直流偏磁對(duì)變電站設(shè)備的影響分析及抑制方法

1、直流偏磁對(duì)變電站設(shè)備的影響分析及抑制方法王賀新1, 李強(qiáng)2, 葉紅楓, 2山江川2, 楊凱強(qiáng)1，趙欣1，劉念1 （1.四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，成都 610065 2.中核核電運(yùn)行管理有限公司 浙江 海鹽 314300）摘要：變壓器直流偏磁是變壓器一種異常的工作狀態(tài)，是指由于某種原因?qū)е掠兄绷麟娏髑秩氲阶儔浩鞯睦@組中，在變壓器鐵心中產(chǎn)生直流磁勢(shì)或是直流磁通以及由此產(chǎn)生的一系列的電磁效應(yīng)。直流偏磁會(huì)對(duì)變電站的設(shè)備和電網(wǎng)的運(yùn)行安全造成一定的不利影響。故研究直流偏磁產(chǎn)生的原理、對(duì)變電站電氣設(shè)備的影響和抑制直流偏磁的產(chǎn)生具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：直流偏磁；變電站電氣設(shè)備；影響；抑制方法中圖分類號(hào)

2、：TM407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1001-1390（2015）00-0000-00The aAnalysis of DC bias effecting on the substation equipment and its restraining methodsWang Hexin1, Li Qiang, Ye Hongfeng2, Shan Jiangchuan2, Yang Kaiqiang1 , Zhang Xin1, LI Juan1（(1.cCollege of Electrical Engineering and Information, Sichuan Universit

3、y, chengdu, 610065, China . 2.CNNC Nuclear Operation Management Co., Ltd., Haiyan , 314300, Zhejiang, China）)Abstract: DC bias is an abnormal phenomenon which may occur in the operation of a power transformer, which means the transformer winding is invaded by DC due to some reason and the DC magneti

4、c potential or dcDC flux occurs in the transformer core and the result in a series of electromagnetic effects. DC bias may cause adverse effect foron the safety operation of the equipment of the transformer substation and power grid. Therefore, there will be the engineering application value to stud

5、y the principle of the dc bias, theits effect ofon the electrical equipment of substation and the way of inhibitingrestraining the generation of dc bias.Key words: DC bias, Ssubstation electrical equipment, Influenceeffect, restraining methods.0 引言高壓直流輸電系統(tǒng)具有穩(wěn)定性強(qiáng)、耐高壓、造價(jià)低、網(wǎng)損小及可以實(shí)現(xiàn)不同頻率的電網(wǎng)并列運(yùn)行等特點(diǎn)1 ，高壓直流

6、輸電系統(tǒng)（HVDC）的發(fā)展和建設(shè)越來越快。高壓直流輸電雖然優(yōu)點(diǎn)眾多，同時(shí)也有些不利的影響，如變壓器直流偏磁問題。變壓器直流偏磁是變壓器一種異常的工作狀態(tài)，是指由于某種原因?qū)е掠兄绷麟娏髑秩氲阶儔浩鞯睦@組中，在變壓器鐵心中產(chǎn)生直流磁勢(shì)或是直流磁通以及由此產(chǎn)生的一系列的電磁效應(yīng)。當(dāng)變壓器發(fā)生直流偏磁時(shí)，一方面會(huì)加劇鐵心飽和、總磁通和漏磁通增加、鐵心磁致伸縮振動(dòng)加劇、變壓器結(jié)構(gòu)附件溫升增大、噪聲增大等影響2；另一方面直流偏磁使勵(lì)磁電流發(fā)生畸變，產(chǎn)生大量的諧波、增加無功損耗，造成系統(tǒng)電壓波形畸變，引起繼電保護(hù)誤動(dòng)，可能會(huì)使無功補(bǔ)償裝置過載或系統(tǒng)電壓下降3，這些影響對(duì)變電站設(shè)備的安全和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行都是

