直流偏磁对变压器保护的影响及直流偏磁保护改进

张晓宇，郑 超，莫品豪，顾乔根，孙仲民

（1. 南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市211102；2. 南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），江苏省南京市211106）

0 引言

随着高压直流工程的大规模建设，直流系统的单极大地运行及控制系统异常导致直流电流注入换流变压器及周边变压器，进而引起变压器直流偏磁的工况时有发生。直流偏磁并非换流变压器特有的现象，柔性直流输电的联络变压器以及普通变压器在有直流注入时均可能发生直流偏磁，因此对直流偏磁的研究具有广泛意义［1-4］。文献［5-8］介绍了直流偏磁相关的抑制措施，文献［9-10］探讨了直流偏磁下的互感器传变特性，文献［11-15］研究了直流偏磁对保护的影响，但主要集中在系统故障计算、线路保护及一些通用分析。目前，缺少直流偏磁与其他磁饱和的差异对比，直流偏磁对变压器各类保护的影响，特别是加装偏磁抑制装置后对变压器保护的影响分析。同时，数据分析以仿真为主，欠缺现场实际的直流偏磁波形和数据。现有的变压器偏磁保护在实际应用中存在一些问题，保护不正确动作偶有发生。文献［16-17］对偏磁保护做了简单介绍，并提出了部分问题，但未给出明确解决方案。另外，目前也未见对直流偏磁保护定量化的对比分析计算。

本文从直流偏磁的产生机理出发，结合现场实际数据详细分析了变压器发生直流偏磁后的波形特征以及加装偏磁抑制装置后对变压器保护装置的影响，同时指出特殊工况下现有变压器偏磁保护的不足并提出优化方案，最后结合仿真波形对判据有效性进行了验证。

1 直流偏磁特征及对变压器保护的影响

1.1 直流偏磁波形特征

直流偏磁产生的主要原因是流入变压器的直流电流导致变压器铁芯持续处于饱和状态。直流偏磁与常见的励磁涌流及过激磁现象产生的原因、影响、波形特征等均有不同。直流偏磁时，磁链表达式如下［13］：

式中：ψm为交流励磁磁链幅值；ψdc为直流偏磁磁链。

变压器的励磁电流以磁化曲线为基准与磁链非线性相关，对于直流偏磁情况，还需在其上叠加稳定的直流偏磁电流。结合相关基础知识及现场经验数据，对几种磁饱和进行对比［13］，结果见附录A 表A1。

下面对直流偏磁的波形特征进行理论分析。首先假设直流偏磁为正向数值，在直流偏磁时磁饱和产生的单相励磁电流随时间变化的表达式为Im(t)（假设0 时刻，励磁电压正向过0）。为方便分析，忽略额定励磁电流和磁滞效应的影响，可以近似认为在本相电压正向过0 点附近一定角度（具体范围与直流偏磁严重程度有关，直流偏磁越严重，该角度数值越大，如计及磁滞效应及励磁回路的电阻，还会有一定偏移）Im(t)存在一定数值，而其他角度上数值较小，近似为0。其表达式如下：

式中：f (ωt)为磁饱和时励磁电流函数，仅在-α～α时有较大数值，以20 ms 为周期，结合现场数据归纳总结，α 一般取30°左右。

忽略变压器未饱和时的励磁电流，并假设励磁曲线在饱和区域呈线性，根据式（1），f (ωt)的表达式近似如下：

式中：ψsat为励磁曲线的拐点；ksat为励磁曲线饱和段的斜率。

由于直流偏磁时三相电流波形特征基本相近，为排除负荷电流的干扰，直流偏磁通常以中性点电流作为研究对象。理想情况下，三相负荷电流平衡，中性点零序电流为三相叠加，外部直流电流为Idc，中性点电流Ig的近似表达式为：

可以看出，由于变压器三相依次进入磁饱和，因此理想情况下的中性点零序电流波形应持续偏于时间轴一侧，含有比较大的直流分量和3 次谐波。图1为实际现场一次较为严重的直流偏磁，Yy 接线变压器发生直流偏磁后中性点的电流波形。可以看出，其波形特征与理论分析基本一致。

图1 Yy 型变压器直流偏磁时中性点电流波形Fig.1 Neutral point current waveform of Yy type transformer with DC magnetic bias

