直流偏磁

双极两端中性点接地直流换流站接线方式广泛运用到远距离的高压直流输电领域中。虽然正常运行时两极电流相等，地回路中的电流为零，但是只要是运行过程中两极的电流不相等（采用单极运行、双就极电压对称电流不对称或者双极电流电压均不对称方式运行），接地极都会有电流流过，在直流输电线路和大地间形成回路。在我国，110kV及以上电压等级系统中性点采取直接接地。如果处于不同地点的变电站的中性点电位被不同程度的抬高，则直流电流将通过大地和交流线路，由一个变电站（变压器中性点）流入，在另一个变电站（变压器中性点）流出。直流电压最高点位于接地极，电压的大小取决于流入接地的电流与接地电阻。

由于土壤电阻分布径向不均，如果接地极附近有变压器中性点接地的变电所，地下金属导管或铠装电缆等金属设施，由于这些设施可能给地电流提供了比大地土壤更为良好的导电通道，因此一部分电流将沿着并通过这些设施流向远方。这样就造成不能通过计算确定各个变电站中性点电位的抬高，从理论上计算流入各个中性点的直流电流很难准确，此电流一般只能通过实测得到。

直流偏磁主要危害是变压器产生直流偏磁，而直流偏磁产生的谐波可能被电力电容器组放大。由于流入变压器中性点的直流电流的大小不足以让变电站地网产生严重腐蚀，甚至可以忽略，在此不作讨论。

2. 变压器励磁电流的畸变

因为变压器的主磁通接近正弦波，根据磁化曲线的饱和特性，可以直观看出直流电流对变压器励磁电流的影响：

1)当变压器绕组无直流分量，励磁电流i（t）工作在磁化曲线的直线段，此时若铁芯中磁通为正弦波，励磁电流也是正弦波。

2)当中性点电压被抬升Ф´时，变压器绕组中有直流电流流过，由于直流电流的偏磁影响，可能使励磁电流工作在磁化曲线的饱和区，导致励磁电流的正半波出现尖顶负半波可能是正弦波的一部分。

3）当变压器中性点电压数值被抬高的越多，励磁电流畸变程度越大。

4）直流偏磁引起变压器励磁电流畸变产生，在变压器各侧产生谐波。而对谐波进行傅立叶变换可分解出各次谐波。三倍频谐波属于零序电流，1、4、7、10…次谐波为正序电流，2、5、8、11…次谐波为负序电流。

3.1当励磁电流中存在直流电流对变压器影响主要表现在以下几方面

1）噪音增大。对于单相变压器，当直流电流达到额定励磁电流时，噪音增大10dB；若达到4倍额定励磁电流时，噪音增大20 dB。此外，变压器中增加了谐波成分，会使噪音频率发生变化，可能因某一频率与变压器结构部件发生共振使噪音增大。

2）对变压器波形的影响。当铁芯工作在严重饱和区，漏磁通会增加，在一定程度上使电压的波峰变平。 3）变压器铜耗的增加。在直流电流作用下，如果直流电流大小达到一定数值，变压器的励磁电流会大幅度增加，变压器的基本铜耗就会急剧增加，让线圈发热。

3）变压器铁耗增大。由于励磁电流进入了磁化曲线的饱和区，使得铁芯和空气的磁导率接近，从而导致变压器的漏磁大大增加。变压器漏磁通会穿过连接片、夹件、油箱等构件，并在其中产生涡流产生发热现象危害绝缘。

3.2变压器允许的直流电流：

变压器容许通过多大的直流电流，这在一定程度上取决于变压器的设计，其值与变压器结构、铁芯材料、磁通密度取值等因子有关。我国国家标准规定，电力变压器在超过5%的额定电压下也能长期运行，此时的励磁电流将较额定电压下的励磁电流将较额定电压下的励磁电流大50%。这意味着，只要流过变压器绕组的直流电流引起的励磁电流增量不大于正常值的50%是可以接受的。

对于变压器绕组允许通过的直流电流问题，通过部分国内外变压器厂家提供的资料进行分析，可以得出以下结论：

1）与磁密取值有关。对于冷轧硅钢片，磁密在1.65~1.7T之间时，变压器绕组允许通过的直流为额定电流的0.45% ~0.55% 。

2）与变压器硅钢片导磁率特性有关。导磁率越高（优质冷轧硅钢片），允许通过的直流电流越小。对于热轧硅钢片（老式变压器），变压器绕组允许通过的直流电流较大，可达额定电流的1% 。

3）与变压器类型有关。由于单相和三相五柱式变压器具有较低的直流磁阻抗，所以允许通过的直流电流较普通三相三柱式变压器稍小。

1）当直流换流站采用不对称运行方式时，各级调度之间应该加强联系，把此项信息有效迅速传达给各相关变电站，让变电站的运行人员能及时对设备进行监视从而实现事故预控。

2）根据上文提供的计算方法，变电站应该事先根据本站变压器的额定电流和铁心结构计算出本站所有变压器最大允许直流电流，以便在流过中性点直流电流越限时及时加强监视。变压器发出的噪声超出噪声合同值时变压器的振动会加剧，有声音监测器的变电站可以根据变压器是否超出变压器说明书给出的噪声合同值。

