直流偏磁

雙極兩端中性點(diǎn)接地直流換流站接線方式廣泛運(yùn)用到遠(yuǎn)距離的高壓直流輸電領(lǐng)域中。雖然正常運(yùn)行時(shí)兩極電流相等，地回路中的電流為零，但是只要是運(yùn)行過(guò)程中兩極的電流不相等（采用單極運(yùn)行、雙就極電壓對(duì)稱電流不對(duì)稱或者雙極電流電壓均不對(duì)稱方式運(yùn)行），接地極都會(huì)有電流流過(guò)，在直流輸電線路和大地間形成回路。在我國(guó)，110kV及以上電壓等級(jí)系統(tǒng)中性點(diǎn)采取直接接地。如果處于不同地點(diǎn)的變電站的中性點(diǎn)電位被不同程度的抬高，則直流電流將通過(guò)大地和交流線路，由一個(gè)變電站（變壓器中性點(diǎn)）流入，在另一個(gè)變電站（變壓器中性點(diǎn)）流出。直流電壓最高點(diǎn)位于接地極，電壓的大小取決于流入接地的電流與接地電阻。

由于土壤電阻分布徑向不均，如果接地極附近有變壓器中性點(diǎn)接地的變電所，地下金屬導(dǎo)管或鎧裝電纜等金屬設(shè)施，由于這些設(shè)施可能給地電流提供了比大地土壤更為良好的導(dǎo)電通道，因此一部分電流將沿著并通過(guò)這些設(shè)施流向遠(yuǎn)方。這樣就造成不能通過(guò)計(jì)算確定各個(gè)變電站中性點(diǎn)電位的抬高，從理論上計(jì)算流入各個(gè)中性點(diǎn)的直流電流很難準(zhǔn)確，此電流一般只能通過(guò)實(shí)測(cè)得到。

直流偏磁主要危害是變壓器產(chǎn)生直流偏磁，而直流偏磁產(chǎn)生的諧波可能被電力電容器組放大。由于流入變壓器中性點(diǎn)的直流電流的大小不足以讓變電站地網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕，甚至可以忽略，在此不作討論。

2. 變壓器勵(lì)磁電流的畸變

因?yàn)樽儔浩鞯闹鞔磐ń咏也?，根?jù)磁化曲線的飽和特性，可以直觀看出直流電流對(duì)變壓器勵(lì)磁電流的影響：

1)當(dāng)變壓器繞組無(wú)直流分量，勵(lì)磁電流i（t）工作在磁化曲線的直線段，此時(shí)若鐵芯中磁通為正弦波，勵(lì)磁電流也是正弦波。

2)當(dāng)中性點(diǎn)電壓被抬升Ф′時(shí)，變壓器繞組中有直流電流流過(guò)，由于直流電流的偏磁影響，可能使勵(lì)磁電流工作在磁化曲線的飽和區(qū)，導(dǎo)致勵(lì)磁電流的正半波出現(xiàn)尖頂負(fù)半波可能是正弦波的一部分。

3）當(dāng)變壓器中性點(diǎn)電壓數(shù)值被抬高的越多，勵(lì)磁電流畸變程度越大。

4）直流偏磁引起變壓器勵(lì)磁電流畸變產(chǎn)生，在變壓器各側(cè)產(chǎn)生諧波。而對(duì)諧波進(jìn)行傅立葉變換可分解出各次諧波。三倍頻諧波屬于零序電流，1、4、7、10…次諧波為正序電流，2、5、8、11…次諧波為負(fù)序電流。

3.1當(dāng)勵(lì)磁電流中存在直流電流對(duì)變壓器影響主要表現(xiàn)在以下幾方面

1）噪音增大。對(duì)于單相變壓器，當(dāng)直流電流達(dá)到額定勵(lì)磁電流時(shí)，噪音增大10dB；若達(dá)到4倍額定勵(lì)磁電流時(shí)，噪音增大20 dB。此外，變壓器中增加了諧波成分，會(huì)使噪音頻率發(fā)生變化，可能因某一頻率與變壓器結(jié)構(gòu)部件發(fā)生共振使噪音增大。

