深圳变电站500 kV主变压器直流偏磁现象测试及抑制分析

伍国兴，陈龙，史云涛，林圣

(1.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000；2.西南交通大学，四川 成都 611756)

自2011年5月起，深圳电网辖区500 kV深圳变电站(以下简称“深圳站”)变压器陆续出现间歇性噪音的异常现象，该噪音出现的时间间隔及持续时长并无明显特征，但在总体上呈现白天时段明显、夜间时段减轻的规律。由于变压器负载变化相对平缓，变压器异常噪音主要来源于其本体噪音的增大。针对此，对变压器噪音异常的原因进行排查定位，经监测发现，噪音异常现象发生于中性点接地变压器，且在变压器接地中性点存在幅值波动频繁、方向不断变化的直流电流入侵现象，变电站4号变压器中性点监测到的最大直流电流幅值可达22 A。初步分析推测，该现象为直流电流入侵变压器中性点导致的变压器直流偏磁现象。

直流偏磁是变压器处于非正常运行状态下的一种现象，其本质是磁化曲线的非线性[1]。由于直流电流入侵变压器中性点，使得变压器绕组中存在直流电流，绕组产生的直流磁通与交流磁通叠加，造成变压器工作点发生偏移，磁滞回线部分进入饱和区域，从而导致励磁电流发生畸变[2-3]，致使变压器出现直流偏磁，造成变压器噪声增大，振动加剧，温升过高以及无功损耗增加，大大缩短了变压器寿命，甚至影响继电保护正常工作[4-6]。导致变压器直流偏磁的原因主要有：①地磁暴导致的地磁感应电流[7]；②直流输电单极接地运行导致的入地电流[8]；③地铁运行导致的杂散电流[9]。地磁感应电流是由太阳风暴导致的地磁扰动所诱发，其频率为0.000 1～0.01 Hz，可视为低频准直流[10]。高压直流输电工程一般采用双极平衡运行，此时直流电流不流经大地；当换流站故障或检修时，采用双极不平衡运行或单极运行，此时直流电流从大地回流，从而导致大地中流有几百安培甚至上千安培的直流电流[11]。地铁杂散电流则是由于国内地铁运营采用直流牵引的供电制式，直流电流通过牵引变电所经接触网、车体、钢轨并流回至另一变电所，钢轨不能做到完全绝缘使得直流电流向大地中泄漏。地磁感应电流和直流电流由于变化周期较长，变化速度较为缓慢，可视为稳定直流源，而杂散电流则是幅值不断变化的直流源。

目前，对于直流偏磁的研究主要集中在地磁暴和直流接地极作用下电网发生的直流偏磁[12-14]，对杂散电流所引发的直流偏磁研究则较少[15-16]，且针对杂散电流引发直流偏磁的治理研究尚处理论阶段，少有数据支撑。

为了明确深圳站变压器异常噪音的原因，有效解决该问题，本文对深圳站500 kV变压器中性点直流电流进行监测，分析变压器中性点直流电流的特征，明确变压器直流偏磁引起的变压器噪音异常及其成因[17]，形成变压器直流偏磁抑制方案；通过对比分析抑制效果，说明在杂散电流入侵接地变压器的情况下，直流偏磁需要根据电网电气拓扑结构，基于全网角度进行综合优化治理。

1 测试分析

500 kV深圳站现有3×250 MVA的主变压器(以下简称“主变”)3台，分别为3号、4号、5号变压器；500 kV电压等级电气设备为气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)，采用3/2接线方式，共有4个完全串，1个不完全串；500 kV输电线路共4回，分别连接500 kV鹏城站及岭澳核电站，并通过3台500 kV/400 kV并联变压器与香港中电电网相连；220 kV电压等级设备为敞开式设备及高压GIS(HGIS)，采用双母线双分段接线方式，输电线路共12回；35 kV电压等级设备为无功补偿设备，其中包括40 Mvar电容器8组、45 Mvar电抗器7组。深圳站站内电气主接线如图1所示。

为明确深圳站变压器出现间歇性噪音的原因，解决变压器噪音异常的问题，2018年9月18日，工作人员在深圳电网辖区500 kV深圳站展开测试研究。测试对象为深圳站3号、4号、5号主变中性点直流电流，测试设备为直流霍尔传感器和便携式数据采集装置，直流霍尔传感器量程为DC±100 A，精度为1%，便携式数据采集装置可实现8通道自动采集、存储，采样频率为2 kHz。测试结果如图2所示。

