变压器直流偏磁抑制方法的应用分析

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直流偏磁对变压器的影响及抑制措施

19dB[5]。
直流偏磁引起的高振动给变压器本身带来的问题比噪声更加严重，可能会导致变压器内外相关部件松动。例如，轴向压板、压钉、拉板以及地脚螺丝等。绕组绝缘的磨损，从长期来看，对变压器绝缘和抗短路冲击能力会有较大损害。
（2）谐波增大。当铁心工作在饱和区时，漏磁通会增加，在一定程度上使电压波峰变平，谐波电压和电压总谐波畸变率增大。此时，变压器成了交流系统中的谐波源，从而带来一系列问题。如系统电压波形畸变、滤波器过载、继电保护误动、合空载长线时产生持续过电压、单相重合闸过程中潜供电流增加及断路器恢复电压增高等。
4.4反向注入抑制
反向注入抑制是在变压器中性点注入一个反向直流电流来抵消原来的偏磁电流，其原理如图5
所示。在变电站外补偿接地极与变压器中性点之间注入直流电流，该电流部分经由变压器绕组和电网再回到补偿接地极。通过控制直流发生装置输出直流电流的方向和大小，就可以达到抵消变压器中性点原有直流电流的目的。反向注入抑制不影响运行系统的参数，但技术要求较高，比较复杂。
可以产生2 000MJ的热量。因此，串联的电阻具有低阻值、大容量的特点，一般为几个欧姆。同时，变压
器中性点的绝缘水平也需进行论证核算。从图3可
图2直流电流对变压器励磁电流的影响变电站A变电站B变压器及输电线路等效直流电阻中性串接电阻器
A站地网接地电阻B站地网站间大地等接地电阻效直流电阻
A站、B站之间直流电位差
太阳耀斑活动导致地磁暴时，太阳风和射线流袭击地球，使地磁场的水平和垂直分量发生变化，在地球表面诱发电位梯度。当其作用于中性点接地变压器时，就会产生地磁感应电流，其频率在0.001Hz～0.01Hz之间，典型幅值为10A～15A，有的可达到200A[4]。
由直流输电和地磁暴产生的直流电流，当其通过变压器中性点接地点及输电线路组成的通路流经两侧绕组时，在变压器铁心内部产生一定的直流磁通，使得磁通在正、负半周明显不对称，发生偏移，从而产生直流偏磁。当变压器绕组无直流分量，励磁电流i（t）工作在铁心磁化曲线"（t）的线性段时，铁心中的磁通为正弦波，励磁电流也是正弦波（如图2中实线所示）。当发生直流偏磁时，励磁电流工作在铁

抑制变压器直流偏磁风险的新构思

抑制变压器直流偏磁风险的新构思摘要：变压器直流偏磁的抑制措施是治理直流输电对交流电网不利影响的重要手段。

本文从分析现有的常规抑制方法出发，从均衡地表电位的角度提出抑制变压器直流偏磁风险的新构思。

采用分布式接地极可以在一定的程度上均衡地表电位从而缓解直流偏磁危害。

关键词：直流输电；直流偏磁；抑制措施；分布式接地极；均衡地表电位1 前言在我国直流输电工业蓬勃发展的今天，直流输电在非正常工况下的高幅值入地电流给交流电网内变压器带来了严重的直流偏磁危害，造成变压器谐波、振动、噪声和过热等问题，对变压器本体、继电保护设备和无功电容器造成严重的影响[1-2]。

入地直流电流引发变压器直流偏磁危害，故目前研究偏重于直流分布机理模型与仿真分析，研究结论认为过高的大地电阻率和庞大的交流电网是变压器直流偏磁危害的成因[3]。

采用抑制是治理变压器直流偏磁危害的最有效途径。

目前以变压器中性点串联电阻[4]/电容[5]方法、变电站接地网注入直流电流[6]等方法最为常见。

这些治理方法在取得良好应用效果的同时，也存在对交流电网内其他变电站的不利影响：如某一站点采用抑制措施后，与之有线路连接的变电站可能会出现变压器中性点直流电流增大的现象[7]。