对于常见的Yd 接线变压器，由于d 侧存在零序通路，可以流过较大的以3 次谐波为主的零序电流，而此零序电流有去磁作用，反过来会影响变压器的饱和特性及励磁电流波形，因此Yd 变压器的中性点电流与Yy 变压器存在一定差异。其3 次谐波含量同Y 侧比有一定降低，但整体含量上仍然较高。根据各次谐波含量的差异，呈现不同的电流特征。图2 为现场同一时刻Yd 接线变压器中性点电流以及三角环内电流波形。

图2 Yd 型变压器直流偏磁时电流波形Fig.2 Current waveforms of Yd type transformer with DC magnetic bias

上述数据中，变压器容量为953 MVA，变压器一次额定电流为1 050 A，中性点电流互感器（TA）变比为100/1，三角环内TA 变比为3 000/1。数据整理结果见表1。

表1 直流偏磁时中性点电流Table 1 Neutral point current with DC magnetic bias

1.2 直流偏磁对变压器保护影响

根据直流偏磁产生原因不同，以及直流系统容量、接地点分布和各接地点阻抗差异等不同，发生直流偏磁时变压器中性点流过的直流电流也会有所不同，根据现有数据统计，其数值基本在100 A 以内，且多数情况下直流电流在30 A 以下［4］。

对于变压器差动保护，当发生直流偏磁时，变压器励磁电流中会存在一定的直流分量，且变压器周期性地进入饱和状态，从而产生一定谐波。但变压器通常不会进入较为深度的饱和，励磁电流的幅值与额定电流相比，通常数值较小。以上述现场实际发生的直流偏磁工况为例，直流偏磁时，Yy 接线变压器最大差流基波值约为0.06Ie（Ie为变压器额定电流），峰值为0.27Ie，谐波含量较高。而受三角环电流去磁的影响，Yd 接线变压器差流仅为0.016Ie，峰值为0.07Ie。此数值低于变压器保护差动启动值。但同时从现场数据可以看出，发生直流偏磁时差流中有一定谐波分量。单纯的直流偏磁通常不会超过差动保护启动值导致差动保护误动，如极端情况，直流偏磁非常严重且差动保护启动值较低，此时保护可能会报差流越限或者长期启动，但因为差流中谐波含量高，比率差动不会误动。直流偏磁发生后，如恰巧变压器区内发生非常轻微的故障，受故障电流影响，变压器磁饱和特性会弱化，但可能差流中仍存在一定谐波分量，此时保护动作速度有可能会受到一定影响。严重故障由于故障电流大，保护仍可快速动作。

此外，中性点的一次电流一般不大，直流偏磁时相电流的变化也有限。因此，对中性点零序过流，相过流等后备保护基本无影响。

除了对保护元件的直接影响外，直流偏磁可能还会对TA 的测量产生影响。正常的交流TA 无法传变直流电流，因此系统中的直流电流均会流入TA 的励磁回路，导致TA 的工作点升高。此直流不会影响正常负荷采样，但如果TA 变比过小且暂态特性不好，区内外故障时如故障非周期分量与直流偏磁方向一致，TA 饱和可能提前发生，饱和程度可能会有所加深，相当于同等条件下饱和更加严重，此时保护的暂态可靠性可能会有所下降［9-10］。

1.3 加装偏磁抑制装置后对变压器保护的影响

目前，抑制直流偏磁的主要方法大致可分为反向直流注入、中性点串联电容及中性点串联电阻3 种。其中反向直流注入法因为实现复杂、成本过高，现场推广的并不多。本文重点描述分析后两者。

串联电容的直流偏磁抑制装置，其原理是通过开关控制决定是否将电容投入，正常运行时退出，检测到直流偏磁后投入，大电流故障后也退出。该装置优点是隔离直流比较彻底，现场使用较多。但装置造价较高，实现难度也较大，可能导致一处电流被隔断，其他处的电流却显著升高的偏磁转移现象［5］。电容型直流偏磁抑制装置示意图如图3 所示。

图3 直流偏磁抑制装置示意图Fig.3 Schematic diagram of DC magnetic bias suppression device

串联电阻型直流偏磁抑制装置，其实现方法是在变压器中性点串入电阻，相对价格低廉，易于实现，装置简单可靠。其缺点是无法完全抵消直流从中性点流入［6］。关于直流偏磁抑制装置的性能及优化，文献［5-8］已经有较为完整的论述，本文主要探讨其对主变压器保护的影响。