2）對(duì)變壓器波形的影響。當(dāng)鐵芯工作在嚴(yán)重飽和區(qū)，漏磁通會(huì)增加，在一定程度上使電壓的波峰變平。 3）變壓器銅耗的增加。在直流電流作用下，如果直流電流大小達(dá)到一定數(shù)值，變壓器的勵(lì)磁電流會(huì)大幅度增加，變壓器的基本銅耗就會(huì)急劇增加，讓線圈發(fā)熱。

3）變壓器鐵耗增大。由于勵(lì)磁電流進(jìn)入了磁化曲線的飽和區(qū)，使得鐵芯和空氣的磁導(dǎo)率接近，從而導(dǎo)致變壓器的漏磁大大增加。變壓器漏磁通會(huì)穿過(guò)連接片、夾件、油箱等構(gòu)件，并在其中產(chǎn)生渦流產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象危害絕緣。

3.2變壓器允許的直流電流：

變壓器容許通過(guò)多大的直流電流，這在一定程度上取決于變壓器的設(shè)計(jì)，其值與變壓器結(jié)構(gòu)、鐵芯材料、磁通密度取值等因子有關(guān)。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電力變壓器在超過(guò)5%的額定電壓下也能長(zhǎng)期運(yùn)行，此時(shí)的勵(lì)磁電流將較額定電壓下的勵(lì)磁電流將較額定電壓下的勵(lì)磁電流大50%。這意味著，只要流過(guò)變壓器繞組的直流電流引起的勵(lì)磁電流增量不大于正常值的50%是可以接受的。

對(duì)于變壓器繞組允許通過(guò)的直流電流問(wèn)題，通過(guò)部分國(guó)內(nèi)外變壓器廠家提供的資料進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

1）與磁密取值有關(guān)。對(duì)于冷軋硅鋼片，磁密在1.65~1.7T之間時(shí)，變壓器繞組允許通過(guò)的直流為額定電流的0.45% ~0.55% 。

2）與變壓器硅鋼片導(dǎo)磁率特性有關(guān)。導(dǎo)磁率越高（優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片），允許通過(guò)的直流電流越小。對(duì)于熱軋硅鋼片（老式變壓器），變壓器繞組允許通過(guò)的直流電流較大，可達(dá)額定電流的1% 。

3）與變壓器類型有關(guān)。由于單相和三相五柱式變壓器具有較低的直流磁阻抗，所以允許通過(guò)的直流電流較普通三相三柱式變壓器稍小。

1）當(dāng)直流換流站采用不對(duì)稱運(yùn)行方式時(shí)，各級(jí)調(diào)度之間應(yīng)該加強(qiáng)聯(lián)系，把此項(xiàng)信息有效迅速傳達(dá)給各相關(guān)變電站，讓變電站的運(yùn)行人員能及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視從而實(shí)現(xiàn)事故預(yù)控。

2）根據(jù)上文提供的計(jì)算方法，變電站應(yīng)該事先根據(jù)本站變壓器的額定電流和鐵心結(jié)構(gòu)計(jì)算出本站所有變壓器最大允許直流電流，以便在流過(guò)中性點(diǎn)直流電流越限時(shí)及時(shí)加強(qiáng)監(jiān)視。變壓器發(fā)出的噪聲超出噪聲合同值時(shí)變壓器的振動(dòng)會(huì)加劇，有聲音監(jiān)測(cè)器的變電站可以根據(jù)變壓器是否超出變壓器說(shuō)明書給出的噪聲合同值。

3）因?yàn)楫a(chǎn)生在變壓器發(fā)生直流偏磁時(shí)銅耗和鐵耗的增加，尤其是各部件渦流產(chǎn)生大量的熱能，也應(yīng)該重視變壓器油溫的變化，避免各部件由于溫度過(guò)高造成設(shè)備損壞。

4）變壓器直流偏磁可能引起局部器件溫度過(guò)高影響絕緣，而在總體油溫不能反映局部過(guò)熱現(xiàn)象。在直流換流站恢復(fù)正常工作方式時(shí)，在巡視變壓器測(cè)量變壓器鐵芯和夾件的接地電流校往日有無(wú)變化，鐵芯接地電流不得超過(guò)100mA。鑒于有變壓器因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間在較大的直流偏磁情況下導(dǎo)致油樣色譜分析異常[6]，應(yīng)該對(duì)大幅度超出繞組允許通過(guò)的直流電流或者較長(zhǎng)時(shí)間在直流偏磁情況下運(yùn)行的變壓器進(jìn)行色譜分析。