图1 500 kV深圳站变压器主接线图Fig.1 Main wiring diagram of transformers in 500 kV Shenzhen substation

图2 深圳站3号、4号、5号主变中性点直流量24 h内幅值Fig.2 Amplitudes of neutral point DC current of three main transformers of Shenzhen substation within 24 hours

由图2可以发现深圳站主变中性点直流电流呈现以下2个特点：一是中性点直流电流方向不断改变，其幅值在00:00—05:00时段内接近0 A且比较稳定，05:00—24:00时段内在-30～30 A之间不断变化；二是中性点直流电流变化速度极快，幅值瞬时可达30 A，为励磁电流的几十倍，且短时间内信号并无明显规律。

在实际工程中，由于直流输电系统接地极距离变压器较远，且一般为恒功率输出，由直流输电系统入地电流入侵变压器产生的主变中性点直流电流变化平缓；而由于地磁感应电流变化周期较长，变化速率缓慢，当地磁感应电流入侵变压器绕组时，变压器中性点电流方向相对稳定，甚至不变[18-20]。因此，根据中性点直流电流监测数据及其特点，可初步排除直流输电入地电流及地磁感应电流的影响。同时，深圳站3号、4号、5号主变中性点出现不规则直流电流的时段与地铁运营时间一致，且根据行车运行图，地铁牵引供电系统为时变网络，因此地铁杂散电流分布频繁变化；又考虑到在地铁运营时段，列车启停较为频繁，加速度较大，导致杂散电流变化较快。由此推测该现象可能与地铁运行导致的杂散电流有关。

为了进一步明确深圳站主变直流偏磁的成因，基于Welch法对中性点直流电流进行功率谱估计分析，结果如图3所示。

图3 深圳站主变直流偏磁情况下中性点直流电流功率谱Fig.3 Powerspectrum of neutral point DC current under DC bias of main transformer in Shenzhen substation

由图3可知：中性点直流电流中直流分量最多，但其同样含有50 Hz的频率分量及谐波分量，其余频率分量的含量则很少；变压器中性点直流电流所含频率成分丰富，说明中性点直流电流的随机性较为明显，符合杂散电流随机分布的特征。而在直流输电入地电流和地磁感应电流入侵接地变压器情况下，中性点直流电流更加平稳，不会出现随机性较强的情况。

为进一步分析深圳站4号主变中性点直流电流的变化规律，确定变压器直流偏磁形成的原因，选取1周为监测周期，在2018年9月17日—9月23日(除9月18日)对4号主变中性点直流电流进行监测，结果如图4所示。

由图4可知，深圳站4号变压器中性点出现不规则直流电流的时段与地铁运营时间一致，而直流输电或地磁感应电流导致的变压器直流偏磁不会呈现此规律；这也在一定程度上排除了直流接地极及地磁暴的影响。

图4 2018年9月17日—9月23日深圳站4号主变中性点直流量幅值变化Fig.4 Amplitude variation of neutral point DC current of No.4 main transformer in Shenzhen substation from September 17 to September 23 in 2018

综合分析直流偏磁的成因并结合深圳电网的客观条件，考虑到深圳站附近并无直流接地极，且变压器出现直流偏磁的时间呈现与地铁运营时间吻合的规律，以及变压器中性点直流电流特征与杂散电流特点相一致等，可排除直流接地极以及地磁暴对变压器的影响，明确了深圳电网变压器非正常现象为杂散电流导致的直流偏磁现象。

2 直流偏磁抑制

2.1 抑制措施选择

目前针对单台变压器直流偏磁现象的治理研究已经非常成熟，比较常用的方法有中性点串联小电阻法、中性点串联电容器法、注入电流法和电位补偿法[21]。中性点串联电阻法是通过在变压器中性点串联接入小电阻的方式，使得直流回路电阻增大，电流减小[22]。中性点串联电容法是通过在变压器中性点加入电容，来阻断直流电流传播，从而减小交流电网内的直流电流，该方法目前被广泛应用。注入电流法即通过在变压器中性点接入反向电流发生装置，当系统监测到变压器中性点的直流电流时，电流发生装置产生补偿电流，抵消直流电流的传播；由于该补偿装置需要自带接地极，且不能完全补偿其直流电流，控制措施复杂，故应用较少。电位补偿法是在变压器中性点接入电位补偿装置，通过改变整个直流回路的电位，使得流入变压器的直流电流消失，但由于其安装成本较高，应用也较少。