7、不利的。1直流偏磁產(chǎn)生的原因1.1地磁暴引起的地磁感應(yīng)電流 由于太陽活動(dòng)引起地球地磁場(chǎng)的劇烈變化稱為地磁暴。發(fā)生地磁暴時(shí)，地磁場(chǎng)的變化將在地表誘發(fā)電位梯度，在地面電導(dǎo)率較小的地區(qū)，將產(chǎn)生0.001-1Hz之間的低頻電流，與交流系統(tǒng)的50Hz交流相比可以近似為直流，在此區(qū)域的中性點(diǎn)接地的交流變壓器會(huì)產(chǎn)生地磁感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生直流偏磁。1.2高壓直流輸電方式引起的直流偏磁特高壓直流輸電運(yùn)行方式為單極大地回線方式或雙極中性點(diǎn)接地方式不平衡時(shí)，經(jīng)過接地極流入大地的直流達(dá)上千安培，如此大的直流將在大地周圍產(chǎn)生一個(gè)恒定的直流電場(chǎng)。由于大地土壤的電阻率不盡相同，使得位于不同土壤的中性點(diǎn)接地運(yùn)行的交流變壓器的

8、同電位變?yōu)榇嬖谝欢ǖ碾娢徊?，使兩個(gè)變壓器的接地點(diǎn)之間形成直流電壓。在直流電壓作用下，變壓器的繞組、交流輸電線、大地之間形成直流通路，使變壓器產(chǎn)生直流偏磁。如圖1所示3。圖1 直流偏磁產(chǎn)生原理圖Fig.1 DC bias generated schematics2直流偏磁對(duì)變電站電氣設(shè)備的影響2.1直流偏磁對(duì)中性點(diǎn)接地變壓器的影響當(dāng)直流侵入到中性點(diǎn)接地的變壓器，變壓器產(chǎn)生直流偏磁，直流產(chǎn)生的磁通疊加在交流產(chǎn)生的磁通，讓鐵心飽和程度加深，使勵(lì)磁電流增加且波形畸變，導(dǎo)磁率下降，繞組、鐵心、油箱及其他變壓器附件的渦流損耗增加，將可能導(dǎo)致繞組局部溫升和結(jié)構(gòu)附件的溫升。損耗和溫升的增加會(huì)導(dǎo)致變壓器效率降低

9、，加快變壓器絕緣老化的速度，可能會(huì)縮短變壓器的使用壽命；而且漏磁通增大，無功損耗增加，繞組間電動(dòng)力增大，鐵心和其他附件振動(dòng)加劇，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使變壓器部件松動(dòng)；由于偏磁使諧波大量增加，將導(dǎo)致磁致伸縮加劇，噪聲增大4。2.2直流偏磁對(duì)繼保裝置的影響變壓器發(fā)生直流偏磁時(shí)，直流產(chǎn)生的磁通疊加在交流產(chǎn)生的磁通，不僅使勵(lì)磁電流波形畸變，不再是正弦波而發(fā)生正半軸畸變，負(fù)半軸不變，還使勵(lì)磁電流增大。此時(shí)出現(xiàn)大量的諧波，諧波包括奇次諧波和偶次諧波5。電力系統(tǒng)中的繼電保護(hù)裝置一般都是需要進(jìn)行基準(zhǔn)值整定的，這往往是根據(jù)基頻分量進(jìn)行。偏磁產(chǎn)生的諧波必然會(huì)對(duì)保護(hù)元件的特性（如靈敏度等）有一定的影響，保護(hù)裝置可能會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)或

10、是拒動(dòng)的情況。2.3直流偏磁對(duì)無功補(bǔ)償裝置的影響變電站中的無功補(bǔ)償裝置如電容器組、靜止補(bǔ)償器等其組成主要部件為電容，而電容容抗又和頻率成反比，所以當(dāng)直流偏磁時(shí)產(chǎn)生的諧波對(duì)電容組和靜止無功補(bǔ)償裝置來說是低阻抗設(shè)備，會(huì)有大量的勵(lì)磁電流流過使這些設(shè)備過載，可能會(huì)發(fā)生由于過載而被過保護(hù)裝置從系統(tǒng)中切除。無功補(bǔ)償裝置被強(qiáng)制從系統(tǒng)中切除后會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的無功不足，進(jìn)而會(huì)使系統(tǒng)電壓波動(dòng)，嚴(yán)重情況下會(huì)出現(xiàn)電壓崩潰，系統(tǒng)解列。2.4 直流偏磁對(duì)其他裝置的影響直流偏磁時(shí)有大量的直流電流流入大地中，使得變電站的接地網(wǎng)、金屬管道、鎧裝電纜、這些具有接地系統(tǒng)的電氣設(shè)備在直流電場(chǎng)中會(huì)加速腐蝕，因?yàn)榕c土壤的泄流能力相比較，這些