5）在有諧波檢測(cè)裝置的變電站應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)電流畸變的監(jiān)查，通常，電流畸變超過(guò)5%的變壓器應(yīng)該降低負(fù)荷以保證變壓器的安全運(yùn)行[2]。

6）在沒有諧波保護(hù)裝置的變電站，運(yùn)行人員應(yīng)熟悉電容器組的正常運(yùn)行電流，在變壓器發(fā)生直流偏磁而后產(chǎn)生的諧波可能被電容進(jìn)行諧波放大。電容器組可能對(duì)諧波進(jìn)行放大但沒能動(dòng)作跳閘，運(yùn)行人員應(yīng)該在發(fā)生直流偏磁時(shí)投入電容器時(shí)應(yīng)該檢查電容電流是否正常，然后加強(qiáng)監(jiān)視電容的電流值，發(fā)生異常迅速斷開相關(guān)電容器組，這是最簡(jiǎn)單和安全的監(jiān)控方法。

在線運(yùn)行的變壓器繞組內(nèi)產(chǎn)生較大的直流原因，可以由如下原因引起：

（1）太陽(yáng)等離子風(fēng)的動(dòng)態(tài)變化與地磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的地磁“風(fēng)暴”。地磁場(chǎng)的變化將在地球表面誘發(fā)電位梯度，其大小取決于地面電導(dǎo)率和地磁風(fēng)暴的嚴(yán)重程度，當(dāng)這一低頻且具有一定持續(xù)時(shí)間的電場(chǎng)作用于中性點(diǎn)接地的電力變壓器時(shí)，將在繞組中誘發(fā)地磁感應(yīng)電流，其頻率在0.01~1Hz之間，與50Hz的交流系統(tǒng)相比較，可以近似看成直流。其值較大，但持續(xù)時(shí)間短。

（2）直流輸電線路與交流輸電線路的并行運(yùn)行或交流網(wǎng)絡(luò)中存在電壓電流關(guān)系曲線不對(duì)稱的負(fù)載。直流輸電系統(tǒng)常常采用單極運(yùn)行方式，因?yàn)榭梢岳么蟮剡@個(gè)良導(dǎo)體，省去一根導(dǎo)線而節(jié)約成本。由于地下長(zhǎng)期有大的直流電流流過(guò)，因而在其換流站周圍一定區(qū)域中會(huì)產(chǎn)生地表電流，與其并行運(yùn)行的交流輸電系統(tǒng)變電站中的變壓器如果距離換流站不遠(yuǎn)，就會(huì)受到干擾，這種干擾作用的直接表現(xiàn)就是通過(guò)交流變壓器的接地中性點(diǎn)在交流變壓器的勵(lì)磁電流中產(chǎn)生直流分量。其值大小與直流輸電線路單極運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷大小正相關(guān)，持續(xù)時(shí)間也與直流輸電線路單極運(yùn)行時(shí)間同步。

（3）城市軌道交通。大城市的地鐵、軌道交通和一些礦山小火車大多采用直流電驅(qū)動(dòng)車輛，這些軌道交通的直流電源用大地作為其中的一極，類似直流輸電的單極運(yùn)行，對(duì)城市的110kV以上的變壓器造成直流偏磁。其值一般比較小，波動(dòng)頻繁；持續(xù)時(shí)間與城鐵運(yùn)行時(shí)間同步。

4.1諧波對(duì)變壓器以及電容器影響：

1）如果從另一個(gè)角度理解勵(lì)磁電流增大引起銅耗的增加，那就是諧波引起均方根電流增加，而均方根電流增加會(huì)引起銅耗的增加。

2）渦流是由磁鏈引起的變壓器感應(yīng)電流，這部分損耗以應(yīng)起諧波電流的頻率的平方增加。該損耗是變壓器諧波發(fā)熱損耗的重要來(lái)源。

3）如果通過(guò)電容器的電流中含有諧波成分，由于趨膚效應(yīng)，有可能產(chǎn)生比基波更大的熱效應(yīng)。

4）具有并聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)中系統(tǒng)在某一頻率下可能與并聯(lián)電容器發(fā)生諧振，從而引起注入系統(tǒng)合電容組的諧波電流的放大，對(duì)系統(tǒng)和電容器產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。 4.2諧波放大

