1、第46卷第8期2009年8月TRANSFORMERVol46AugustNo82009一種抑制變壓器直流偏磁現象的新方法馮遠程1，吳忠明1，朱旭東2，李克偉3（1.上海市電力公司超高壓輸變電公司，上海200063；2.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海200030；3.江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇鎮江212013）摘要：對造成直流偏磁現象的原理及其對變壓器所造成的影響進行了分析，提出了一種基于構建一個變壓器中性點專用接地網原理的新方法。關鍵詞：變壓器；中性點；直流偏磁中圖分類號：TM406文獻標識碼：B文章編號：10018425（2009）08001705ANewMethodtoRes

2、trainDirectCurrentBiasofTransformerFENGYuan-cheng1,WUZhong-ming1,ZHUXu-dong2,LIKe-wei3（1.ExtraHighVoltagePowerTransmissionCompany,ShanghaiElectricPowerCompany,Shanghai200063,China;2.ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China;3.JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China）Abstract：Theprincipleofdirec

3、tcurrentbiasandtheinfluenceontransformerareana-lyzed.Thenewmethodbasedonbuildingofanexclusiveneutralpointgroundinggridfortransformerispresented.Keywords：Transformer；Neutralpoint；Directcurrentbias1引言隨著經濟的發展，高壓直流（HVDC）輸電系統在我國正得到越來越廣泛的應用。與交流輸電系統相比較，直流輸電有著造價低、損耗小、耐壓高、容量大及可以實現電力系統非同步聯網等特點。為了實現跨區域、遠距離和大容量

4、送電，將有更多超高壓乃至特高壓直流工程建成并投入運行。直流輸電線路的運行方式有單極大地回路運行方式、單極金屬回線運行方式、雙極接線運行方式以及單極雙極線并聯運行方式等。當直流輸電系統采用單極大地回路方式運行時，巨大的直流電流與大地構成回路。部分直流電流流經中性點接地的電力變壓器等設備，在交流系統中形成回路，從而由于直流偏磁效應，造成變壓器鐵心飽和，交流電壓波形嚴重畸變，并產生大量諧波，出現變壓器損耗增多、發熱增加、噪聲增大及振動增強等現象。電力變壓器處于非正常運行狀態中，最終導致了對設備本身以及所在電力系統的干擾。以上海地區為例，目華和銀河兩座220kV變電站毗鄰±500kV葛南（葛

5、洲壩-南橋）直流線路南橋逆變站，距離南橋逆變站接地極僅17.3公里。運行中發現，兩座變電站中，中性點接地的變壓器均出現噪聲異常情況。如果改變運行方式，將原來中性點不接地的變壓器改為中性點接地，原來中性點接地的變壓器改為中性點不接地，結果半個小時后中性點接地的變壓器再次出現異常噪聲，并同時伴隨有明顯溫度升高現象?？梢姡绷鹘拥貥O電流對電網的安全運行產生較大影響。為此，筆者對變壓器直流偏磁原理及其對變壓器的影響進行了分析，并對目前已有的一些防范措施進行了比較，最終提出一種基于構建變壓器中性點專用接地網原理的新方法。經過計算驗證，證明該方法是一項簡單有效的抑制變壓器直流偏磁現象的措施。2變壓器直流偏

6、磁的原理及其影響直流偏磁是變壓器的一種非正常運行狀態，是指在變壓器勵磁電流中出現了直流分量。考慮到渦流損耗及疊片系數等因素，目前變壓18第46卷特性使得直流無法流入。（3）在變壓器中性點串入小阻值電阻，將中性點流入的直流限制在工程上可以接受的程度。上述三種方法各有優缺點：方法（1）中網絡結構很清楚，并且流經中性點的直流電流方向和大小都能準確測量時，是有效果的；但該方法受系統結構影響較大，同時該方法還存在造價高、工程量大及運行維護費用較高等缺點，雖然在工程實際中已有所使用，但不適合大范圍推廣。方法（2）在理論上是可行的，利用電容器“隔直通交”的作用，可以消除流過變壓器中性點的直流電流，同時又不妨