尽管如此，交流电网总体的直流电流分布在采用抑制措施后仍显现总体下降趋势。

目前抑制措施仍然存在一定的局限性：变压器中性点串联抑制设备是单体方法，一台变压器需要对应一套设备，变压器中性点串联设备的制造和维护的成本巨大。

同样地，电流注入法是电位补偿方法，虽然一个变电站对应一套电流注入设备，但是其制造和维护的投资也是十分巨大的。

本文先对直流偏磁的常规抑制手段作补充分析，进而从直流极和变压器直流磁动势的角度探讨抑制变压器直流偏磁风险的新构思。

2 常规抑制措施的补充除去变压器中性点电阻/电容法、电流注入法外，其他的常规抑制方法主要有：变压器经小地网接地[9]2.1 变压器经小地网接地变压器经小地网接地方法的原理图如图3所示。

单相变压器直流偏磁及抑制措施分析

关键词：直流偏磁；统一磁耦合电路模型；变压器
ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＤＣＢｉａｓａｎｄＳｕｐｐｒｅｓｓｉｎｇＭｅａｓｕｒｅｏｆＳｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ
ＺｈａｎｇＳｈｉｈｅｉＳｕＳｈｕａｉ２ＬｉｕＱｉｎｇ２（１．ＪｉａｎｇｓｕＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＭａｉｎｔｅｎａｎｃｅＢｒａｎｃｈＣｏｍｐａｎｙ，Ｎｉａｎｊｉｎｇ２１００１９；
ｗｈｉｃｈｌｅａｄｓｔｏｔｈｅｃｏｒｅｈｅａｔｅｄ，ｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｐｐｅａｒｓｉｎｔｈｅｊｕｎｃｔｉｏｎｏｆｙｏｋｅａｎｄｃｏｒｅ．Ｔｈｅ
ｓｅｌｆ－ｅｘｃｉｔｅｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄａｐｐｌｉｅｄＤＣｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｍｅｔｈｏｄｈａｖｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｅｆｆｅｃｔｔｏｓｕｐｐｒｅｓｓＤＣｂｉａｓｏｆｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＤＣｂｉａｓ；ｕｎｉｆｉｅｄｍａｇｎｅｔｉｃｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｍｏｄｅｌ；ｔｒａｎｓｆｏｌｒｍｅｒ
直流偏磁是变压器由于某种原因受到直流入侵而引起其磁通偏向时间轴一侧。引起变压器直流偏磁主要的原因有：太阳活动引起的地磁暴以及ＨＶＤＣ单极运行方式【１＿２］。这两种情况下，在两台接地变压器中性点之问会出现电位差，引起变压器直
研究与开发
单相变压器直流偏磁及抑制措施分析
张师赫苏帅２刘青２

SPWM全桥逆变器输出变压器直流偏磁的抑制

SPWM全桥逆变器输出变压器直流偏磁的抑制相对半桥逆变器而言，SPWM全桥逆变器的开关电流减小了一半，因而在大功率场合得到了广泛应用。

在SPWM全桥逆变器中，为实现输入输出之间的电气隔离和得到合适的输出电压幅值，一般在输出端接有交流变压器。

在SPWM控制的全桥逆变器中，因各种不可预见的因素，会导致输出变压器存在直流分量，引起单向偏磁现象。

偏磁可以说是SPWM全桥逆变器中的一种通病，只是在不同的场合严重程度不同而已。

变压器的偏磁，轻则会使变压器和功率半导体模块的功耗增加，温升加剧，变压器机械噪音大（变换器开关频率或调制频率在音频范围内时），严重时还会损坏功率模块，直接威胁到系统的正常运行。

为了防止或减少变压器中的直流分量，本文以逆变桥各桥臂与中点直流电压及变压器原边的直流电流作为反馈量来抑制直流偏磁。

采用这种方法设计的电路，经在1 0kHz/15kW的全桥逆变电源中应用，证明该电路有效、实用。

高频变压器偏磁机理偏磁是指加在变压器两端的正反向脉冲电压的伏秒乘积不等，从而造成变压器磁芯的磁滞工作回线偏离坐标原点的现象。

工作时变压器的磁感应强度可表示为：励磁电流Iμ的变化率为：式中，U1为变压器初级电压；Ae为铁心截面积；N1为初级绕组匝数；L0为变压器铁芯磁路长度；μ0为空气磁导率；μr为变压器铁心相对磁导率。

