变压器直流偏磁现象研究综述

陈英慧 商淼 高红艳

摘 要：太阳风暴引起的地磁电流和高压直流输电对变压器产生了“直流入侵”，使得变压器产生了直流偏磁现象。直流偏磁现象对变压器和电网的运行有诸多不利的影响。本文总结和归纳了直流偏磁的研究方法、研究思路和抑制措施，集中的展示了现有的研究方法，提出了研究中的不足和未来需要努力的方向，为直流偏磁的研究奠定了一定的基础。

关键词：变压器；直流偏磁；抑制；研究方法；综述

1 概述

变压器直流偏磁现象是直流输电的直流或者太阳风暴产生的地磁感应电流（GIC）通过变压器的中性点进入变压器。变压器受到直流或者准直流的“入侵”，其励磁电流在半个周期内过于饱和，而在另外半个周期内严重不饱和，出现了上下半波严重不对称的情况。近年来随着高压直流输电（HVDC）的建设，单极大地运行方式的直流输电系统会对周围的变电站的变压器造成影响，从而使得变压器的直流偏磁现象显著增多。

直流偏磁会对变压器运行造成一系列不利的影响。直流偏磁会使变压器励磁电流畸变，相关谐波增加，无功损耗增大。会造成变压器的涡流损耗增大，温度升高，造成变压器局部过热。由于直流偏磁造成变压器的漏磁通的增大，使得变压器绕组的电动力变大，进而导致变压器振动增大。振动的增大也会导致变压器噪声的增加。变压器的直流偏磁现象会导致电力系统的继电保护设备误动作，甚至会造成大面积停电事故，对电网的安全运行产生极其不利的影响。[1-3]

本文对直流偏磁现象的研究方法给出了全面的阐述，引述了直流偏磁分析的主流的分析方法，并对上述分析方法进行了说明和比较。同时，对现有的变压器直流偏磁现象抑制方法给出了较为完整的介绍和归类，对今后直流偏磁现象的研究具有一定的指导意义，为直流偏磁现象的研究和抑制奠定了基础。

2 研究现状

直流偏磁的研究主要方向有：①变压器励磁电流及其谐波的计算；②温升、噪声、振动的计算；③直流偏磁的抑制方法和措施。

2.1 直流偏磁励磁电流及其谐波的计算

直流偏磁励磁电流及其谐波的计算的研究方法主要分为以下几类：①有限元方法；②电路-磁路耦合方法；③电路-磁场耦合方法。

2.1.1 有限元分析[4，5]：电路-磁场耦合的分析方法是以端口电压作为已知变量，以磁矢量和励磁电流同时作为待求得变量，将电路方程和磁场方程联立进行求解的一种方法。[4]文[4]使用谐波平衡有限元的方法，同时对励磁电流和变压器中的磁场进行求解。谐波平衡有限元法，计算精度较高，但原理复杂，占用资源较多。文[5]基于棱边有限元的方法计算了变压器内部的磁场分布，并计算了直流电流从变压器不同侧注入的励磁电流。

2.1.2 电路-磁路耦合分析，该方法是将变压器等效成相对应的电路和磁路模型，通过联立电路磁路方程，求解变压器的励磁电流，进而分析励磁电流中的谐波成分。这种方法相对于磁场的研究方法更为简单，但是受限于B-H曲线的拟合，对于励磁电流的计算有一些误差。文[6]在电路-磁路耦合分析方法的基础上改进了磁路中的磁阻，考虑了涡流效应，同时也建立了气隙的磁路模型。文[7]考虑了变压器漏磁场和磁滞效应，改进了电路-磁路耦合分析方法，更好地体现了变压器励磁电流的畸变。文[8]建立了三相三柱式变压器的电路磁路耦合模型，通过J-A理论拟合变压器的磁滞回线，研究了变压器的励磁电流及其谐波的特征，提高了电路-磁路耦合模型的计算精度。

2.1.3 上述电路-磁路耦合分析方法和电路-磁场耦合分析方法受制于变压器磁滞回线拟合，以及变压器磁滞回线本身极易受到的直流的影响，如何能更准确的描述磁滞回线成为了关键。文[9]使用人工鱼群和蛙跳的算法来拟合磁滞回线的参数取得了较好的效果。文[10]从能量平衡的角度出发，同时考虑了变压器的涡流损耗和其它的异常损耗建立的变压器的磁滞的动态损耗模型。该模型能够很好的反映直流偏磁下的变压器的磁滞损耗。

2.2 温升、噪声、振动的计算

变压器受直流偏磁影响，半个周期内工作在过于饱和状态，此时漏磁场比正常工作状态大很多，漏磁场在金属构件中形成涡流损耗，造成变压器局部过热。直流偏磁情况下，变压器磁滞伸缩过大，变压器漏磁场造成变压器铁心的电动力过大使得变压器温升和噪声增大。文[11]计算了不同直流偏磁情况下的漏磁场的分布和杂散损耗。文[12]通过测量不同磁通密度情况下的磁滞曲线族，应用平均磁滞曲线来研究变压器的磁致伸缩特性，并且将其应用到变压器的振动有限元的计算上。文[13]利用能量守恒的原理，分析了变压器直流偏磁情况下的磁滞变化情况和振动特性。

2.3 直流偏磁现象的抑制

变压器直流偏磁的抑制方法，主要有反向注入电流法，施加反向电压，中性点串联电阻，中性点串联电容的方法。同时，优化电网的连接方式也是抑制变压器直流偏磁现象的一种很好的方法。

文[14]通过变压器噪声的限值确定了变压器直流通过的限值，通过研究提出了两台变压器同时接地时抑制直流偏磁的一个非常有效的办法。文[15]通过补偿直流偏磁，在存在电位差的两地通过提高或者降低某地的地网电位，进而降低两地的电位差达到抑制直流偏磁的目的，并且通过实验验证了电位补偿法对于直流偏磁抑制有很好的效果。文[16]研究了复杂工况下的直流偏磁的抑制方法，通过比较不同的直流偏磁的抑制方法，提出了使用反向注入电流的方法来抵消直流偏磁的磁势，达到了很好的抑制直流偏磁的效果。文[17]通过使用电容和电阻组成直流抑制的设备，通过分析220kV下的故障电流，提出了采用降低阻容来抑制工频的交流阻抗，达到抑制直流偏磁的目的。

3 結论

变压器直流偏磁现象的研究不足：①大型变压器的直流偏磁的研究和抑制方法不足。②对变压器直流偏磁的温升、噪声、振动的理论性研究不足，还没有文献给出一个理论上研究温升、噪声、振动的方法。③行业当中缺少一个变压器耐受直流偏磁和相关试验的一个标准，缺乏相关的实验和数据，并且基于温度、振动的研究，给出一个变压器耐受直流偏磁能力的分析的相关研究很少。对注入的直流的限值、抑制的方法还未达成相关的共识。

变压器直流偏磁现象研究取得的成就：①变压器的直流偏磁现象会对变压器本身和附近的电网带来一定的危害，关于变压器的直流偏磁现象已经引起了变压器制造公司、电网等相关单位的高度重视。

②变压器直流偏磁现象的研究，研究方法集中在有限元的分析和实验的研究，变压器直流偏磁现象属于一个涡旋场的问题，同时还涉及到铁心的磁滞损耗，对于直流偏磁现象的上述的情况有越来越多的机构和单位注意到了相关的问题，并提出了相关的计算模型。

③变压器的直流偏磁现象可以通过不同的方法进行抑制，同时也可以改变电力系统的运行方式来降低直流偏磁对变压器的影响。

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基金项目：

中央高校基本科研业务费专项资金（2014MS158）。