對(duì)實(shí)際畸變電流進(jìn)行數(shù)學(xué)上富立葉的分解得到基波和各次諧波。在具有并聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)中，系統(tǒng)阻抗在某一頻率下可能與并聯(lián)電容器發(fā)生諧振，從而引起諧波源注入系統(tǒng)和電容器組諧波電流放大，對(duì)系統(tǒng)和電容器組產(chǎn)生嚴(yán)重影響。在直流偏磁時(shí)，變壓器會(huì)因?yàn)榇怕凤柡投a(chǎn)生各種次數(shù)的諧波。

電抗率的定義為電容器組的串聯(lián)電抗器基頻分抗與電容器的基頻分抗的比值。國(guó)內(nèi)并聯(lián)電容器配置的電抗器的電抗率主要接近以下四種類型：<0.5% ，4.5%，5%，6%，12%和13%。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]在沒有電抗和0.5%電抗率的電容器組與系統(tǒng)匹配的諧振諧波次數(shù)為6次左右，對(duì)系統(tǒng)5次諧波嚴(yán)重放大，放大后諧波的分別是諧波源電流的4倍和7倍；4.5%電抗率可以減小5次諧波70%，對(duì)3次諧波放大比較??；6%電抗率對(duì)減少5次諧波50%，而對(duì)3次諧波放大比較大；對(duì)于3次諧波放大比較大的變電站應(yīng)該配置12%電抗率的電抗器以抑制3次諧波。

通常認(rèn)為3n次諧波分量由于在Y/Δ結(jié)線變壓器的Δ繞組中環(huán)流短路在系統(tǒng)中不會(huì)出現(xiàn)，實(shí)際上由于變壓器三相磁路的不對(duì)稱，電源電壓和負(fù)荷的不平衡，三相鐵心的飽和程度不同，各相產(chǎn)生的三次諧波的大小相位也不相同，所以變壓器Δ繞組側(cè)的線電壓及線電流中仍存在三次諧波分量，及其幅值的比例不小，在我國(guó)電力系統(tǒng)中3次諧波是普遍存在的，故此不能認(rèn)為在變壓器Δ側(cè)不會(huì)出現(xiàn)3次諧波放大。

電網(wǎng)運(yùn)行中曾多次發(fā)生三次諧波放大事故[4]，當(dāng)參數(shù)匹配時(shí)還可能發(fā)生諧波共振事故，由于運(yùn)行電壓和電流嚴(yán)重超標(biāo)，使電容器鼓肚、漏油甚至爆炸損壞，還可能發(fā)生氧化鋅避雷器爆炸、雙星電容器組中性線電流互感器爆炸，放電線圈損壞等事故。裝設(shè)6%串聯(lián)電抗器的電容器組應(yīng)特別注意防止對(duì)三次諧波的放大，6%串聯(lián)電抗率的電容器組往往可能產(chǎn)生諧波放大。

有的變電站的電抗率比較特殊，可能對(duì)4次或其他次數(shù)的諧波進(jìn)行放大。

電容器的過(guò)流保護(hù)一般設(shè)有2段，過(guò)流一段的整定值一般在接近兩倍額定電流。諧波放大的只是某次諧波，而基波和其他次數(shù)諧波幅值不變，在發(fā)生諧波放大的時(shí)候，流過(guò)電容器的電流有效值有時(shí)候不能達(dá)到過(guò)流保護(hù)的動(dòng)作電流時(shí)，諧波放大一直持續(xù)下去，電容器及其部件就有可能被燒毀或者發(fā)生爆炸。

一般情況下直流換流站注入系統(tǒng)的諧波符合國(guó)家便準(zhǔn)，而且高壓直流換流站站12脈動(dòng)整流方法，兩組對(duì)應(yīng)兩繞組換流變壓器連接處的系統(tǒng)側(cè)，只有12K±1次諧波，主要是11和13次諧波，其他次數(shù)諧波電流幅值隨諧波次數(shù)的增加而減少，而非特征諧波含量更是很少。照我國(guó)電容器的配置情況基本不可能發(fā)生因?yàn)橹绷鲹Q流站注入諧波電流而引起諧波放大。