由于系统参数、偏磁抑制设备参数和现场整定原则的不同，使用偏磁抑制装置后对保护的影响会略有差异。本文仅做定性分析。

加装偏磁抑制装置，本质上是在变压器中性点串联电阻或电容，改变其零序阻抗。串联电容后零序电抗变小，零序阻抗整体变小；串联电阻后零序电阻变大，整体零序阻抗变大。2 种方式均会导致零序阻抗角轻微变小。除零序阻抗变化外，电容型装置并非永久性投入，其投退过程对保护行为的影响也需关注。

对于电阻型偏磁抑制装置，串入电阻后会改变电力系统的零序网络，对于变压器自身而言，零序阻抗有轻微上升，短路电流有所下降［6］。该变化通常不大，不会导致装置的误动或拒动，但轻微故障下（如高阻接地）差动保护的灵敏度会略有下降。此外，对于过流保护、接地阻抗保护、零序过流保护等，由于其整定通常有足够的灵敏度裕度，现场实际影响也很小。

对于电容型偏磁抑制装置，当系统中产生直流偏磁并达到偏磁抑制装置的投入阈值，偏磁抑制装置的电容器会串入变压器中性点，直流偏磁消失后装置退出。其投退可能存在一定暂态过程。理论上，由于直流偏磁电流不会太大，其暂态过程对相关保护也基本无影响。设备投入后系统基本无零序电流，仍然对保护功能无影响。

比较特殊的是设备投入过程中系统若发生故障，此时偏磁抑制装置可能迅速退出。对于差动保护，区外故障过程中电容投退不会额外产生差流，保护不会误动。对于轻微接地故障，电容退出可能造成故障电流的暂态畸变及数值降低，极端情况下保护动作会有一定延时。对于严重区内故障，故障电流大，基本无影响。对于过流保护、零序过流保护、阻抗保护等后备保护情况类似，偏磁抑制装置退出后，故障电流与系统常规故障特征一致，保护灵敏度不受影响。

2 现有直流偏磁保护及存在的不足

前文提过直流偏磁会对变压器产生一定损坏。除了从根源上对其限制外，考虑不具备安装偏磁抑制装置的变压器，以及考虑偏磁抑制设备异常或控制失败的情况，还需针对直流偏磁配置相应的保护。

2.1 直流偏磁保护原理

直流偏磁保护又称饱和保护，目前在换流变压器上大规模应用。由于常规TA 不能直接测量直流电流，目前常规的直流偏磁保护是测量变压器中性点电流，计算其电流峰值。变压器厂家会提供中性点电流峰值同直流电流的对应表，同时还会给出不同直流电流下变压器的可持续运行时间（电流和时间定值与变压器本体制造特性相关，通常以厂家给定的定值为准）。保护对单位时间内的直流偏磁量进行反时限累计，当结果超过预期数值时跳闸或告警提示［17］。

文献［17］中给出了详细计算方法，本文不再具体论述。其计算方法使用中性点电流的峰值，但系统在其他状态如空充励磁涌流、区内外接地故障、挡位不一致和故障切换后的TA 暂态拖尾等均会在中性点产生一定的零序电流，现场直流偏磁保护应用受限，误动时有发生。

2.2 空充励磁涌流对直流偏磁保护的影响

通过1.1 节的对比分析可知，变压器在空载合闸时也会出现暂态饱和，由于励磁涌流可能数值较大，导致中性点出现较大峰值的电流。但此电流并非直流偏磁引起，单纯的空载合闸也不会损坏变压器。如不进行额外处理，直流偏磁保护有误动风险。除空充励磁涌流外，现场还存在和应涌流和恢复性涌流，此二者虽然通常数值较低，但也会对直流偏磁的判别带来一定不利影响。

2.3 零序通路对直流偏磁的影响

常规变压器通常带有三角形接线绕组或者带平衡绕组，由于三角环的存在，变压器始终存在零序通路，当接地侧发生区内外故障时，通常中性点会有较大的电流，此电流峰值高，也会造成使用峰值算法的直流偏磁保护误动作。

当前实际工程中为了避免此类误动，通常带三角环的变压器不配置直流偏磁保护，这样虽然保证了可靠性，但直流偏磁工况下无对应保护，极端情况下可能对设备的安全运行造成影响。