由于杂散电流大小与地铁的运行状态有关[23]，不确定性很大，若采用中性点串联电阻的抑制方法，需要根据中性点直流电流的大小来计算调整每个串入电阻的大小，计算量很大；若采用注入电流法和电位补偿法，可以抑制杂散电流，但要求抑制装置具有更快的反应速度，成本很高；而电容隔直设备具有“隔直通交”的效果[24]，相同配置的抑制设备串联在变压器中性点即可，治理简便。因此，在深圳站变压器采用电容隔直设备进行直流偏磁抑制。

2.2 单台抑制效果分析

根据实验计划，在2018年9月25日上午09:00投入隔直装置，通过监测记录中性点直流电流的日变化曲线，监测结果及分析如图5所示。

由图5可知：变压器中性点在05:00左右开始出现直流电流，且电流幅值不断波动；当4号变压器投入隔直装置后，主变中性点直流电流迅速减小，且幅值接近0 A；结合中性点直流电流功率谱，可以发现，信号各频率成分迅速下降，各频率分量幅值均为很小。这说明深圳站隔直装置投入后能够有效抑制直流电流入侵中性点接地变压器。

图5 深圳站隔直装置投入后4号主变中性点直流电流及其功率谱Fig.5 DC current and power spectrum of neutral point after the DC blocking device of No.4 transformer in Shenzhen substation putting into operation

2.3 全网抑制效果分析

纵观与500 kV深圳站相连的变电站及交流网络，当投入电容隔直装置后，其站内变压器中性点直流电流降低，但与此同时，深圳站附近简龙220 kV变电站的变压器噪声明显增大；因此，分别对深圳站隔直装置投入前后简龙站变压器中性点的直流电流进行24 h监测，结果如图6所示。

由图6可以看出，简龙站变压器中性点直流电流在深圳站投入隔直装置前后发生了明显变化。现场分析推测，可能是投入隔直装置后中性点直流电流被抑制，从而导致更多直流电流流入附近变电站，使得变压器噪声明显增加。为研究隔直装置投入对附近变压器的影响，根据深圳站电网片区的电气拓扑结构，以深圳、简龙、水贝、东湖、清水河5个变电站变压器的中性点直流电流为研究对象，设定评价函数S为24 h之内变压器中性点直流电流数据的绝对值之和，即S=∑|X|，其中X为变压器中性点直流电流矩阵元素。分别计算隔直装置投入前后的评价函数，并进行对比，结果见表1。

图6 深圳站投入隔直装置前后简龙站中性点直流对比Fig.6 Comparison of neutral point DC current in Jianlong substation before and after the DC blocking device of Shenzhen substation putting into operation

表1 隔直装置投入前后的中性点直流数据对比Tab.1 Comparison of neutral point DC current before and after the DC blocking device putting into operation

由表1可以看出，深圳500 kV变电站变压器投入隔直装置后，其中性点直流电流明显下降，但附近220 kV简龙及水贝变电站的变压器中性点直流量明显上升，而220 kV东湖及清水河变电站的中性点直流量略有下降；由此可知，针对由杂散电流导致的500 kV变压器直流偏磁治理会对附近变电站产生影响。图7所示为深圳站隔直装置投入前后自耦变压器中性点直流电流分布情况，由图7可知：由于深圳站500 kV变压器为自耦变压器，500 kV电网与低压等级网络形成直流通路；当深圳站变压器中性点投入隔直装置后，高压网络中的直流电流可通过变压器入侵220 kV网络，导致低压等级网络变压器的直流偏磁更加严重。因此，深圳站500 kV变压器隔直装置的投入虽可有效抑制中性点的直流电流，但对直流偏磁的治理并不有效，需要全网综合考虑，优化投切策略。

图7 深圳站隔直装置投入前后自耦变压器中性点直流电流分布Fig.7 Neutral point DC current distribution of the auto-transformer before and after the DC blocking device of Shenzhen substation putting into operation

3 结束语

本文结合变压器中性点直流电流测试数据，以及引起变压器直流偏磁现象的成因，通过分析数据特征，明确杂散电流是引起深圳站变压器直流偏磁的主要原因；根据杂散电流特点，明确变压器直流偏磁的治理方法，并验证了隔直装置的投入对变压器中性点直流电流的抑制效果。由于深圳站隔直装置的投入会导致其附近变电站变压器的直流偏磁更加严重，在杂散电流入侵接地变压器情况下，500 kV自耦变压器的直流偏磁现象需要全网综合优化治理。