中性點(diǎn)直流偏磁對(duì)變壓器的影響及抑制措施

張瑞達(dá)

摘 要：直流輸電系統(tǒng)在大地回流方式（包括單極大地回線方式及雙極不平衡方式）運(yùn)行或直流供電的軌道交通系統(tǒng)或地球磁場(chǎng)的變化時(shí)，均可能會(huì)引起交流電網(wǎng)中部分中性點(diǎn)接地變壓器發(fā)生直流偏磁問(wèn)題，從而產(chǎn)生諧波，引起噪聲、振動(dòng)、過(guò)熱等問(wèn)題，對(duì)變壓器的正常運(yùn)行造成較大的影響。文章著重分析直流偏磁對(duì)變壓器的影響，并提出了具體的抑制措施。

關(guān)鍵詞：中性點(diǎn)；直流偏磁；變壓器；抑制措施

中圖分類號(hào)：TM401+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）27-0099-02

1 前 言

目前，高電壓直流輸電系統(tǒng)以其大容量和長(zhǎng)距離優(yōu)勢(shì)，在電力行業(yè)中應(yīng)用比較普遍。其中已有多回直流輸電系統(tǒng)落點(diǎn)的廣東地區(qū)，由于地質(zhì)條件的特殊性（多為花崗巖地質(zhì)，大地直流電阻較大），這些直流輸電系統(tǒng)初期的單級(jí)系統(tǒng)調(diào)試和后期的非正常運(yùn)行所引起的大地回線方式導(dǎo)致交流系統(tǒng)中接地變壓器的直流偏磁問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重和頻繁。中性點(diǎn)直流偏磁會(huì)引起變壓器諧波、噪聲、過(guò)熱等問(wèn)題，還會(huì)使變壓器消耗的無(wú)功增加，嚴(yán)重時(shí)可引起變壓器的損壞，并可能引起保護(hù)的誤動(dòng)，對(duì)變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了不利影響。

為了抑制直流偏磁，廣東地區(qū)的多個(gè)變電站（如500 kV深圳站）在運(yùn)行的變壓器中性點(diǎn)已經(jīng)加裝了電容隔直裝置，對(duì)變壓器直流偏磁的抑制效果明顯。

2 中性點(diǎn)直流偏磁對(duì)變壓器的影響

2.1 噪音和振動(dòng)增加

變壓器的噪音主要來(lái)源于鐵心的磁致伸縮，磁致伸縮產(chǎn)生的振動(dòng)是非正弦的，所以噪音的頻譜含有多種諧波分量。中性點(diǎn)直流分量增大了變壓器的勵(lì)磁電流，鐵心磁過(guò)度飽和，增加諧波分量和噪音，且噪音頻率不穩(wěn)定。如果某一頻率與變壓器部件發(fā)生共振，會(huì)產(chǎn)生噪音疊加。

直流偏磁引起的高振動(dòng)對(duì)變壓器本身帶來(lái)的問(wèn)題比噪聲更加嚴(yán)重，可能會(huì)導(dǎo)致變壓器內(nèi)外某些部件的松動(dòng)，從長(zhǎng)期來(lái)看，對(duì)變壓器的絕緣和抗短路沖擊能力也會(huì)有較大損害。

2.2 產(chǎn)生高次諧波，出現(xiàn)電壓波動(dòng)

直流偏磁背景下，變壓器工作點(diǎn)發(fā)生變化，處于非線性飽和區(qū)。勵(lì)磁電流呈現(xiàn)非線性，使系統(tǒng)電壓出現(xiàn)畸變，造成電壓波動(dòng)。如果鐵心磁路飽和，勵(lì)磁電流呈現(xiàn)尖峰波形，以確保主磁通仍然為正弦波。該種背景下，勵(lì)磁電流具備基波分量im1和三次諧波分量im3，具體表示方式如下：