7、礙交流電流的通過。但在實際操作中會發生一些非正常情況，例如系統發生不對稱接地故障，或者變壓器遭受雷擊時，變壓器中性點會流過很大的電流，同時產生暫態過電壓。這就對串入的電容器提出了較高的要求，并需要提供放電間隙與之運行于圖1b中的線性區域。但當勵磁電流中存在直流分量時，直流和交流勵磁磁通相疊加，與直流偏磁方向一致的半個周波的磁通大大增加，另外半個周波的磁通減小，如圖1a中虛線部分所示。與之對應的勵磁電流也產生相應的變化，見圖1c，直流偏磁產生的最大電流是沒有直流分量時的3倍以上。（t）（t）0-（a）t0i（t）相并聯。由于要求較高，該方法目前還停留在理論階段，并未投入實際。方法（3）雖然原理簡

8、單，但實際設計時要注意一些問題：網絡結構改變時要重新計算阻值，并更換電阻；系統發生故障時，變壓器中性點電位升高，會產（b）i（t）t（c）生過電壓，要采取防范措施。綜上所述，目前的三種方案雖然原理可行，但在實際操作中總會遇到一定的問題。為此，筆者提出了一項全新的解決方案：在變電站構建一個區別于主接地網之外的、變壓器中性點專用的、接地電阻較大的接地網。它綜合了上述三種方案的優點，并克服了其缺點，真正做到了取長補短。與傳統方案相比，該方案有以下特點：（1）接地電阻設計較大，有效地將流入中性點的直流電流限制在允許的范圍以內。（2）完全或幾乎與系統結構無關，不受電網結構變化的影響。（3）設計有特殊隔離

9、裝置，正常運行時與主接地網相互獨立，故障時兩接地網合二為一，保證了安全。（4）設計簡單、造價低、工程量少、無需運行維護費用等二次投資。圖1直流電流對變壓器磁通和勵磁電流的影響Fig.1InfluenceofDCtomagneticfluxandexcitingcurrentoftransformer直流偏磁使變壓器成為交流系統中的諧波源，諧波流入系統的后果是系統電壓波形畸變、濾波器過載、繼電保護裝置誤動、合空載長線時產生持續過電壓、單相重合閘過程中潛供電流增加和斷路器恢復電壓增高；直流偏磁還會引起變壓器磁路飽和、勵磁電流增加、變壓器無功損耗增加，使系統無功補償裝置過載或系統電壓下降；變壓器磁飽

10、和的另一個后果是引起噪聲和振動，同時還會增大變壓器有功損耗，有可能使變壓器產生局部過熱并導致損壞?？梢娭绷髌艑﹄姎庠O備本身乃至整個電網的安全運行帶來了嚴重的威脅，需要采取措施來抑制該現象的產生。4變壓器中性點專用接地網該方法的目的在于建立一個與變電站主接地網相獨立的、變壓器中性點專用的、接地電阻較大的接地網，以抑制流入變壓器中性點的直流電流過大所引起的直流偏磁現象，從而避免了變壓器可能出現的噪聲增大、振動增強、過熱、波形畸變以及繼電保護裝置誤動等問題，保證了變壓器的安全和系統的3抑制變壓器直流偏磁現象的對策目前抑制變壓器直流偏磁現象的方法主要有三種：（1）在變壓器中性點產生反方向的直流電流，

11、以抵消或削弱流入變壓器中性點的地中直流。（2）在變壓器中性點串入電容器，利用電容器“隔直通交”的第8期馮遠程、吳忠明、朱旭東等：一種抑制變壓器直流偏磁現象的新方法19可靠運行。該方法的特征在于將變壓器中性點的接地通道與其他一次設備的接地通道相隔離，從而可以針對變壓器中性點接地時可能出現的特殊情況進行特殊設計，并且由于其結構相對獨立，與系統結構無關，所以不用考慮這種特殊設計給其他一次設備所帶來的可能的影響，也不用考慮系統結構改變時對該專用接地網所帶來的沖擊。平面圖隔離裝置透視圖專用接地網特寫4.1專用接地網的構成本方案中的變壓器中性點專用接地網由多組垂Fig.3圖3水平布局方案Horizonta