11、電氣設(shè)備能給接地極入地電流提供更好的泄流途徑。3 變壓器直流偏磁的抑制措施目前采取的主要抑制措施有在交流線路上串聯(lián)電容、變壓器中性點(diǎn)串聯(lián)小電阻接地、變壓器中性點(diǎn)串聯(lián)電容、變壓器中性點(diǎn)注入反向直流電流等6-7。3.1交流線路上串聯(lián)電容電容具有隔直流，通交流的特性，故在交流線路上串聯(lián)電容可以抑制直流的流過，從而避免偏磁的出現(xiàn)。但是這樣會(huì)增加線路的阻抗，從而繼電保護(hù)裝置的整定值需要重新計(jì)算，而且在較高的電壓等級(jí)的輸電線路上串聯(lián)電容需要的容量也要很大。另外，直流電流可以在系統(tǒng)中不同電壓等級(jí)的自耦變壓器之間通過，要想有效的抑制直流分量，就必須在與交流系統(tǒng)相連的所有出現(xiàn)上均裝設(shè)串聯(lián)電容8，這樣的工程量是非

12、常的巨大的，并且也需要大量的資金，在實(shí)際中是不可行的。3.2變壓器中性點(diǎn)串聯(lián)小電阻接地侵入中性點(diǎn)接地變壓器的直流電流的大小取決于變壓器所在地理位置的地表電位、變壓器繞組的直流電阻、變電站的接地電阻和交流輸電線路的直流電阻等 9。在變壓器中性點(diǎn)串聯(lián)小電阻使得直流電流通路的阻力比大地來比較增大較多，可以有效地抑制直流電流，原理圖見圖2。圖2 變壓器中性點(diǎn)串聯(lián)小電阻接地Fig.2 Transformer neutral series small resistor in grounding此種抑制方法投資小，結(jié)構(gòu)和安裝運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單可靠。但是此方法只能抑制部分中性點(diǎn)直流電流，靈活性較差；如果系統(tǒng)運(yùn)行方式

13、參數(shù)改變，則串聯(lián)的電阻值要重選定；而且中性點(diǎn)串入電阻改變了系統(tǒng)零序阻抗，也會(huì)影響到繼電保護(hù)的整定10。 3.3變壓器中性點(diǎn)接電容在變壓器中性點(diǎn)接電容可以有效地抑制直流偏磁。原理圖見圖3 圖3 變壓器中性點(diǎn)接電容Fig.3 Transformer neutral connected capacitor這種方法可靠性高、隔直效率高，運(yùn)行維護(hù)方便。但在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，流經(jīng)中性點(diǎn)的電流很大并產(chǎn)生幅值很高的暫態(tài)電壓。所以在電容兩端并聯(lián)電流旁路保護(hù)裝置，當(dāng)電容兩端的電壓超過臨界值時(shí)，電流旁路保護(hù)裝置將動(dòng)作降低電容兩端的暫態(tài)電壓，防止電容被擊穿損壞。在故障排除后，電容再次投入使用。同樣此方法也改變了

14、系統(tǒng)的零序阻抗，需要對(duì)繼電保護(hù)裝置重新進(jìn)行整定11。3.4變壓器中性點(diǎn)注入反向直流電流在變電站外補(bǔ)償接地極與變壓器中性點(diǎn)之間注入直流電流，使得變壓器中性點(diǎn)、接地網(wǎng)和補(bǔ)償?shù)貥O形成直流回路。直流發(fā)生裝置的輸出直流電流的方向和大小根據(jù)變壓器中性點(diǎn)中原有直流電流大小和方向，通過微機(jī)控制來抵消變壓器中性點(diǎn)中原有直流電流。原理圖見圖4圖4 變壓器中性點(diǎn)注入反向直流電流Fig.4 Transformer neutral injected into reverse DC current3.5其他抑制直流偏磁的方法直流偏磁效應(yīng)與變壓器容量、鐵心設(shè)計(jì)參數(shù)和材料性能、鐵心接縫及負(fù)載、接線方式等密切相關(guān)13。優(yōu)化變壓