在SPWM全桥逆变器中，由式(1)可知，若输出变压器初级电压正负半周波对称，则正负半周波伏秒积相等，其正反向最大工作磁感应强度Bmax也相等，铁芯磁工作点沿着磁滞回线以中心对称地往复运动。

由图1所示的变压器磁芯磁化曲线可见，此时没有偏磁存在。

反之,若输出变压器初级电压正负半周波不对称，正负半周波伏秒积不相等，则正负半波磁感应强度幅值也不同，磁工作区域将偏向第一或第三象限，即形成直流偏磁。

从而导致变压器铁芯饱和，偏磁的持续积累最终会使铁芯进入深度饱和，磁工作点进入非线性区，铁心相对磁导率?滋r迅速减少。

直流偏磁对电力变压器的影响及其抑制方法

直流偏磁对电力变压器的影响及其抑制方法由于“西电东送”的需要、工业和城市的发展，高压直流换流站、金属冶炼厂和轨道交通系统逐渐增多，导致直流偏磁与变压器振动等问题日趋严重。

系统分析了直流偏磁产生的原因，直流偏磁对电力变压器的影响，以及直流偏磁的抑制方法。

标签：直流偏磁；电力变压器；高压直流输电0 引言直流偏磁是指直流电流注入变压器绕组中，导致变压器磁通中产生直流分量而导致的一系列电磁效应。

近年来，随着高压直流换流站、金属冶炼厂和轨道交通系统逐渐增多，直流偏磁导致的变压器振动等现象逐渐增加且日趋严重。

1 直流偏磁产生原因1.1 地磁暴当太阳发生耀斑等剧烈活动时，太阳产生高温等离子体高速向地球运动，导致地磁场发生剧烈变化，使大地表面产生低频（0.001～1Hz）感应电动势（ESP），处于不同电位梯度的接地变压器通过输电线和大地形成回路，回路中流过感应电流（GIC），由于感应电流频率较低，相对于工频来说接近于直流，因此可使变压器产生直流偏磁现象。

1.2 高压直流输电高压直流输电（HVDC）系统由于具有造价低、损耗小、稳定性高等优点，在远距离、大功率输电中得到越来越广泛的应用。

当系统以单极大地回线方式或双极不平衡方式运行时，可能高达上千安的直流电流将通过换流站接地极流入大地，直流电流回路上的大地将产生电位梯度。

如果两个变电站均有变压器中性点接地并且其直流地电位有差异，直流电流将以变压器、大地和输电线为回路，从电位高的变压器中性点流出，从电位低的变压器中性点流进。

1.3 直流杂散电流杂散电流是指在设计或规定回路以外流动的电流。

直流杂散电流主要来源于轨道交通等直流电气化铁路、冶炼厂等直流电解系统和直流电焊系統等直流负荷。

直流杂散电流的流动导致回路上的大地产生电位梯度，不同电位梯度上的接地变压器中性点将流过直流电流。

2 直流偏磁对变压器的影响2.1 振动和噪音加剧当变压器中性点流入或流出直流电流时，直流电流将在铁芯中产生直流磁通，直流磁通与交流磁通叠加，使得一个半周的磁通大大增加，铁芯饱和，而另外一个半周磁通减小。

变压器直流偏磁抑制技术

直流偏磁现象的原因分析
地磁干扰：地磁场的变化可能在变压器中产生感应电流，导致直流偏磁现象。
变压器内部故障：如绕组匝间短路等故障，也可能导致变压器出现直流偏磁现象。
附近直流电源的影响：当变压器附近存在直流电源时，可能通过电磁感应等途径导致变压器直流偏磁。
以上内容详细描述了变压器的直流偏磁现象及其产生的原因和影响。在实际运行中，需要采取相应的抑制技术来减轻或消除直流偏磁对变压器的不良影响，确保变压器的安全稳定运行。
在变压器附近设置感应线圈，通过调节感应线圈中的电流，产生与偏磁相反方向的磁场，实现主动抑制。
VS
励磁电流调控法
通过实时监测变压器的直流偏磁情况，反馈调节变压器的励磁电流，以主动抵消偏磁效应。
主动抑制技术的控制方法
闭环控制：采用传感器实时监测变压器的直流偏磁情况，通过闭环控制系统调节主动抑制装置的参数，实现精确抑制
对比结果
主动抑制技术在抑制效果和可靠性方面优于被动抑制技术，但成本较高；被动抑制技术成本较低，但抑制效果和可靠性相对较差。因此，在选择抑制技术时需要根据实际情况进行权衡。
06
直流偏磁抑制技术的发展趋势与挑战
Chapter
直流偏磁抑制技术的发展方向
混合型抑制技术
结合多种抑制技术的优点，开发混合型直流偏磁抑制技术，以提高抑制效果。
智能化抑制技术
引入人工智能、机器学习等技术，实现直流偏磁抑制的智能化和自适应化。
新材料应用
探索新型导磁材料，以降低变压器的直流偏磁敏感性，提高抗偏磁能力。
未来面临的技术挑战与问题
抑制效果与成本平衡
在提高抑制效果的同时，需要控制成本，实现技术与经济的双赢。
多场景适应性

