广东国华台山电厂主变压器直流偏磁抑制方法
广东国华台山电厂主变压器直流偏磁抑制方法的探讨
一 概述
神华广东国华粤电台山发电有限公司（以下简称国华台电）成立于2001年3月28日，地处广东省西南沿海台山市铜鼓湾，厂区三面环山，南面临海。工程分两期建设，一期工程5台机组总容量为3000mw（5×600mw），二期工程4台机组总容量为4000mw（4×1000mw）。台电1、2号机组由220kv上网，通过4条220kv线路与广东江门电网片的唐美、水口、能达220kv变电站连接，3～5号机组由500kv上网，通过2条500kv线路与广东电网500kv香山站连接.
国华台电一期工程的投产，大大缓解了广东电网严重缺电局面.然而，主变压器自投运以来，经常出现噪声增大事件，基本上与南方电网直流输电单极大地回路运行有关。据不完全统计，自2005年7月至2009年4月之间就发生的变压器直流偏磁事件137起，其中变压器中性线直流偏磁电流超过26a的有47起，单台变压器最大中性点电流达58a。
二 直流偏磁对变压器影响
直流输电线路，具有双极运行、单级大地回路、单极金属回路几种运行方式。单极大地运行方式是直流输电的运行方式之一，在这种运行方式下，直流接地极作为直流工作电流的返回通道，是直流输电系统的重要组成部分。在双极不对称运行的情况下，则与不对称程度有关，与单极大地回路方式下的情况相近。直流输电系统
单极金属回路或双极平衡方式运行时，对交流系统中接地运行的变压器基本上没有影响。直流输电在单极大地方式或双极严重不平衡方式运行时对交流系统中性点接地运行的变压器产生影响，根据直流输电的输送功率、变压器与直流输电系统接地极的地理距离远近而影响程度有所不同；直流输电单极大地方式运行时会引起流经接地运行的主变压器中性线的直流分量大幅增加、变压器的运行噪声异常增大。
当直流接地极电流引起变压器接地网地电位升高时，若两个变电站接地网之间存在电位差，直流接地极电流将有一部分流经变压器中性线、变压器绕组及输电线路。由于直流电流流经变压器绕组，当变压器励磁电流中的直流部分使磁化强度达到磁化曲线拐点以上时，变压器铁心将处于饱和状态；同时由于直流偏磁的存在，励磁电流增大，波形发生严重畸变。过大的直流偏磁使变压器铁心饱和趋于严重，导致漏磁通增加，振动加剧，噪声增大。
三 台电直流偏磁的监测
《高压直流输电大地返回运行系统设计技术规定》中规定不影响变压器正常工作的直流电流控制指标，通过三相五柱式变压器绕组中的直流电流应不大于额定电流的0.5％。按此计算，国华台电220kv主变压器中性线允许的电流值为26a，500kv主变压器中性线允许的电流值为12a。针对国华台电主变压器受直流输电影响问题，当务之急是对直流分量超过设计值的情况下采取有效的监测控制措施，以确保变压器的安全。
国华台电在主变压器中性线铜排上安装穿心式霍尔元件（以下简称ct），将220v交流电源整流成24v直流后通入ct，其输出为4－20ma直流信号，在主变压器中性点支柱上安装了交流电源及ct输出端子转接盒，将直流信号直接引至主控室测控单元和ncs系统。监视画面显示变压器中性线直流电流实时数值，设置变压器中性线直流电流越限报警功能，并作为遥测量发送至省调。
通过在主变压器中性线安装直流电流监测装置，对变压器中性线直流电流进行实时、准确、有效的监测，当发生直流偏磁时，及时采取相应措施，比如:降低发电机有功、机端电压、合上另一台220kv主变压器中性点地刀等，进一步提高变压器安全运行的可靠性。
四 抑制直流偏磁方法的比较
在限制变压器中性线直流电流方法和工程应用研究方面国内近几年取得一定进展，包括广东春城变电站使用的小电阻限流装置、清远潖江变电站安装的电容隔直装置、惠州义和变电站投入运行的中性线注入反向直流装置，以及《台山电厂中性线直流偏磁对主变压器影响研究报告》提出的电位补偿原理性装置。下面针对上述限制变压器中性线电流方法在台山电厂的应用的可能性及其效果进行比较，为台电选择消减主变中性线直流电流技改工程做铺垫。
1. 小电阻限流法
该方法是在变压器中性线串接一个小阻值的电阻，增加直流通路的阻力，抑制直流电流。结合研究报告中的计算结果（表1）可