2.4 挡位不一致问题

当变压器三相处在不同挡位时，中性点会流过一定的零序电流，电流大小与负荷电流有关，虽然通常数值不大，但长期存在。对于使用反时限累计算法的直流偏磁保护会造成一定影响，现场曾发生过挡位问题导致直流偏磁保护误动的事故。

2.5 故障切除后TA 拖尾电流的影响

对于普通的P 级TA 故障切除后电流很快消失，而对于TPY 型TA，大的故障电流切除后，一次系统虽然电流很小，但TA 中仍然可能存在较大的拖尾电流。拖尾电流通常偏于时间轴一侧，当直流偏磁保护定值整定较低时，可能无法躲过该拖尾电流，造成误累计。

3 直流偏磁保护优化

3.1 励磁涌流识别及闭锁

当前变压器励磁涌流判别方法已经比较完善，虽然各种算法针对励磁涌流的识别都有较好的效果，但由于直流偏磁的特征在一定程度上与励磁涌流相近，如二次谐波含量高、波形不对称、有间断角等，现有励磁涌流判据如直接使用，可能造成误判。因此，针对直流偏磁保护，需要考虑定制励磁涌流闭锁判据。

从1.1 节分析对比中可以看出，励磁涌流与直流偏磁的主要差异是前者衰减而后者不衰减；前者数值较大而后者数值较小。因此，可设置以下2 种闭锁方式。

1）大差流闭锁，即当差流超过一定数值，闭锁直流偏磁保护。定值通常可参考比率差动启动值。

2）判断中性点电流在一定时间内出现比较明显的衰减时，闭锁直流偏磁保护。具体计算方法为：

式中：I 为中性点电流的峰值；T 为计算周期；k 为下降判别系数。

式（5）满足时判为励磁涌流，闭锁直流偏磁保护。不同电压等级、不同容量的变压器涌流衰减速度不同，一般电压等级越高、容量越大的变压器，励磁涌流衰减越慢，因此对于大容量变压器建议k 取较小值。根据工程经验，k 的取值范围为0.01～0.05，对于常规大容量变压器推荐k 取0.02。

3.2 低3 次谐波闭锁判据

从表1 可以看出，直流偏磁时中性点会有含量非常高的3 次谐波，因此可以通过识别3 次谐波的含量来判别直流偏磁。设定一个3 次谐波的含量定值，当实际数值小于该定值时，闭锁直流偏磁保护。从实际数据可以看出此定值可以设定得较高，比如取50%～100%左右，既可以保证直流偏磁时可靠动作，又能有效防止各种异常工况时保护误动作。

3.3 挡位异常闭锁

对于挡位异常，可通过控制系统输出相应的挡位异常或者挡位不一致的接点，保护收到此开关量输入后闭锁直流偏磁保护。

3.4 TA 拖尾闭锁

TA 拖尾现象通常对失灵保护的快速返回也有一定影响，现在已经有比较成熟的判别方法，结合直流偏磁的特定应用，本文定性地提出几种判别方式供参考。

1）判别电流瞬时值的斜率，如果长时间存在较小的斜率则闭锁直流偏磁保护。

2）先通过一阶差分等算法滤除电流中的直流分量，计算滤波后电流的最大峰值，如此时峰值较小，则闭锁直流偏磁保护。由于不同滤波算法对真正的直流偏磁电流影响不同，需结合算法设定滤波后的电流判据门槛。

3）分别计算出电流的直流分量和交流分量（包括基波和低次谐波的均方根有效值，至少计算到3次谐波）及二者比例，当直流分量远大于交流分量时闭锁直流偏磁保护。

3.5 零序差流算法

直流偏磁可以体现为装置磁平衡差动的差流。本文2.3 节所提出的工况不会引起差流，因此可以选择变压器差流进行判别。同时为了减小挡位和负荷电流的影响，可以选择零序差流替代中性点零序电流进行判别。

这里需要特殊说明的是，对于有三角形接线的磁平衡差动，必须在三角环内安装TA，否则三角环内的零序环流无法采集，在区外故障时仍然会出现零序差流，无法达到改善的目的。

3.6 霍尔效应原理TA 判据

上述方法均是基于现有常规测量措施提出的改进。实际应用还可以在变压器中性点安装基于霍尔效应原理的TA，该类型TA 可以测量一次系统中的直流分量。此外，光学原理的互感器也可使用，但因为成本高，实施难度大，通常不建议现场推广。而交流数字化变电站中常见的使用空心线圈的电子式互感器因为本质上还是基于电磁感应定律，并不适用于此种场合。