三相三次諧波的幅值和相位都相同，Y形接線中，三次諧波不具備流通性，且增加變壓器的無(wú)功損耗，降低系統(tǒng)電壓，使繼電器誤動(dòng)。

2.3 損耗增加和升溫

直流偏磁會(huì)增加變壓器的勵(lì)磁電流度，使變壓器磁通過(guò)度飽和。勵(lì)磁電流處于磁化曲線的飽和區(qū)域內(nèi)，增加變壓器的漏磁通。漏磁通流經(jīng)變壓器的油箱、壓板和夾件等，增加渦流損耗，使金屬和郵箱過(guò)熱。如果鐵心磁通密度增加，也會(huì)增加該損耗[1]。

2.4 影響電網(wǎng)穩(wěn)定性

如果變壓器的勵(lì)磁電流滯后系統(tǒng)90 °，會(huì)導(dǎo)致無(wú)功功率損耗。通常情況下，它的損耗比較輕微。但是，如果無(wú)功功率急劇增加，就會(huì)產(chǎn)生大量無(wú)功損耗，并增加輸電線路損耗。如果鐵芯中，磁通密度處于飽和狀態(tài)，會(huì)對(duì)勵(lì)磁電流波形產(chǎn)生干擾，增加其峰值，導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，不利于電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3 中性點(diǎn)直流偏磁抑制措施

3.1 裝設(shè)電容隔直裝置

電容隔直裝置電氣結(jié)構(gòu)原理，如圖1所示。

該裝置主要由隔直裝置主設(shè)備（成套裝置箱體、電容器、晶閘管、旁路開(kāi)關(guān)、數(shù)字監(jiān)控裝置及交直流CT、PT）和遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成。隔直裝置的基本原理是在電容器的兩端并聯(lián)一個(gè)晶閘管及機(jī)械開(kāi)關(guān)旁路裝置，置于變壓器中性點(diǎn)實(shí)現(xiàn)直流電流的抑制作用，利用與電容器并聯(lián)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換旁路開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)隔直裝置直接接地運(yùn)行狀態(tài)和電容接地運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。當(dāng)變壓器中性點(diǎn)檢測(cè)到越限的直流電流時(shí)，將狀態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；當(dāng)變壓器中性點(diǎn)直流電流消失時(shí)，延時(shí)將狀態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)閉合。在電容接地運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生三相不平衡故障時(shí)，將有可能在電容器兩端產(chǎn)生高電壓。裝置通過(guò)大功率晶閘管實(shí)現(xiàn)過(guò)電壓快速旁路保護(hù)，并驅(qū)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)閉合實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)金屬性接地。

當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，電容器承受主要的短路零序電流，并同時(shí)觸發(fā)閉合電容器的晶閘管和機(jī)械開(kāi)關(guān)旁路，起到限壓和分流的作用，從而使電容器免受長(zhǎng)時(shí)間的大電流作用，達(dá)到保護(hù)電容器的目的及避免變壓器中性點(diǎn)暫態(tài)過(guò)電壓。在電網(wǎng)恢復(fù)正常后，電流旁路裝置便自動(dòng)復(fù)歸，使電容隔直裝置重新恢復(fù)隔直狀態(tài)運(yùn)行。

裝置的控制功能分遠(yuǎn)方/就地控制、自動(dòng)/手動(dòng)控制、定時(shí)自動(dòng)控制。遠(yuǎn)方監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)及錄波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析等功能。遠(yuǎn)控計(jì)算機(jī)與就地?cái)?shù)字監(jiān)控裝置通過(guò)光纜通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。電容隔直裝置具備效率和安全效益層面的雙向優(yōu)勢(shì)，可以有效隔絕大地系統(tǒng)中直流電流分量對(duì)主變壓器的影響，減少損耗，且對(duì)系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響比較有限，對(duì)主變壓器的安全運(yùn)行有重大作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，南方電網(wǎng)公司部分

500 kV變電站主變中性點(diǎn)自加裝電容隔直裝置以來(lái)，總體運(yùn)行情況良好，當(dāng)發(fā)生中性點(diǎn)直流偏磁時(shí)，隔直裝置均能進(jìn)行良好的精準(zhǔn)分析，正確的做出動(dòng)作。