以看出，小电阻对抑制台山电厂2号主变中性点直流电流效果显著：1ω小电阻便使中性点电流下降60%多，2ω小电阻就可以将中性点电流限制在安全电流26安培（按每相电流8.6安培计）以下，随着电阻值的增加，电流衰减速度逐渐减慢。2号主变中性线接小电阻使3、4、5号变压器中性线电流上升至接近20安培，超出了安全允许的最大偏磁电流，也须同时采取限制措施。
变压器 中性点直流电流(a) (小电阻 r= ω)
0ω 1ω 2ω 4ω 8ω
2号主变 57.67 15.9 9.29 5.1 2.6
3号主变 11.5 17.7 18.7 19.3 19.7
4号主变 11.5 17.7 18.6 19.3 19.7
5号主变 11.4 17.5 18.7 19.1 19.8
表1台电2号变中性点接小电阻效果
春城变220kv变压器中性线串联一个小电阻来抑制中性线的直流电流。与电阻并联一个金属间隙，用于释放当电网出现三相不平衡故障时零序大电流在小电阻上产生的高压。此装置是清华大学与广东南方电网联合研制（图1），装置除小电阻和保护间隙外，没有其它安全技术措施。无任何控制、监视手段。
图1春城站主变中性点加入的小电阻
由于间隙放电受环境因素的影响比较大，放电误差也比较大，很难保证其动作的可靠性。对变压器的安全运行可能造成一定的风险。本方法对小电阻阻值的选取比较复杂，阻值的选取跟地下分布
电阻及线路阻抗有关，当电阻的阻值较小时不能有效的抑制直流电流，当电阻选取较大时变压器中性点不能可靠接地，对继电保护的动作行为可能造成影响。而且当电网运行方式改变时隔直电阻需要根据运行方式调整。
2. 电容隔直法
电容隔直法是在变压器中性线串接一个电容器，直接阻断变压器的直流通路，从而彻底消除了变压器的直流偏磁。结合研究报告中的计算结果（表2）可以看出，用电容器阻断变压器中性线直流电流的效果是显而易见的，如果对2号主变实施电容隔直，3、4、5号变压器的中性点电流值会从原先的11.5安培下降到9a左右，没有超过安全电流限值。
变压器 配置隔直电容后的中性点电流（a）
未装设 2号主变 全厂配置
2号主变 57.7 0 0
3号主变 11.5 9.1 0
4号主变 11.5 9.1 0
5号主变 11.5 9.1 0
表2电容隔直效果
潖江变电站采用电容法隔直技术方案（中国电力科学研究院研制，图2），利用电容器隔直通交的技术特点，在变压器中性线串联一个电容器可完全抑制变压器中性线的直流电流。当电容器的容量足够大时(即交流容抗足够小时)，对于保护及安全自动装置的动作
行为不产生影响。
图2 潖江站主变中性点加入的电容隔直装置
潖江变隔直装置的隔直电容器为3000uf/4000v，对于50hz的交流容抗为1.2ω。与隔直电容并联一个状态转换开关，用于实现变压器中性点的直接接地或经电容器接地的状态转换。与隔直电容同时并联的还有一套晶闸管过电压快速旁路系统，当电容两端电压超过800v时可以在10us内快速将电容器旁路掉，实现变压器中性点的直接接地。另外隔直装置还配备有一套远程监控终端(计算机)通过光纤与装置通讯，实现远行人员对装置的控制、监视。
据调研，潖江变隔直装置实施之前，广东电网公司委托华中理工大学进行了电容器隔直对继电保护影响情况的计算，结论是不会对继电保护的动作行为造成影响，所有继电保护装置的定值不需要重新整定。电容隔直装置自2007年11月1日正式投入运行以来一直处于电容隔直运行方式。在11月26日有一条220kv线路发生了c相接地故障，隔直装置迅速转换为直接接地，线路继电保护装置正确动作。清远供电局对该产品反映较好。改方法对于国华台电是比较理想的选择，但是技改之前，需要进一步计算电容的大小以及对电网的影响。
3. 变压器中性线注入反向电流法
中性线注入反向直流电流方法无须改变变压器中性线接线，借助有源注入直流电流直接抵消大地电流窜入变压器中性线的直流
电流，抑制变压器直流偏磁。
反向直流电流注入装置需要在电厂外择址另建辅助接地极，为中性线注入电流提供回路。注入电流中的一部分电流直接流入电厂内地网，另一部分电流（通常是小部分）流入变压器中性线，抵消直流输电地中电流产生的中性线电流，并经交流电网其他接地变压器中性点流回大地，与前一部分直接入地的电流汇合，从辅助接地极流回，形成回路。如果把辅助接地极设想成位于无穷远处的理想接地极，则可以把中性点注入电流看成是从无穷远处送电的另外一条小容量直流输电线路的异极性单极大地运行方式。
