中性点直流偏磁对变压器的影响及抑制措施

张瑞达

摘 要：直流输电系统在大地回流方式（包括单极大地回线方式及双极不平衡方式）运行或直流供电的轨道交通系统或地球磁场的变化时，均可能会引起交流电网中部分中性点接地变压器发生直流偏磁问题，从而产生谐波，引起噪声、振动、过热等问题，对变压器的正常运行造成较大的影响。文章着重分析直流偏磁对变压器的影响，并提出了具体的抑制措施。

关键词：中性点；直流偏磁；变压器；抑制措施

中图分类号：TM401+.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）27-0099-02

1 前 言

目前，高电压直流输电系统以其大容量和长距离优势，在电力行业中应用比较普遍。其中已有多回直流输电系统落点的广东地区，由于地质条件的特殊性（多为花岗岩地质，大地直流电阻较大），这些直流输电系统初期的单级系统调试和后期的非正常运行所引起的大地回线方式导致交流系统中接地变压器的直流偏磁问题越来越严重和频繁。中性点直流偏磁会引起变压器谐波、噪声、过热等问题，还会使变压器消耗的无功增加，严重时可引起变压器的损坏，并可能引起保护的误动，对变电站的安全稳定运行产生了不利影响。

为了抑制直流偏磁，广东地区的多个变电站（如500 kV深圳站）在运行的变压器中性点已经加装了电容隔直装置，对变压器直流偏磁的抑制效果明显。

2 中性点直流偏磁对变压器的影响

2.1 噪音和振动增加

变压器的噪音主要来源于铁心的磁致伸缩，磁致伸缩产生的振动是非正弦的，所以噪音的频谱含有多种谐波分量。中性点直流分量增大了变压器的励磁电流，铁心磁过度饱和，增加谐波分量和噪音，且噪音频率不稳定。如果某一频率与变压器部件发生共振，会产生噪音叠加。

直流偏磁引起的高振动对变压器本身带来的问题比噪声更加严重，可能会导致变压器内外某些部件的松动，从长期来看，对变压器的绝缘和抗短路冲击能力也会有较大损害。

2.2 产生高次谐波，出现电压波动

直流偏磁背景下，变压器工作点发生变化，处于非线性饱和区。励磁电流呈现非线性，使系统电压出现畸变，造成电压波动。如果铁心磁路饱和，励磁电流呈现尖峰波形，以确保主磁通仍然为正弦波。该种背景下，励磁电流具备基波分量im1和三次谐波分量im3，具体表示方式如下：

三相三次谐波的幅值和相位都相同，Y形接线中，三次谐波不具备流通性，且增加变压器的无功损耗，降低系统电压，使继电器误动。

2.3 损耗增加和升温

直流偏磁会增加变压器的励磁电流度，使变压器磁通过度饱和。励磁电流处于磁化曲线的饱和区域内，增加变压器的漏磁通。漏磁通流经变压器的油箱、压板和夹件等，增加涡流损耗，使金属和邮箱过热。如果铁心磁通密度增加，也会增加该损耗[1]。

2.4 影响电网稳定性

如果变压器的励磁电流滞后系统90 °，会导致无功功率损耗。通常情况下，它的损耗比较轻微。但是，如果无功功率急剧增加，就会产生大量无功损耗，并增加输电线路损耗。如果铁芯中，磁通密度处于饱和状态，会对励磁电流波形产生干扰，增加其峰值，导致继电保护装置误动作，不利于电网稳定运行。

3 中性点直流偏磁抑制措施

3.1 装设电容隔直装置

电容隔直装置电气结构原理，如图1所示。

该装置主要由隔直装置主设备（成套装置箱体、电容器、晶闸管、旁路开关、数字监控装置及交直流CT、PT）和远方监控系统构成。隔直装置的基本原理是在电容器的两端并联一个晶闸管及机械开关旁路装置，置于变压器中性点实现直流电流的抑制作用，利用与电容器并联的状态转换旁路开关实现隔直装置直接接地运行状态和电容接地运行状态的转换。当变压器中性点检测到越限的直流电流时，将状态转换开关断开；当变压器中性点直流电流消失时，延时将状态转换开关闭合。在电容接地运行状态下，当交流系统发生三相不平衡故障时，将有可能在电容器两端产生高电压。装置通过大功率晶闸管实现过电压快速旁路保护，并驱动状态转换开关闭合实现中性点金属性接地。