高壓直流輸電工程中換流變壓器噪聲嚴(yán)重超標(biāo)，影響環(huán)境，必須予以治理。以往的治理方法沒有治本，且代價(jià)大。換流器產(chǎn)生的諧波和直流偏磁是換流變壓器振動(dòng)加劇的根本原因。新型換流變壓器擬利用申請(qǐng)者兩個(gè)發(fā)明專利（申請(qǐng)?zhí)枺?00910043186.8和200910311197.X）的原理，降低換流變壓器鐵芯與繞組的振動(dòng)，但需要開展如下前瞻性研究：（1）諧波和直流偏磁引起換流變壓器電磁振動(dòng)加劇的機(jī)理；(2)諧波主、漏磁通及諧波電流相互作用形成的復(fù)雜電磁力作用于鐵心及繞組（振動(dòng)模態(tài)）產(chǎn)生怎樣的振動(dòng)效果；(3)新型換流變壓器原理樣機(jī)試制和實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)本項(xiàng)目研究，將（1）提出換流變壓器器身電磁振動(dòng)機(jī)理的理論；（2）得到考慮諧波和直流偏磁條件下?lián)Q流變壓器器身振動(dòng)的計(jì)算模型；（3）提出通過(guò)抑制變壓器諧波磁通來(lái)抑制換流變壓器器身振動(dòng)的方法；（4）研發(fā)380V，100kVA，12脈波低噪聲換流變壓器原理樣機(jī)一臺(tái)。

當(dāng)交流線路附近存在直流線路時(shí)，交流線路通過(guò)磁感應(yīng)和電容耦合，將會(huì)在直流線路中產(chǎn)生一個(gè)疊加于直流電流之上的穩(wěn)態(tài)工頻電流。該電流通過(guò)換流器將會(huì)在換流變壓器的閥側(cè)產(chǎn)生直流偏磁電流，偏磁會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流變飽和，引起其損耗和噪聲增大，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)換流變承受偏磁的能力提出特殊的要求或采取必要的措施減小換流變閥側(cè)直流偏磁電流。相關(guān)結(jié)論如下：

（1）與直流線路平行架設(shè)的交流線路，選擇同桿并架導(dǎo)線垂直逆相序排列可減小交流線路輸送潮流在直流線路上產(chǎn)生的工頻感應(yīng)電壓和電流的幅值。

（2）直流線路上工頻感應(yīng)分量的幅值，與平行架設(shè)的交/直流線路的接近距離呈非線性關(guān)系，隨接近距離的增大而減小；而與平行線段的長(zhǎng)度基本呈線性關(guān)系，隨平行線段長(zhǎng)度增加而增大。

（3）流入換流變閥側(cè)各相的直流偏磁電流與直流閥側(cè)工頻感應(yīng)電流的幅值和相角有關(guān)，即與平行架設(shè)的交流線路送端初相角及線路輸送潮流的大小相關(guān)，換流器觸發(fā)角度恒定時(shí)，最大直流偏磁電流與直流閥側(cè)工頻感應(yīng)電流峰值的比值約為0.58，但直流系統(tǒng)控制器的調(diào)節(jié)作用會(huì)導(dǎo)致該比值增大。此外，換流站安裝的直流濾波器，使得直流線路側(cè)和直流閥側(cè)工頻感應(yīng)電流峰值有較大差別。

（4）交流線路發(fā)生接地故障將在平行架設(shè)的直流線路上產(chǎn)生比正常運(yùn)行大很多的工頻感應(yīng)分量，換流變閥側(cè)直流偏磁電流可達(dá)上百安培，但故障持續(xù)時(shí)間較短，不會(huì)因換流變短時(shí)偏磁電流增大造成換流變過(guò)熱。

（5）換流變能夠承受的最大直流偏磁電流是制約交/直流線路平行架設(shè)長(zhǎng)度和接近距離的主要因素。

（6）交、直流線路耦合段內(nèi)交流線路均勻換位和換流站中性母線加裝并聯(lián)工頻阻波器是減小換流變閥側(cè)直流偏磁電流的有效措施。

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電力變壓器智能控制柜內(nèi)組件對(duì)雷電沖擊瞬態(tài)引起騷擾電壓的抗擾度要求、試驗(yàn)方法和推薦的試驗(yàn)等級(jí)范圍。

本標(biāo)準(zhǔn)適用于220、500kV 電壓等級(jí)電力變壓器的智能組件地電位升高防護(hù)性能檢測(cè)。

本標(biāo)準(zhǔn)不考慮直擊雷雷電流的直接注入和直流偏磁引起的變壓器地電位升高。 2100433B