结合研究报告中的计算结果（表3）可以看出，变压器中性线注入100a时3、4、5号变中性点电流得到有效抑制，但2号变中性点电流仍超过30a；注入200a时2号变中性点电流抑制到6a，但3、4、5号变中性点电流已经反向，说明注入反向电流难以同时良好抑制2号变与3、4、5号变的中性点电流。
变压器 地网注入反向电流（a）
0 100 200
2号主变 57.7 32.1 6.5
3号主变 11.5 0.8 -9.9
4号主变 11.5 0.8 -9.8
5号主变 11.5 0.8 -9.8
表3注入反向电流效果
义和变反向注入反向电流方案（广东省电科院研制产品，图3），
在变压器中性点注入反向直流电流，抵消变压器中性点由于直流单极输电造成的直流电流，消除直流偏磁。该方法不改动变压器的原有接线，运行起来较安全。
图3 义和站主变中性点加入的直流注入装置
其缺点是需要在变压器周围敷设反向注入接地极，土建工程较大。而且反向注入的电流效率很低，只有20％左右的注入电流流入变压器中性点，抵消变压器中性点的直流，其它80％的注入电流不知去向，有可能对周围其它设备造成新的直流“污染”。此外装置电流源容量大，注入地网的电流增加了电厂地网的负担，不适合国华台电使用。
4. 电位补偿方法
变压器中性点直流电流影响及抑制措施
变压器中性点直流电流影响及抑制措施
陈贤
（广东惠州天然气发电有限公司，广东惠州516082）
摘要：本文主要针对变压器中性点中直流电流的影响作出研究与分析，并介绍了几种抑制措施。
关键词：变压器；中性点；直流电流；影响；措施
前言：随着我国电力行业的迅速发展，大容量、长距离的高
压直流输电成为解决现代电力需求矛盾的主要办法。在直流电
双极不平衡方式或者单级大地回路方式运行时，大地中流过的
巨大直流电流会对附近的交流系统产生影响,特别是会对接地
极附近中性点直接接地变压器产生比较严重的直流偏磁,这不
仅增加了变压器的无功消耗,影响变压器的正常运行,引起继电
保护误动,而且引起的谐波大幅升高也会对其他电气设备产生
较大影响,从而直接影响到变电站、发电厂的安全运行[1]。因此,
由直流电流引起的变压器直流偏磁成为电力系统急需研究解
决的问题。
一、变压器中性点直流电流的形成与影响
在我国高压直流输电的几乎都是双极中性点单端接地方
式的系统。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，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。如果出于不同地点
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，由一个变压器中性点流入，在另一个变压器
中性点流出[2]。其中流经两台中性点接地的变压器的直流电流
分量，取决于两台变压器所在点的电位，变电站接地电阻、变压
器绕组直流电阻和线路的直流电阻等因素，当流过变压器每相
绕组的直流电流增大达到一定程度时，必然会引起铁心磁饱
和，从而导致励磁电流波形发生畸变，从而引起变压器发生直
流偏磁。我国许多直流输电接地极额定电流高达3KA，必然影
响极址周边中性点接地变压器的正常工作。
图1直流偏磁对励磁电流的影响
变压器中性点流入直流电流时，产生直流偏磁的励磁特性
曲线和输出电流变化情况如图1所示。图1（a）所示为铁芯磁通
火电厂主变压器直流偏磁异常工况分析与保护防范措施
火电厂主变压器直流偏磁异常工况分析与保护防范措施
随着经济和科学技术的不断发展，极大的促进了社会的进步，增加了社会对电力的需求，为火电厂主变压器带来较大的工作压力，导致火电厂主变压器直流产生偏磁异常现象，阻碍了电力企业的发展。本文主要就火电厂主变压器直流偏磁异常工况进行分析，并给予火电厂主变压器直流偏磁异常保护防范建议，来促进电力企业的可持续发展。
标签：火电厂；主变压器；直流偏磁；工况分析；保护防范措施
0 前言
火电厂变压器在实际运行过程中，直流会说道不同因素的影响，包括会受到磁暴引现象的影响，受到高压直流的影响，受到非线性设备的影响等等，导致电厂主变压器直流偏磁产生异常现象。面对这一发展形势，要加以关注电厂主变压器直流偏磁异常问题，对电厂主变压器直流进行保护和防范，保证电厂主变压器直流的安全性。