12、ldistribution直接地極以及一套隔離裝置構成，接線原理如圖2所示。地面變壓器中性點引出線透視圖隔離裝置銅質垂直接地極平面圖專用接地網特寫變壓器中性點專用接地網圖2專用接地網原理接線圖圖4垂直布局方案Fig.4VerticaldistributionFig.2Connectiondiagramofexclusivegroundinggridsystem定，計算公式為：垂直接地極由裸導線或絕緣導線與變壓器中性點相連接；隔離裝置則用于專用接地網與變電站主接地網的連接，以保證在異常狀況下專用接地網能接入到主接地網中。式中dUE專用接地網最大電位峰值Umax（1）4.2專用接地網的原理正常運行

13、時，該變壓器中性點專用接地網與變所在土壤的平均電場強度E根據國家電力行業標準DL/T620-1997交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合的規定，當d的計算值小于3m時，應取值不小于3m。一般認為水平排列時間距10m，垂直排列時間距3m可以達到較好的效果。隔離裝置安裝在地面以上。電站主接地網通過隔離裝置相互獨立，由于專用接地網設計了較大的接地電阻，可以將流入變壓器中性點的直流電流限制在一個較低的水平，從而抑制了直流偏磁現象的產生。當發生故障時，專用接地網與主接地網之間的電位差高于隔離裝置的閾值，隔離裝置即刻導通，從而可以暫時短接這兩個接地系統，確保故障時這兩個接地系統連接成一個整體；而故障恢復后，

14、隔離裝置立即截止，再次將兩個接地網獨立開來。4.4專用接地網的選材目前普遍使用的接地極材料一般為銅導體和鋼導體。本方案中的垂直接地極采用圓柱形銅導體構成。這主要是考慮到銅材的抗腐蝕性比較優異，深埋地下后，無論是自然腐蝕還是電化學腐蝕，都具有極強的保護性，同等條件下，它比鍍鋅鋼材壽命長。垂直接地極的尺寸依賴于專用接地網接地電阻的設計，根據接地極接地電阻計算公式可以計算出垂出接地極的直徑、長度以及數量。式（2）是一種利用平均電位法所得到的單根垂直接地極的簡單接地電阻計算公式。4.3專用接地網的布局專用接地網的布局有兩種：方案一如圖3所示，專用接地網布置于主接地網附近，與主接地網水平排列；方案二如圖

15、4所示，專用接地網深埋于主接地網以下，與主接地網垂直排列。考慮到防止土壤擊穿等因素，這兩種方案中主接地網與專用接地網的間距均需要通過計算來確R=（ln4l-1）2lr（2）20第46卷式中接地極所在土壤的電阻率垂直地極的長度l垂直接地極的半徑r如果要得到更精確的計算結果，需要采用基于通過計算測量，對變壓器中性點專用接地網作如下設計（以目華站為例）。專用接地網接地電阻為0.658。接地極由6根14.2mm、長10m的強防腐蝕鋼包銅接地棒一字排開，間距20m。專用接地網埋深0.8m，采用水平布局，與變電站主接地網間距10m。經過測量，當土壤電阻率為30·m，可不做處理。計算結果表明，該變

16、壓器中性點專用接地網可將流經中性點的直流電流降至0.6472A，可見流經變壓器中性點的直流電流得到了有效地控制。同時考慮過電壓保護問題。若專用接地網流過的最大短路電流為50kA，則接地網的最大電位為：有限元方法的模擬電流法和鏡像法利用相應專業軟件進行處理，在此不再贅述。專用接地網的接地電阻應設計為主接地網的5倍10倍。為了獲得合適的接地電阻阻值，需要調整接地極周圍土壤的電阻率。例如當變電站地處沿海地區、沖積平原等地理位置時，由于土壤電阻率過低，需要采取換土的方法或在周圍土壤添加增阻劑；而變電站地處山區高原、砂質或多石土壤時，有時由于電阻率過高，也需要采取換土或添加降阻劑的方法來取得合適的接地電

17、阻。專用接地網與主接地網之間的隔離裝置可選用避雷器。為了增加其可靠性，隔離裝置可采用兩臺避雷器并聯而成，避雷器的動作閾值應綜合考慮專用接地網最大電壓峰值與變壓器中性點額定短路工頻耐受電壓，通過計算來確定。專用接地網中的各種連線可選用150mm的銅鉸線構成。Ue=IR=50×0.658=32.9kV接地網最大電位峰值為：Uemax=32.9×姨=46.52kV遠小于變壓器中性點額定短路工頻耐受電壓185kV。土壤電場強度為300kV/m，假設最大電位峰值全部作用于專用接地網與主接地網之間，為防止兩個接地網之間的土壤被擊穿，則兩個接地網的間距應為：5計算驗證上海地區的目華和銀河