3）因为产生在变压器发生直流偏磁时铜耗和铁耗的增加，尤其是各部件涡流产生大量的热能，也应该重视变压器油温的变化，避免各部件由于温度过高造成设备损坏。

4）变压器直流偏磁可能引起局部器件温度过高影响绝缘，而在总体油温不能反映局部过热现象。在直流换流站恢复正常工作方式时，在巡视变压器测量变压器铁芯和夹件的接地电流校往日有无变化，铁芯接地电流不得超过100mA。鉴于有变压器因为长时间在较大的直流偏磁情况下导致油样色谱分析异常[6]，应该对大幅度超出绕组允许通过的直流电流或者较长时间在直流偏磁情况下运行的变压器进行色谱分析。

5）在有谐波检测装置的变电站应该加强对电流畸变的监查，通常，电流畸变超过5%的变压器应该降低负荷以保证变压器的安全运行[2]。

6）在没有谐波保护装置的变电站，运行人员应熟悉电容器组的正常运行电流，在变压器发生直流偏磁而后产生的谐波可能被电容进行谐波放大。电容器组可能对谐波进行放大但没能动作跳闸，运行人员应该在发生直流偏磁时投入电容器时应该检查电容电流是否正常，然后加强监视电容的电流值，发生异常迅速断开相关电容器组，这是最简单和安全的监控方法。

在线运行的变压器绕组内产生较大的直流原因，可以由如下原因引起：

（1）太阳等离子风的动态变化与地磁场相互作用产生的地磁“风暴”。地磁场的变化将在地球表面诱发电位梯度，其大小取决于地面电导率和地磁风暴的严重程度，当这一低频且具有一定持续时间的电场作用于中性点接地的电力变压器时，将在绕组中诱发地磁感应电流，其频率在0.01~1Hz之间，与50Hz的交流系统相比较，可以近似看成直流。其值较大，但持续时间短。

（2）直流输电线路与交流输电线路的并行运行或交流网络中存在电压电流关系曲线不对称的负载。直流输电系统常常采用单极运行方式，因为可以利用大地这个良导体，省去一根导线而节约成本。由于地下长期有大的直流电流流过，因而在其换流站周围一定区域中会产生地表电流，与其并行运行的交流输电系统变电站中的变压器如果距离换流站不远，就会受到干扰，这种干扰作用的直接表现就是通过交流变压器的接地中性点在交流变压器的励磁电流中产生直流分量。其值大小与直流输电线路单极运行时的负荷大小正相关，持续时间也与直流输电线路单极运行时间同步。

（3）城市轨道交通。大城市的地铁、轨道交通和一些矿山小火车大多采用直流电驱动车辆，这些轨道交通的直流电源用大地作为其中的一极，类似直流输电的单极运行，对城市的110kV以上的变压器造成直流偏磁。其值一般比较小，波动频繁；持续时间与城铁运行时间同步。

4.1谐波对变压器以及电容器影响：

1）如果从另一个角度理解励磁电流增大引起铜耗的增加，那就是谐波引起均方根电流增加，而均方根电流增加会引起铜耗的增加。

2）涡流是由磁链引起的变压器感应电流，这部分损耗以应起谐波电流的频率的平方增加。该损耗是变压器谐波发热损耗的重要来源。

3）如果通过电容器的电流中含有谐波成分，由于趋肤效应，有可能产生比基波更大的热效应。

4）具有并联电容补偿的系统中系统在某一频率下可能与并联电容器发生谐振，从而引起注入系统合电容组的谐波电流的放大，对系统和电容器产生严重的影响。 4.2谐波放大

对实际畸变电流进行数学上富立叶的分解得到基波和各次谐波。在具有并联电容补偿的系统中，系统阻抗在某一频率下可能与并联电容器发生谐振，从而引起谐波源注入系统和电容器组谐波电流放大，对系统和电容器组产生严重影响。在直流偏磁时，变压器会因为磁路饱和而产生各种次数的谐波。

电抗率的定义为电容器组的串联电抗器基频分抗与电容器的基频分抗的比值。国内并联电容器配置的电抗器的电抗率主要接近以下四种类型：<0.5% ，4.5%，5%，6%，12%和13%。

根据文献[2]在没有电抗和0.5%电抗率的电容器组与系统匹配的谐振谐波次数为6次左右，对系统5次谐波严重放大，放大后谐波的分别是谐波源电流的4倍和7倍；4.5%电抗率可以减小5次谐波70%，对3次谐波放大比较小；6%电抗率对减少5次谐波50%，而对3次谐波放大比较大；对于3次谐波放大比较大的变电站应该配置12%电抗率的电抗器以抑制3次谐波。