1 问题故障产生的原因
火电厂主变压器直流偏磁异常这一故障的产生，主要是变压器在实际运行过程中，受到一些原因的影响，导致直流不断的涌入到电力变压器中，导致进入的电流与变压器发生反应产生磁通[1]。这一具有偏移性的磁通就被叫做电磁现象。这一具有直流特点的电流，不断在变压器内部进行运作，在变压器的铁心中进行运作，导致在一定时间内，变压器的铁心出现磁饱和现象，增加了磁通对变压器的影响，导致变压器的电流高度不断变化，甚至会产生畸形现象，形成磁波现象。一些大型的设备在实际运行过程中，其励磁的运作环境和饱和区域较近，进而特别容易受到磁通的影响，导致变压器设备产生饱和现象[2]。增加了变压器的能源需求量，带来能源的浪费，增加了变压器北部设备的温度，增加了变压器的运作音量和振动频率，导致变压器的电流和电压严重变形，降低了整个电力系统的运行安全性和稳定性。细致化来说， 火电厂主变压器直流偏磁异常这一现象的产生，主要是受到两个直接原因的影响。其一，受到太阳好大的影响，导致火电厂主变压器直流地磁暴现象的发生。其二，受到高压直流的影响，导致火电厂主变压器在实际运行过程中产生单机输电现象，导致大地回路现象的产生[3]。
某电厂主变压器直流偏磁问题的分析及处理 宋军
某电厂主变压器直流偏磁问题的分析及处理 宋军
发表时间：2017-11-16T20:42:52.293Z 来源：《电力设备》2017年第21期 作者： 宋军 张莹莹 陈腾飞
[导读] 摘要：直流偏磁发生时，会影响变压器的运行，严重时甚至会威胁到整个电网的安全。
（山东核电有限公司 山东省烟台市 265116）
摘要：直流偏磁发生时，会影响变压器的运行，严重时甚至会威胁到整个电网的安全。本文对某电厂3台主变压器发生直流偏磁的原因进行了排查分析，对几种应对方案进行了分析对比，选取了合适的解决方案。
关键词：直流偏磁；主变压器；中性点；抑制措施
1.异常现象
2015年底，山东某电厂主变压器首次倒送电后，运行人员反馈主变噪声不稳定，断续出现噪声过大的现象，后经技术人员现场测量，在主变低压侧2米处A/B/C三相分别测得噪声分别为82/83/82dB，变压器本体振动分别为1.4/1.9/1.5mm/s，维修人员在对主变中性点电流进
行测量时发现存在直流分量，最大约7.5A，最终确认主变存在直流偏磁的情况。
2.直流偏磁的成因分析
协调主变供应商通过分析计算，提供了不同直流偏磁电流情况下，变压器允许运行时间。根据《DL/T437-2012 高压直流接地极技术导则》中规定，单相变压器允许通过的直流电流不应大于高压侧额定电流的0.3%，通过计算最大允许电流为13.1A。综合考虑供应商的意
见，确定该厂主变最大的允许直流偏磁电流为11A。
2.2厂外因素的排查分析
根据相关研究，单相变压器组中性点受大地直流电流影响的原因可能有如下几种：
2.2.1地磁爆
太阳耀斑的动态变化会对地球磁场产生影响，地球磁场的变化将在地球表面产生电位梯度，太阳耀斑的剧烈变化会造成地球磁场剧烈扰动而形成“地磁爆”。地磁爆产生的电位梯度作用于中性点接地的电力变压器时，将在绕组中产生感应电流，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，并且其值较大，持续时间短 [1] 。
电力变压器 第23部分：直流偏磁抑制装置
ICS29.180K41
中华人民共和国国家标准
GB/T1094.23—2019
电力变压器
第23部分:直流偏磁抑制装置
Powertransformers—Part23:DCmagneticbiassuppressiondevices
(IECTS60076-23:2018,MOD)
2019-12-10发布2020-07-01实施
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会发布目 次
前言Ⅲ…………………………………………………………………………………………………………
引言Ⅴ…………………………………………………………………………………………………………
1 范围1………………………………………………………………………………………………………
2 规范性引用文件1…………………………………………………………………………………………