18、兩座220kV變電站的特殊情況引起了運行人員的注意。對兩座變電站中性點接地變壓器的相關數據在不同運行工況下輸送不同功率時分別進行計算和測量，得到如表1所示數據。表1測量數據SUemax=46.52=0.155m而本專用接地網設計時，兩個接地網間距10m，完全達到要求。為防止諸如土壤變質，或原先加入的降阻劑由于雨水沖刷而流失等因素可能造成的專用接地網接地阻值增大，進而造成故障時變壓器中性點產生過Table1Testdata直流接地極電流/A目華站1號主變銀河站2號主變電壓，隔離裝置的動作閾值設計為接地網最大電位峰值的1.5倍，為70kV，超過此值時隔離裝置動作，專用接地網與變電站主接地網瞬間相連

19、，同時提醒相關人員進行檢修。噪聲正常正常噪聲正常正常259-341153625590dB正常94dB正常6結束語直流輸電系統采用單極大地回路方式運行時，部分入地電流可能會流入毗鄰的中性點接地的變壓器中，形成直流偏磁，從而對變壓器本身乃至整個系統運行帶來諸多不利影響。本文中筆者提出的建立一個變壓器中性點專用接地網以應對上述現象的新技術，經過計算驗證，該方法是一項簡單并且有效的應對措施。（下轉第29頁）注：“-”表示反向電流經過反復對比研究，目華和銀河兩座變電站擬采用構建變壓器中性點專用接地網的方法來解決上述問題。第8期李榮華：110kV變壓器中性點過電壓保護的完善29（1）MOA在限制外過電壓方

20、面有優勢，但對某些操作過電壓(例如系統非全相運行引起的工頻過電壓等)的防護能力是有限的。棒間隙雖然放電分散性較大，但在變壓器中性點過電壓保護上，尤其是限制內部過電壓是很有效的。因此，在選擇變壓器中性點過電壓保護方式時，要充分考慮可能出現的各種形式的過電壓及保護裝置的承受能力。（2）變壓器單相接地故障轉變為孤立絕緣系統及非全相運行所產生的工頻過電壓危及變壓器中性點絕緣時，須采用棒間隙保護。一方面保護了中性點絕緣；另一方面在變壓器因接地故障轉變成孤立絕緣系統時棒間隙動作，改變了孤立系統的運行方式，避免了由于異常運行方式而引起的線端設備損壞及磁飽和過電壓的發生。（3）110kV分級絕緣變壓器，中性點

21、絕緣水平為44kV等級的，其中性點可采用120mm左右的棒間隙進行保護。收稿日期：2008-03-13（4）棒間隙結構簡單可靠、運行維護量小，在雷電、操作和工頻過電壓下都可對變壓器進行有效保護。但間隙參數確定較困難，放電分散性大，有工頻續流，滅弧能力差，須依靠繼電保護切除故障；另外間隙放電產生的截波對中性點的絕緣也有一定的威脅，在使用時要予以注意。參考文獻：12345王金平，張學鵬，鞏學海.分級絕緣的變壓器保護問題J.高電壓技術，1992，(4)：38-43.解廣潤.電力系統過電壓M.北京：水利電力出版社，1985.DL/T620-1997,交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合S.章叔昌.變壓器

22、中性點保護間隙及MOA的參數選擇J.江西電力，2005，29(2)：15-18.秦家遠，阮江軍.變壓器中性點過電壓保護綜述J.華中電力，2006，19(1)：17-20.作者簡介：李榮華（1970-），男，湖南永州人，湖南理工學院副教授，主要研究方向為過電壓與絕緣配合。!（上接第20頁）參考文獻：12345678強.直流輸電系統接地極電流對交流電網的影響分析J.電網技術，2005，29（3）：9-14.沈陽變壓器研究所.變壓器鐵心制造M.北京：機械工業出版社，1983.胡勁松.高壓直流換流站的關鍵建站條件J.中國電力，直流的應用分析J.華東電力，2005，33（6）：44-46.9趙杰，黎小林，呂金壯，等.抑制變壓器