3.2 反方向注入電流

反向直流裝置電源示意圖，如圖2所示。

將反向直流電流注入變壓器中性點(diǎn)，對(duì)原有偏磁電流進(jìn)行抵消。在變電站外補(bǔ)償接地極和變壓器中性點(diǎn)之間注入直流電流，經(jīng)過(guò)變壓器繞組和電網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)該電流的部分回歸，使其返回補(bǔ)償接地極。對(duì)直流發(fā)生裝置輸出直流電流的方向和大小進(jìn)行有效控制，以對(duì)變壓器中性點(diǎn)原有直流電流進(jìn)行抵消。對(duì)具體的參數(shù)進(jìn)行反向注入，使其對(duì)運(yùn)行系統(tǒng)的影響參數(shù)進(jìn)行抑制。它具有較高要求，且相對(duì)比較復(fù)雜[2]。

3.3 中性點(diǎn)串聯(lián)電阻

中性點(diǎn)串聯(lián)電阻是在變壓器中性點(diǎn)和地之間對(duì)相應(yīng)限值的電阻進(jìn)行串入，它能夠縮減中性點(diǎn)部位的電流，使其與具體的項(xiàng)目相符合。在許可范圍內(nèi)，合理改變串聯(lián)電阻中直流電流的分布，以對(duì)電流超標(biāo)問(wèn)題進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)偏磁。串入電阻的過(guò)程中，也升高了變壓器中性點(diǎn)的對(duì)地電位。雖然串聯(lián)電阻值比較低，但是它的容量比較大。加之，工作人員對(duì)變壓器的絕緣性能進(jìn)行核算，中性點(diǎn)串聯(lián)點(diǎn)能夠?qū)ο到y(tǒng)阻抗能力進(jìn)行更改，進(jìn)而對(duì)自動(dòng)化裝置進(jìn)行核算和保護(hù)。

3.4 電位補(bǔ)償

變壓器發(fā)生直流偏磁，在中性點(diǎn)中對(duì)反向的直流電流進(jìn)行接入，對(duì)直流偏磁的負(fù)面影響進(jìn)行抵消和削弱。電位補(bǔ)償法包括正電位補(bǔ)償和負(fù)電位補(bǔ)償。它不需要對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行更改，更不會(huì)影響繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的正常運(yùn)行。同時(shí)，負(fù)電位補(bǔ)償過(guò)程中，能夠?qū)Φ鼐W(wǎng)進(jìn)行陰極保護(hù)。

但是它也具備相應(yīng)的缺陷：正電位補(bǔ)償會(huì)腐蝕地網(wǎng)。正電位補(bǔ)償背景下，電流經(jīng)過(guò)地網(wǎng)，很容易發(fā)生腐蝕。該種腐蝕情況持續(xù)時(shí)間比較短，對(duì)地網(wǎng)的影響也比較輕微。如果輔助接地極選擇不科學(xué)，會(huì)使系統(tǒng)周邊變壓器直流偏磁問(wèn)題加劇。電力人員在輔助接地極安裝過(guò)程中，對(duì)它的位置進(jìn)行合理選擇，使其與系統(tǒng)內(nèi)部其他變壓器保持一定的距離，將其對(duì)變壓器的干擾降到最低[3]。

4 結(jié) 語(yǔ)

中性點(diǎn)直流偏磁對(duì)變壓器的運(yùn)行產(chǎn)生了負(fù)面干擾。電力人員要采取科學(xué)合理的方法對(duì)流入變壓器中性點(diǎn)的直流電流進(jìn)行嚴(yán)格控制，將它對(duì)變壓器的干擾降到最低。電力企業(yè)要結(jié)合具體工程背景，對(duì)接地極址進(jìn)行選擇，合理論證直流極地極電流對(duì)交流電力變壓器的磁飽和影響，并采取具體的抑制措施，以對(duì)變壓器中性點(diǎn)直流水平進(jìn)行限制，使電力系統(tǒng)時(shí)刻處于良好的運(yùn)行環(huán)境中，推進(jìn)我國(guó)電力企業(yè)的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣偉，吳廣寧.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，（03）：9-13.

[2] 邱璆，張一坤.變壓器中性點(diǎn)串小電阻抑制直流偏磁的研究[J].華東電 力，2012，（05）：812-816.

[3] 牛勇.直流偏磁對(duì)變壓器運(yùn)行的影響及應(yīng)對(duì)措施[J].廣東科技，2014， （06）：53-54.