使用霍尔原理的TA 可以直接测量直流分量，不受交流分量的影响，同时无须按3.1 节中介绍的方法进行二次映射。定值整定原则和方法会有所变化。

3.7 配制抑制装置后直流偏磁保护的处理方式

本文1.3 节中介绍了通过安装直流抑制装置来降低一次系统中直流电流的方法。由于一次系统直流电流被消减，直流偏磁保护此时不再是必要配置，但仍然要考虑一些特殊情况，比如直流抑制装置异常导致无法投入。此时可考虑保护装置接入直流抑制装置的输出信号，当抑制装置正常工作时，直流偏磁保护改为报警信号，不直接驱动跳闸。而抑制装置出现异常，或未投入运行时，直流偏磁保护仍然考虑原有动作逻辑，可直接跳开关。

3.8 闭锁判据生效时的处理方式

2.1 节中提到了直流偏磁保护使用的是反时限累计算法，也就是是否动作除了与当前数据有关外还与历史数据有关。因此3.1 节至3.4 节中所提到的判据不能只闭锁出口，否则保护计算数据会持续累计，一旦闭锁判据返回后仍然会立即跳闸。实际使用时可以选择闭锁判据满足条件后将累计清零，或者停止累计，当闭锁判据返回后重新在原有数据基础上累计。

停止累计可以保留之前的结果，当直流偏磁中发生故障等情况下不会丢失历史累计数据。但异常闭锁判别需要时间，在起作用之前可能有一小段时间误累计；清零算法则刚好相反。两种处理方式各有优缺点，可根据实际需要选择。

4 仿真验证

对于以上优化判据，结合3.2 节至3.4 节、3.6节、3.7 节的分析和现场波形特征可以很好理解，不再进行仿真验证。对于3.1 节、3.5 节所提判据，本文选取几种场景进行仿真验证。

按现场实际Yd 接线两圈变压器参数进行建模。变压器容量为1 761 MVA，变比为1 050 kV/228 kV。直流偏磁定值单（变压器厂家实际提供）如表2 所示。

表2 直流偏磁保护定值Table 2 Setting values of DC magnetic bias protection

4.1 变压器空充验证

对应判据3.1 节的第2 种方法，取T=60 ms，k=0.02，满足条件后直流偏磁保护停止累计。空充时中性点电流及直流偏磁累计情况如附录B 图B1、图B2 所示。变压器耐受直流偏磁的特性为反时限，本文结合保护定值，使用标幺化对其进行计算，当累计达到100%时保护动作。图B2 中黑色曲线为改进前直流偏磁累计结果，红色曲线为改进后直流偏磁累计结果。

由图B1 可见，空充时中性点电流峰值超过了直流偏磁保护最高的一段，并且衰减时间较长。从图B2 数据对比可以看出，使用3.1 节判据后可以大大降低空充时直流偏磁的累计数值。

4.2 三角形接线的变压器区外故障验证

仿真变压器区外金属性单相接地故障，故障持续时间为200 ms，附录B 图B3、图B4 分别为中性点电流和零序差流仿真波形，附录B 图B5 为对应3.5节判据的结果对比。

从数据可以看出，零序差流与中性点电流相比，数值大大降低。使用3.5 节判据后，区外故障直流偏磁累计量大幅减少。对于保护延时定值短、区外故障电流大、故障持续时间长的情况，效果会更加明显。

5 结语

本文从直流偏磁的磁通特性出发，对变压器的几种磁饱和特征进行了对比分析，得出直流偏磁时电流的波形特征及其对保护的影响。对加装偏磁抑制装置后对保护的影响进行了分析，指出了现有直流偏磁保护判据的不足。进一步提出空充闭锁判据、低谐波闭锁判据、挡位闭锁判据、TA 拖尾闭锁判据和零序差流算法等一系列的优化措施，有效提高了直流偏磁保护的可靠性，解决了带三角形回路变压器无法配置直流偏磁保护的实际问题，扩大了直流偏磁保护的应用范围。通过仿真手段对判据的有效性进行了验证。部分基于此优化判据的换流变压器保护已经在现场使用，应用效果良好。

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），扫英文摘要后二维码可以阅读网络全文。