通常认为3n次谐波分量由于在Y/Δ结线变压器的Δ绕组中环流短路在系统中不会出现，实际上由于变压器三相磁路的不对称，电源电压和负荷的不平衡，三相铁心的饱和程度不同，各相产生的三次谐波的大小相位也不相同，所以变压器Δ绕组侧的线电压及线电流中仍存在三次谐波分量，及其幅值的比例不小，在我国电力系统中3次谐波是普遍存在的，故此不能认为在变压器Δ侧不会出现3次谐波放大。

电网运行中曾多次发生三次谐波放大事故[4]，当参数匹配时还可能发生谐波共振事故，由于运行电压和电流严重超标，使电容器鼓肚、漏油甚至爆炸损坏，还可能发生氧化锌避雷器爆炸、双星电容器组中性线电流互感器爆炸，放电线圈损坏等事故。装设6%串联电抗器的电容器组应特别注意防止对三次谐波的放大，6%串联电抗率的电容器组往往可能产生谐波放大。

有的变电站的电抗率比较特殊，可能对4次或其他次数的谐波进行放大。

电容器的过流保护一般设有2段，过流一段的整定值一般在接近两倍额定电流。谐波放大的只是某次谐波，而基波和其他次数谐波幅值不变，在发生谐波放大的时候，流过电容器的电流有效值有时候不能达到过流保护的动作电流时，谐波放大一直持续下去，电容器及其部件就有可能被烧毁或者发生爆炸。

一般情况下直流换流站注入系统的谐波符合国家便准，而且高压直流换流站站12脉动整流方法，两组对应两绕组换流变压器连接处的系统侧，只有12K±1次谐波，主要是11和13次谐波，其他次数谐波电流幅值随谐波次数的增加而减少，而非特征谐波含量更是很少。照我国电容器的配置情况基本不可能发生因为直流换流站注入谐波电流而引起谐波放大。

高压直流输电工程中换流变压器噪声严重超标，影响环境，必须予以治理。以往的治理方法没有治本，且代价大。换流器产生的谐波和直流偏磁是换流变压器振动加剧的根本原因。新型换流变压器拟利用申请者两个发明专利（申请号：200910043186.8和200910311197.X）的原理，降低换流变压器铁芯与绕组的振动，但需要开展如下前瞻性研究：（1）谐波和直流偏磁引起换流变压器电磁振动加剧的机理；(2)谐波主、漏磁通及谐波电流相互作用形成的复杂电磁力作用于铁心及绕组（振动模态）产生怎样的振动效果；(3)新型换流变压器原理样机试制和实验研究。通过本项目研究，将（1）提出换流变压器器身电磁振动机理的理论；（2）得到考虑谐波和直流偏磁条件下换流变压器器身振动的计算模型；（3）提出通过抑制变压器谐波磁通来抑制换流变压器器身振动的方法；（4）研发380V，100kVA，12脉波低噪声换流变压器原理样机一台。

当交流线路附近存在直流线路时，交流线路通过磁感应和电容耦合，将会在直流线路中产生一个叠加于直流电流之上的稳态工频电流。该电流通过换流器将会在换流变压器的阀侧产生直流偏磁电流，偏磁会导致换流变饱和，引起其损耗和噪声增大，情况严重时会对换流变承受偏磁的能力提出特殊的要求或采取必要的措施减小换流变阀侧直流偏磁电流。相关结论如下：

（1）与直流线路平行架设的交流线路，选择同杆并架导线垂直逆相序排列可减小交流线路输送潮流在直流线路上产生的工频感应电压和电流的幅值。

（2）直流线路上工频感应分量的幅值，与平行架设的交/直流线路的接近距离呈非线性关系，随接近距离的增大而减小；而与平行线段的长度基本呈线性关系，随平行线段长度增加而增大。

（3）流入换流变阀侧各相的直流偏磁电流与直流阀侧工频感应电流的幅值和相角有关，即与平行架设的交流线路送端初相角及线路输送潮流的大小相关，换流器触发角度恒定时，最大直流偏磁电流与直流阀侧工频感应电流峰值的比值约为0.58，但直流系统控制器的调节作用会导致该比值增大。此外，换流站安装的直流滤波器，使得直流线路侧和直流阀侧工频感应电流峰值有较大差别。

（4）交流线路发生接地故障将在平行架设的直流线路上产生比正常运行大很多的工频感应分量，换流变阀侧直流偏磁电流可达上百安培，但故障持续时间较短，不会因换流变短时偏磁电流增大造成换流变过热。

（5）换流变能够承受的最大直流偏磁电流是制约交/直流线路平行架设长度和接近距离的主要因素。

（6）交、直流线路耦合段内交流线路均匀换位和换流站中性母线加装并联工频阻波器是减小换流变阀侧直流偏磁电流的有效措施。

本标准规定了电力变压器智能控制柜内组件对雷电冲击瞬态引起骚扰电压的抗扰度要求、试验方法和推荐的试验等级范围。

本标准适用于220、500kV 电压等级电力变压器的智能组件地电位升高防护性能检测。

本标准不考虑直击雷雷电流的直接注入和直流偏磁引起的变压器地电位升高。 2100433B