当交流系统发生接地故障时，电容器承受主要的短路零序电流，并同时触发闭合电容器的晶闸管和机械开关旁路，起到限压和分流的作用，从而使电容器免受长时间的大电流作用，达到保护电容器的目的及避免变压器中性点暂态过电压。在电网恢复正常后，电流旁路装置便自动复归，使电容隔直装置重新恢复隔直状态运行。

装置的控制功能分远方/就地控制、自动/手动控制、定时自动控制。远方监控计算机实现远方监控、历史数据及录波数据存储、分析等功能。远控计算机与就地数字监控装置通过光缆通讯实现数据传输。电容隔直装置具备效率和安全效益层面的双向优势，可以有效隔绝大地系统中直流电流分量对主变压器的影响，减少损耗，且对系统继电保护的影响比较有限，对主变压器的安全运行有重大作用。据统计，南方电网公司部分

500 kV变电站主变中性点自加装电容隔直装置以来，总体运行情况良好，当发生中性点直流偏磁时，隔直装置均能进行良好的精准分析，正确的做出动作。

3.2 反方向注入电流

反向直流装置电源示意图，如图2所示。

将反向直流电流注入变压器中性点，对原有偏磁电流进行抵消。在变电站外补偿接地极和变压器中性点之间注入直流电流，经过变压器绕组和电网，能够实现该电流的部分回归，使其返回补偿接地极。对直流发生装置输出直流电流的方向和大小进行有效控制，以对变压器中性点原有直流电流进行抵消。对具体的参数进行反向注入，使其对运行系统的影响参数进行抑制。它具有较高要求，且相对比较复杂[2]。

3.3 中性点串联电阻

中性点串联电阻是在变压器中性点和地之间对相应限值的电阻进行串入，它能够缩减中性点部位的电流，使其与具体的项目相符合。在许可范围内，合理改变串联电阻中直流电流的分布，以对电流超标问题进行有效控制，实现偏磁。串入电阻的过程中，也升高了变压器中性点的对地电位。虽然串联电阻值比较低，但是它的容量比较大。加之，工作人员对变压器的绝缘性能进行核算，中性点串联点能够对系统阻抗能力进行更改，进而对自动化装置进行核算和保护。

3.4 电位补偿

变压器发生直流偏磁，在中性点中对反向的直流电流进行接入，对直流偏磁的负面影响进行抵消和削弱。电位补偿法包括正电位补偿和负电位补偿。它不需要对系统参数进行更改，更不会影响继电保护和自动装置的正常运行。同时，负电位补偿过程中，能够对地网进行阴极保护。

但是它也具备相应的缺陷：正电位补偿会腐蚀地网。正电位补偿背景下，电流经过地网，很容易发生腐蚀。该种腐蚀情况持续时间比较短，对地网的影响也比较轻微。如果辅助接地极选择不科学，会使系统周边变压器直流偏磁问题加剧。电力人员在辅助接地极安装过程中，对它的位置进行合理选择，使其与系统内部其他变压器保持一定的距离，将其对变压器的干扰降到最低[3]。

4 结 语

中性点直流偏磁对变压器的运行产生了负面干扰。电力人员要采取科学合理的方法对流入变压器中性点的直流电流进行严格控制，将它对变压器的干扰降到最低。电力企业要结合具体工程背景，对接地极址进行选择，合理论证直流极地极电流对交流电力变压器的磁饱和影响，并采取具体的抑制措施，以对变压器中性点直流水平进行限制，使电力系统时刻处于良好的运行环境中，推进我国电力企业的快速发展。

参考文献：

[1] 蒋伟，吴广宁.变压器直流偏磁抑制措施的研究进展[J].四川电力技术， 2011，（03）：9-13.

[2] 邱璆，张一坤.变压器中性点串小电阻抑制直流偏磁的研究[J].华东电 力，2012，（05）：812-816.

[3] 牛勇.直流偏磁对变压器运行的影响及应对措施[J].广东科技，2014， （06）：53-54.