直流偏磁抑制装置在220kV变压器中的应用

直流偏磁抑制装置在220kV变压器中的应用根据磁链守恒原律，采取磁势等效法将串联绕组的电流等效为全绕组电流，解决了220kV变压器在采用隔直设备后直流电流由交流系统流入串联绕组的风险评估问题，拓展了《高压直流接地极技术导则》对直流偏磁影响的评估范围，保障了220kV变压器的安全运行。

标签：接地极；直流偏磁；直流偏磁抑制装置；安全0 前言±800kV哈密-郑州特高压直流工程（下简称天中直流），是国家实施“疆电外送”战略的第一条特高压直流输电工程输电线路，起点在新疆哈密南部能源基地，输电线路全长2210公里，输电能力将达800万千瓦，成为连接西部边疆与中原地区的“电力丝绸之路”，承担着新疆火电、风电打捆外送的重要任务，具有远距离、大容量、低损耗、环保、节约土地资源等优点，有利于促进新疆能源基地的开发利用，实现大煤电的集约化开发，提高能源资源的开发和利用效益，缓解中东部地区的缺电局面。

1 直流偏磁的处理措施根据“新电办会（2014）111号文件-国网新疆电力公司直流偏磁治理措施讨论会会议纪要”内容，“220千伏能节烟墩北、山北变及天光电厂需对中性点接地进行隔直处理，即加装变压器中性点隔直装置”。

设备选型为安徽正广电电力技术有限公司生产的KLMZ型变压器中性点直流偏磁监测及隔离接地装置，该装置是安徽正广电与新疆电科院共同研制的产品，通过了西高所型式试验，获得型式实验报告。

通过高精度的16bit直流电流采样技术，配合一阶滞后滤波法和加权滑动平均滤波法来处理采样信号，提高了小电流测量精度；通过隔直电容器并联氧化锌阀片和高速旁路开关，一方面实现了对变压器中性点直流电流的隔离，另一方面在系统发生不对称短路时，触发氧化锌导通以限制电容两端的电压，并在短路电流的第一个过零点时刻，通过高速旁路开关相控合闸将短路电流分流到开关里，实现了对隔直电容器和氧化锌的保护。

2 改造方案下图安徽正广电生产的KLMZ型隔直装置的一次原理图。

变压器直流偏磁抑制技术

并联电阻
通过在变压器励磁支路中并联电阻来消耗直流电流分量，从而抑制直流偏磁。
磁通补偿
通过在变压器铁芯中加入额外的磁通补偿线圈，以产生与直流磁通相反的磁通，从而抵消直流偏磁。
磁性材料法
磁性材料屏蔽
利用高导磁率的磁性材料制成屏蔽层，将变压器铁芯包裹在内，以减小直流磁通对铁芯的影响。
磁性材料补偿
优化建议二
采用磁屏蔽技术。在变压器周围设置磁屏蔽，可以防止直流偏磁对变压器的影响。
优化建议三
采用电流补偿技术。通过在变压器励磁电流中加入补偿电流，可以抵消直流偏磁引起的电流变化，从而降低变压器损耗。
05
结论与展望
Chapter
研究结论
变压器直流偏磁抑制技术可以有效防止变压器发生直流偏磁现象，提高电力系统的稳定性。
利用高导磁率的磁性材料制成补偿线圈，连接在变压器励磁支路中，以产生与直流磁通相反的磁通，从而抵消直流偏磁。
机械法
机械调整
通过调整变压器的机械结构，改变铁芯的静态和动态磁路，从而减小直流磁通对铁芯的影响。
机械振动
通过在变压器铁芯上施加机械振动，使铁芯在振动过程中产生动态偏移，从而减小直流磁通对铁芯的影响。
变压器直流偏磁抑制技术
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目录
• 变压器直流偏磁概述 • 变压器直流偏磁抑制技术的基本原理 • 变压器直流偏磁抑制技术的实现方法 • 变压器直流偏磁抑制技术的效果评估与优化建
议 • 结论与展望
01
变压器直流偏磁概述
Chapter
变压器直流偏磁的定义
变压器直流偏磁是指变压器原边或副边绕组中感应出直流电流的现象。
变压器直流偏磁抑制技术的原理

