变压器直流偏磁的抑制方法研究

陈 炜 朱成龙

(武汉大学电气工程学院，湖北 武汉 430072)

变压器直流偏磁的抑制方法研究

陈 炜 朱成龙

(武汉大学电气工程学院，湖北 武汉 430072)

介绍了现有的变压器直流偏磁抑制方法，包括变压器中性点串小电阻法、电位补偿法、电容隔直法及直流电流反向注入法，并对其进行了技术经济比较，从而选择了电位补偿法来研制变压器直流偏磁抑制装置，最后对该装置进行了仿真研究。

直流偏磁；抑制；电位补偿法；仿真

0 引言

直流偏磁指的是在变压器运行过程中，励磁电流中含有直流的部分，而这些直流分量的存在，使得变压器铁芯呈现正负半周不对称饱和，由此引起的一系列电磁效应。当变压器在运行过程中出现直流偏磁现象时，变压器的励磁电流高度会发生严重畸变，铁芯磁通将处于过度饱和状态，持续一段时间的话，会产生一定的噪声，导致变压器本身及无功功率的损耗，更有甚者会导致局部过热，以致绝缘层遭到破坏，从而使变压器使用寿命大大降低或直接损坏。本文对现有的直流偏磁电流抑制措施进行了总结，主要包括变压器中性点串小电阻法、电位补偿法、电容隔直法及直流电流反向注入法等，并对其进行技术经济比较。

1 现有抑制方法

1.1 变压器中性点串小电阻法

当两台变压器中性点直接接地时，会通过大地构成直流回路，于是有直流电流流经中性点接地线。直流电流大小只与电阻元件以及元件间电位差有关。直流电阻包括存在于变压器各相绕组的等效直流电阻、接地网直流电阻、变压器连接线的直流电阻；同时，直流电流的大小还与两台变压器的中性点电位差有关。因为三相负荷不对称，以及三相线路等效阻抗值不对称，即使电力系统处于正常工况，系统中性点也会有不平衡电流，其数量级为几个安培，对系统的稳定安全运行没有影响；但是在发生接地故障时，中性点电流值可能会突变到数十千安。这种情况下，在中性点串入电阻可以大幅度减小故障电流的幅值，但是，电流流过电阻就会产生电压差，这会使得变压器中性点对地电位相比不串接电阻时高很多。在中性点串联电阻可以抑制直流偏置电流，降低系统谐振的几率，但是当系统发生短路故障时电阻容易被烧毁或者遭遇雷击。

1.2 电位补偿法

其原理是在变压器中性线中间串一小电阻(0.5～2.0 Ω)，通过一外部电源在该电阻上形成一直流电位，以此调节变压器中性点的直流电位来达到减小流入变压器绕组直流电流的目的，该电阻同样需要保护旁路。

1.3 电容隔直法

电容隔直法是指将变压器的中性点通过电容与大地相连，有效隔断直流电流。主变压器中性点安装电容后，在单相接地故障发生在主变压器高压侧的情况下，电流通过大型主变压器中性点时，会生成一个高幅值的暂态电压。当电容两端的电压超过一定限值时，可以通过保护动作将电容旁路掉，来限制这一暂态电压的幅值。所以系统中不需要大型电容器承受大故障电流，这样一来，节省了安装空间，降低了成本，也消除了对主变中性点绝缘的有害威胁。故障消除后，电流旁路保护自动回到正常状态，电容器又处于投入运行。保护间隙的作用是：当电容或其他设备发生故障时，若超过放电电压则保护间隙放电，保护变压器的绝缘。如果主变压器中性点电容器损坏或发生故障，则放电间隙旁路掉保护装置以及电容，相当于变压器中性点直接接地。同理，也可以通过这样的操作，实现电容器或电流旁路保护装置的维修。

1.4 反向注入法

当有侵入电流入侵变压器中性点时，可以利用可控直流源，经调压器调压后，再经硅整流至辅助接地极，通过变压器中性线，注入反向直流电流。

2 典型技术方案优缺点比较

上述4种直流偏置电流的抑制方法，按接入方式划分可以分为两类：一类是间接法，串小电阻、电位补偿以及电容隔直属于这一类。采用这类方法，必须在变压器与变电所接地电网中间串入保护设备，如旁路装置、放电间隙、整流逆变装置等。第二类是直流电流注入方法，它不改变变压器中性点接地方式。

相比其他限流方法，电位补偿法具有以下优点：首先，它可以保持变压器中性点有效接地，完全消除变压器中性点的直流电流。其次，它串入的小电阻阻值相比较小电阻限流法要小得多，因此其能量损耗也相对较小，并且对继电保护的影响及对变压器中性点电位的增大程度较小。再次，它虽然需要配置直流电流源，是有源设备，但是它不需要建立另一个辅助接地极(网)，因此不用考虑接地极释放的电流对周围环境的腐蚀作用。这一点要绝对优于反向注入直流电流法。

本文推荐采用电位补偿法，并就此做了仿真研究。

3 仿真研究

最终拟研制基于电位补偿法的直流偏磁抑制装置，如图1所示。

图1 电位补偿法示意图

3.1 双向可控直流电源技术方案

通过12脉波SCR半控整流电路将低压交流电压整流为直流，通过SCR触发角度的控制输出可变的直流电压，根据系统运行要求可灵活调节直流电位大小和极性。该方案具有电路结构和控制简单、可靠性高、容量大、成本较低的优点。

3.2 仿真系统原理图

图2所示为受到直流偏磁影响的交流系统模拟图，外加5 V直流电压，通过可调电阻输出可变直流电压，模拟直流偏磁程度，偏磁抑制装置根据检测直流电流信号，通过内置的控制算法进行跟踪补偿，并维持直流偏磁电流在规定范围内。

图2 仿真系统原理图

3.3 仿真结果

直流偏磁抑制装置的控制目标是将变压器中性线电流限制在规定范围(±3 A)内。图3所示为直流偏磁抑制仿真结果图。

图3 仿真结果

图3中mag代表的是变动的电压源(为了产生变动的电流，模拟直流偏磁量)，E1代表的是12脉动晶闸管桥式半控整流电路直压侧经过双向开关后的电压，Is代表的是直流偏磁电流量，也就是控制目标(±3 A范围内)，α代表的晶闸管触发角，晶闸管的触发角导通范围是0°～180°，触发角0°在桥式电路中指的是实际电路的自然换相角，即实际电路的30°，图中触发角从210°开始减小，随着触发角的减小，输出的直流电压不断增加，从而控制串联在变压器中性线上的0.5 Ω电阻上的电压大小。

从图中可以看出，在0.5 s时直流偏磁量控制电压源电压mag突然正向增大，模拟交流系统附近的HVDC系统发生单极运行方式，使直流偏磁电流Is突然增加。控制电路检测到Is绝对值大于3 A，将迅速根据设定控制策略调节晶闸管导通角减小，使直流电压E1迅速增大，Is减小，直到E1电位完全补偿直流偏磁量，Is处于规定的范围内为止。

4 结语

高压直流输电单极大地回路运行产生的地电流会导致变压器直流偏磁，干扰变压器的安全稳定运行。本文介绍了变压器中性点串小电阻法、电位补偿法、电容隔直法及直流电流反向注入法。经过比较，本文推荐使用电位补偿法，并对其进行仿真研究，结果证明，电位补偿法能有效抑制直流偏磁效应。

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2014-07-22

陈炜(1992—)，男，福建福州人，研究方向：电气设备的故障与检测。