15、器結(jié)構(gòu)提高變壓器抗直流偏磁能力。例如繞組式的三相變壓器的抗直流偏磁能力小于三相五柱式的變壓器抗直流偏磁能力，三相三柱式的變壓器抗直流偏磁能力最強(qiáng)。改變直流輸電運(yùn)行條件，也可以抑制直流偏磁，采用單極金屬回線方式或是雙極中性點(diǎn)接地方式運(yùn)行就不會(huì)有直流電流流進(jìn)大地，所以對(duì)交流系統(tǒng)中性點(diǎn)接地運(yùn)行的變壓器沒有影響，這是解決變壓器偏磁最理想的方法。4 結(jié)束語 一旦變壓器發(fā)生直流偏磁，將會(huì)影響交流系統(tǒng)變壓器的運(yùn)行安全，而且這種影響隨著超、特高壓直流輸電線路建設(shè)的不斷增加也變得越來越嚴(yán)重。所以抑制直流偏磁格外的重要，盡管各種抑制直流偏磁的原理不同、接線不同，但在實(shí)際情況中各種抑制方法也是有相同之處，如何選取適

16、當(dāng)?shù)姆椒▉硪种浦绷髌啪托枰Y(jié)合變電站的實(shí)際情況仔細(xì)驗(yàn)證，進(jìn)行綜合考慮，從而選取最合理的方案很好的解決直流偏磁問題，從而提高電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量。參考文獻(xiàn)1 李興源.高壓直流輸電系統(tǒng)M.北京：科學(xué)出版社，2010.2 金兆偉，李洪友. 變壓器噪聲異?，F(xiàn)象分析J.變壓器，2009, 46（12）：54-57.Jin Zhaowei, Li Hongyou. Analysis of abnormal phenomenon of transformer noiseJ. Transformer, 2009, 46（12）：54-57.3 巫權(quán)峰.變壓器直流偏磁對(duì)變電站設(shè)備的影響分析J

17、.科學(xué)與財(cái)富，2011, 7:61-61.Wu Quanfeng, Analyzes DC bias of transformer influence on substation equipmentJ.Sciences and Wealth, 2011, 7:61-61.4 Shu Lu, Yilu Liu, Jaime De La ReeHarmonics generated from a DC biased transformerJIEEE Transactions on Power Delivery，1993，8(2)：7257315 陳英慧，盧鐵兵，郭薇. 直流偏磁對(duì)電力變壓器影響的實(shí)

18、驗(yàn)與仿真計(jì)算J.電力科學(xué)與工程，2009，25（3）：10-13.Chen Yinghui, Lu Tiebing, Guo Wei. Study on the influence of DC biased power transformersJ. Power Science and Engineering, 2009, 25(3):10-13.6 蔣偉，吳廣寧，劉愈倬等. 變壓器直流偏磁抑制措施的研究進(jìn)展J.四川電力技術(shù)，2011, 34（3）：9-13.Jiang Wei , Wu Guangning , Liu Yuzhuo et al. HYPERLINK 4:3210/scu?ctx

19、_ver=Z39.88-2004&ctx_enc=info:ofi/enc:UTF-8&ctx_tim=2014-03-10T13%3A01%3A20IST&url_ver=Z39.88-2004&url_ctx_fmt=infofi/fmt:kev:mtx:ctx&rfr_id=info:sid/:primo3-Article-cqvip&rft_val_fmt=info:ofi/fmt:kev:mtx:journal&rft.genre=article&rft.atitle=變壓器直流偏磁抑制措施的研究進(jìn)展%20-%20Research%20Progress%20on%20Suppress

20、ion%20Measures%20of%20Transformer%20DC%20Bias&rft.jtitle=四川電力技術(shù)&rft.btitle=&rft.aulast=&rft.auinit=&rft.auinit1=&rft.auinitm=&rft.ausuffix=&rft.au=蔣偉&rft.aucorp=&rft.date=2011&rft.volume=34&rft.issue=03&rft.part=93071X&rft.quarter=&rft.ssn=&rft.spage=9&rft.epage=13&rft.pages=&rft.artnum=&rft.issn=10

21、03-6954&rft.eissn=&rft.isbn=&rft.sici=&rft.coden=93071X&rft_id=info:doi/&rft.object_id=&svc_val_fmt=info:ofi/fmt:kev:mtx:sch_svc&svc.fulltext=yes&rft.eisbn=&rft_dat=%3ccqvip%3e38104299%3c/cqvip%3e&rft_id=info:oai/%3e Research progress on suppression measures of transformer DC biasJ. Sichuan Electric

