磁电流波形

图6 中性点注入直流电流为10%额定电流时的励磁电流波形

由仿真情况我们可以得出，随着中性点注入直流电流的增加，变压器铁心开始饱和，励磁电流正负半波不对称，波形发生畸变；当注入直流电流达到高压侧额定电流的10%时，励磁电流畸变已经比较严重，并且随着注入直流电流的增加进一步加剧。

2 现场实测

对胶东换流站附近的 500kV大泽变电站进行了主变压器中性点直流电流测试、500kV母线谐波测试、主变压器本体振动和噪声测试。测试方法为 3秒平均值，95%概率最大值法。谐波测试仪器采用安徽振兴公司生产的PS-8型电能质量分析仪。主变中性点直流电流测试仪器采用FLUKE 345直流钳形电流表。主变振动测试仪器采用RION公司RIOVIBRO VM-63型振动测试仪。噪声测试采用2250-H-003型噪声分析仪。大泽站主变运行工况见表1。

表1 主变运行参数

从表1中数据看出，变压器在额定电压以内运行，属于正常运行状态。由双极运行变为单极运行时，变压器的运行电压、电流、有功功率和无功功率都增大。

2.1 主变中性点直流电流测试

胶东换流站双极运行时，2号主变中性点直流电流0.31A；单极运行时，2号主变中性点直流电流9.69A。换流站从双极运行变为单极运行时，变压器中性点电流发生了很大的变化，从稳态数值上来看，单极运行时中性点电流已经超过额定电流的5%，可能引起波形畸变，影响正常运行。

2.2 母线谐波测试

表2为大泽站500kV母线谐波电压含有率和总畸变率，由表中数据分析得出：变压器由双极运行变为单极运行时，七次以下谐波含量均增加，二次谐波A相增加了4倍，B、C相增加了10倍；三次谐波A、C相增加了近2倍，B相变化不大；四次谐波A相增加了9倍，B相增加了10倍多，C相增加了27倍多；五次谐波A、B、C相均增加了约2倍，七次谐波A、B、C相均增加了2到3倍，11、13次谐波变化不明显。所以偶次谐波增加显著，奇次谐波增加不明显。

表2 500kV母线谐波电压含有率和总畸变率/%

总的来说，二、四次谐波增加较快，五次以上谐波增加较慢，而三以及三的倍数次谐波由于变压器副边绕组采用三角形连接，所以电压中含有量较少。

2.3 主变振动测试

表3和表4分别为换流站双极运行和单极运行时大泽站的2号主变振动测试数据。换流站从双极运行变为单极运行后，从加速度看，高压侧增加了3～9倍，中压侧增加了 3～5倍，低压侧增加了 9倍多；从速度看，高压侧增加了4～6倍，中压侧增加了1.5～5倍，低压侧增加了8倍多；从位移看，高压侧和中压侧变化不明显，但低压侧位移发生了较大的变化。

表3 双极运行时主变振动测试数据

表4 单极运行时主变振动测试数据

从相别看，A相加速度增加了5倍，B相加速度增加了3倍，C相加速度增加了9倍；A相速度增加了5倍，B相速度增加了4倍，C相速度增加了6倍。

因此，换流站从双极运行变为单极运行后，加速度和速度都显著增大，说明换流站单极运行时变压器承受着巨大的冲击力，很容易造成变压器损坏。

2.4 噪声

变压器的噪声，主要来自铁心的磁致伸缩。在周期性变化的磁场作用下，硅钢片将引起振动和噪声。磁致伸缩产生的振动是非正弦波的，噪声的频谱含有多种谐波分量，且噪声随磁通密度的增大而增大。大泽站2号主变在换流站单极运行时的噪声测试值如表5所示。

表5 单极运行时主变噪声测试数据

双极运行时 A、B、C三相的平均噪声分别为66.2dB、66.5dB、66.6dB。变压器在直流偏磁时的噪声值以高压侧最高，为81dB。与双极运行时相比，单极运行时A、B、C三相的噪声分别增长了16.5%、16.6%、17.2%。

3 直流偏磁抑制措施

目前抑制直流偏磁的方法主要有电阻限流法、电容隔直法、反向电流注入法和改变系统运行方式的方法。电容隔直法是在变压器中性点装设电容器，利用电容隔直通交特性阻断直流偏磁电流的通路，原理简单、阻断直流彻底，经分析，中性点装设电容器是抑制直流偏磁的最优方法。

4 结论

1）通过对变压器中性点注入不同直流电流的仿真分析，得出：随着中性点注入直流电流的增加，变压器铁心开始饱和，励磁电流正负半波不对称，波形发生畸变；当注入直流电流达到高压侧额定电流5%的时候，励磁电流畸变已经比较严重，并且随着注入直流电流的增加进一步加剧。

2）当换流站由双极运行变为单极运行时，变压器中性点电流已经超过高压侧额定电流的5%，变压器一次侧以及二次侧谐波含量明显增加，奇次谐波以及偶次谐波含量均有增加，其中以偶次谐波增加最为显著，二次谐波最高增加值达10倍。

3）单极运行时高压侧和低压侧的振动最明显，加速度和速度都显著增大，是双极运行时的 8～9倍，说明在双极运行变为单极运行的过程中变压器承受着巨大的冲击力，很容易造成变压器损坏。

4）换流站单极运行时，变压器的噪声比双极运行时增长了大约17%。

5）直流偏磁的抑制宜采用中性点串联电容器的方法。

[1] 李慧奇,崔翔,候永亮,李琳,卢铁兵.直流偏磁下变压器励磁电流的实验研究及计算[J].华北电力大学学报,2007, 34(4): 1-6.

[2] 李晓萍,文习山,陈慈萱.单相变压器直流偏磁励磁电流仿真分析[J].高电压技术, 2005, 31(9): 8-10.

[3] 蒋跃强,李红雷,周行星,黄华。变压器直流偏磁的振动特性研究[J].华东电力, 2009, 37(1): 132-135.

[4] 谢志平,姜益民,魏本刚.大型电力变压器直流偏磁试验研究[J].变压器, 2011, 48(11): 23-26.

[5] 蒯狄正,刘成民,万达.直流偏磁对变压器影响的研究[J].江苏电机工程, 2004, 23(3): 1-5.

[6] 蒋伟,吴广宁,刘愈倬.变压器直流偏磁抑制措施的研究进展[J].四川电力技术, 2011, 34(3): 9-13.

[7] TAKASU N, OSHI T, MIYAWAKI F, et al.An experimental analysis of DC excitation of transformers by geomagnetically induced currents [J].IEEE Transactions on Power Delivery, 1994, 9(2): 1173-1182.

[8] PICHER P, BOLDUC L, DUTIL A, et al.Study of the acceptable DC current limit in core-form power transformers[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1997, 12(1): 257-265.