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将揭示上述抑制方法的工作原理、实施方式、性能和
０引言
直流输电因为输送距离长、输送容量大、损耗小、便于异步联网等优点在我国得到了越来越多的应用ｌ】＿２１。直流输电在调试或故障情况下可能会有大
中图分类号：ＴＭ４０６
文献标志码：Ａ
文章编号：１６７３ — ７５９８（２０１３）０６ — ００３１ — ０４
ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒＤＣＢｉａｓＲｅｓｔｒａｉｎｉｎｇＭｅｔｈｏｄｓ
ＨＡＯＧｕｉ－ｑｉｎ
（ＦｏｓｈａｎＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｆｏｓｈａｎ５２８２００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＦｏｒｔｒａｎｓｆｏｎｎｅｒｓｉｎＡＣｐｏｗｅｒｇｒｉｄ，ＤＣｂｉａｓｉｓｃａｕｓｅｄｂｙｅａｒｔｈ — ｒｅｔｕｒｎｃｕｒｒｅｎｔｏｆＨＶＤＣｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｓｔｒａｉｎ
效果，从而为更好地开展直分布算例
网技术
量电流通过直流接地极流人大地，可能导致交流电网内变压器直流偏磁危害，给电网的安全运行造成
ｔｈｅａｄｖｅｒｓｅｅｆｆｅｃｔｏｆＤＣｂｉａｓ，ｐｒｏｐｅｒｍｅａｓｕｒｅｓｍｕｓｔｂｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆＡＣｐｏｗｅｒｇｒｉｄ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｏｆｏｒｄｉｎａｒｙｍｉｔｉｇａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆＤＣｂｉａｓ，ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｅｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｒｅｖｅａｌｅｄ．ＴｈｏｕｇｈｌｏｃａｌＤＣｃｕｒｒｅｎｔｏｆＡＣｐｏｗｅｒｇｒｉｄｒｉｓｅｓ，ｔｈｅｔｏｔａｌＤＣｃｕｒｒｅｎｔｉｎＡＣｐｏｗｅｒｇｒｉｄｄｅｃｒｅａｓｅｓａｆｔｅｒｍｉｔｉｇａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｐｐｌｉｅｄ．Ｆｏｒｆｕｔｈｒｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｎｅｕｔｒａｌ－ｓｅｒｉｅｓｒｅｓｉｓｔｏｒ／ｃａｐａｃｉｔ０ｒｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｈａｓｂｅｅｎｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＨＶＤＣｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ＤＣｂｉａｓ；ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ；ｎｅｕｔｒａｌ — ｓｅｒｉｅｓｒｅｓｉｓｔｏｒ／ｃａｐａｃｉｔｏｒｍｅｔｈｏｄ
３１
变压器直流偏磁抑制方法的应用分析
郝桂芹
（佛山电力设计院有限公司，广东佛山
摘
５２８２００）
要：直流输电的入地电流可能导致交流电网内变压器的直流偏磁危害，因此采用合理有效抑制措施是保证
交流电网安全运行的关键。对一随机生成的虚拟电网的直流偏磁抑制措施进行理论分析和数值求解，对中性点串联电阻／电容法的工作原理、实施方式、性能效果进行分析。对比２种方法的实现方式和技术参数，证明了采用
抑制措施后，交流电网局部直流偏磁危害加剧，但电网直流电流总量下降，总体上直流偏磁风险下降。为了更有
效地开展直流偏磁治理工作，提出了现代大型交流电网大范围采用中性点串联电阻／电容法抑制直流偏磁的实
施原则。关键词：直流输电；变压器；直流偏磁；抑制措施；中性点串联电阻／电容