22、 Power Technology, 2011, 34（3）：9-13.7 杜峰，張英. 直流偏磁對(duì)變壓器的影響及抑制措施J.變壓器，2008, 45（7）:11-13.Du Feng, Zhang Ying. HYPERLINK 4:3210/scu?ctx_ver=Z39.88-2004&ctx_enc=info:ofi/enc:UTF-8&ctx_tim=2014-03-10T13%3A03%3A38IST&url_ver=Z39.88-2004&url_ctx_fmt=infofi/fmt:kev:mtx:ctx&rfr_id=info:sid/:primo3-Article-cqvi

23、p&rft_val_fmt=info:ofi/fmt:kev:mtx:journal&rft.genre=article&rft.atitle=直流偏磁對(duì)變壓器的影響及抑制措施%20-%20Influence%20of%20DC%20Bias%20to%20Transformer%20and%20Its%20Suppression%20Measures&rft.jtitle=變壓器&rft.btitle=&rft.aulast=&rft.auinit=&rft.auinit1=&rft.auinitm=&rft.ausuffix=&rft.au=杜峰&rft.aucorp=&rft.date=

24、2008&rft.volume=45&rft.issue=7&rft.part=92138X&rft.quarter=&rft.ssn=&rft.spage=11&rft.epage=13&rft.pages=&rft.artnum=&rft.issn=1001-8425&rft.eissn=&rft.isbn=&rft.sici=&rft.coden=92138X&rft_id=info:doi/&rft.object_id=&svc_val_fmt=info:ofi/fmt:kev:mtx:sch_svc&svc.fulltext=yes&rft.eisbn=&rft_dat=%3ccqv

25、ip%3e27668068%3c/cqvip%3e&rft_id=info:oai/%3e Influence of DC bias to transformer and its suppression measuresJ. Transformer, 2008, 45（7）:11-13.8 朱藝穎，蔣衛(wèi)平，曾昭華，等抑制變壓器中性點(diǎn)直流電流的措施研究J中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(13)：1-7.Zhu Yiying, Jiang Weiping, Zeng Zhaohua, et al. Studying on measurers of restraining DC current th

26、rough transformer neutrals J.Proceedings of the CSEE, 2005，25(13)：1-7.9 BolducL, Granger M, Pare G, et al. Development of a DC current-blocking device for transformer neutralsJIEEE Transactions on Power Delivery, 2005，21(1)：16316810 張 露，阮羚，潘卓洪等. 變壓器直流偏磁抑制設(shè)備的應(yīng)用分析J.電力自動(dòng)化設(shè)備，2013, 33（9）：151-156.Zhang Lu

27、, Ruan Ling, Pan Zhuohong, et al. Evaluation of DC bias restraint equipment applicationJ. Electric Power Automation Equipment, 2013, 33（9）：151-156.11劉同同，劉連光. 變壓器直流偏磁諧波對(duì)并聯(lián)電容器的影響分析J.現(xiàn)代電力，2012, 29（1）：29-32.Liu Tongtong, Liu Lianguang. Analysis of impact of transformer DC bias harmonic on shunt capacito

28、rsJ. Modern Electric Power, 2012, 29（1）：29-32.12馮遠(yuǎn)程，吳忠明，朱旭東等. 一種抑制變壓器直流偏磁現(xiàn)象的新方法J.變壓器，2009, 46（8）：17-21.Feng Yuancheng, Wu Zhongming, Zhu Xudong, et al. HYPERLINK 4:3210/scu?ctx_ver=Z39.88-2004&ctx_enc=info:ofi/enc:UTF-8&ctx_tim=2014-03-10T13%3A20%3A22IST&url_ver=Z39.88-2004&url_ctx_fmt=infofi/fmt:ke

29、v:mtx:ctx&rfr_id=info:sid/:primo3-Article-cqvip&rft_val_fmt=info:ofi/fmt:kev:mtx:journal&rft.genre=article&rft.atitle=一種抑制變壓器直流偏磁現(xiàn)象的新方法%20-%20A%20New%20Method%20to%20Restrain%20Direct%20Current%20Bias%20of%20Transformer&rft.jtitle=變壓器&rft.btitle=&rft.aulast=&rft.auinit=&rft.auinit1=&rft.auinitm=&rft.ausuffix=&rft.au=馮遠(yuǎn)程&rft.aucorp=&rft.date=2009&rft.volume=&rft.issue=8&rft.part=921