3 术语和定义1………………………………………………………………………………………………
4 使用条件2…………………………………………………………………………………………………
5 选用原则3…………………………………………………………………………………………………
6 技术要求4…………………………………………………………………………………………………
7 试验8………………………………………………………………………………………………………
8 标志、包装、运输和贮存12…………………………………………………………………………………
9 铭牌13………………………………………………………………………………………………………
10 技术文件的要求13………………………………………………………………………………………
附录A(资料性附录) 本部分与IECTS60076-23:2018的技术性差异及其原因14…………………
附录B(资料性附录) 高压直流输电系统引起地中直流产生的原理16…………………………………
直流输电对沿海发电厂中性点接地变压器影响及抑制措施
Ｄｉａｎｑｉｇ。ｎｇｃｈｅｎｇ Ｙｕ ｚｉｄｏｎｇｈｕａ
直流输电对沿海发电厂中性点接地变压器影响及抑制措施
李刚
（阳西海滨电力发展有限公司，广东阳江５２９８００）
摘要：详细介绍了直流系统调试期间或单极大地运行时，对距离接地极较远沿海建设的电厂中性点接地变压器造成的影响，并在实际测
量的基础上，分析了沿海电厂受影响情况及造成该现象的原因，最后探讨了沿海建设电厂变压器中性点中直流分量的抑制方法。 关键词：直流输电；沿海电厂：海洋；抑制措施；前景
０ 引言
直流输电技术在我国已经取得了迅速发展，中国目前已建成
并正式投入运行的直流输电工程包括：葛（洲坝）沪（上海），三（峡）
常（州），三（峡）广（东），三（峡）沪（上海），天（生桥）广（东），贵（州）
广（东）Ｉ回、Ⅱ回等７个超高压直流输电工程和灵宝直流背靠背
工程。直流系统单极大地运行时对接地极附近的中性点接地变压
器输电造成的影响不可避免，产生的直流偏磁，导致其损耗增大，
内部金属构件温升增加，变压器噪声、振动增大等一系列问题，甚
至引起变压器损坏。然而，距离接地极６０ｋｍ以外的沿海电厂，也
存在同样的问题，无法进行合理解释，现对沿海电厂变压器中性点
电流进行实测研究，找出海洋对沿海电厂接地电网的影响，所产生
的直流偏磁问题，呼吁相关发电公司加以重视，对已经投产的沿海
电厂变压器中性点直流分量采取有效抑制措施，确保发电厂的安 全运营。
１ 沿海电厂变压器中性点中直流分量的测量
２００９年１２月云南至广东特高压直流输电工程单级试运行期
间，云广特高压直流输电工程５０００Ｍｗ单极大地运行方式下，通过
对已经建成投产的广东沿海几个大电厂——粤电惠来电厂、大唐潮 州三百门电厂、惠州平海电厂、国华台山电厂、华夏阳西电厂等主变
压器中性点进行电流监测，中性点接地变压器直流分量普遍在３５ Ａ
左右，噪音异常增加，阳西电厂最大的达６０Ａ。值得注意的是，这几
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
直流偏磁对变压器正常运行影响应对措施论文
直流偏磁对变压器正常运行影响的分析及应对措施
摘 要：在高压直流输电过程中，由于单极大地方式运行产生的直流电场或者太阳磁暴产生的地磁感应中电流的直流成分对中性点接地系统变压器的正常运行造成很大影响。本文从直流偏磁的产生机理入手，着重介绍了3种变压器中性点隔直装置。
关键词：变压器中性点；高压直流输电；直流偏磁
中图分类号：tm45 文献标识码：a
文章编号：1009-0118（2012）07-0202-01
一、引言
随着高压直流输电（hvdc）技术在国内电网中越来越多地应用，由于其输送容量大、输送距离远、调节迅速、运行灵活，hvdc在远距离大容量输电、区域电力系统互相连接中起到了十分重要的作用，但也带来了一些新问题。自2000年12月开始，南方电网大亚湾核电站发现主变压器时常出现噪声异常及增大的情况；2003年初因三龙直流输电启动调试导致江苏电网出现明显的直流电流；天广直流单级大地调试中，附近的电厂、变电站也有类似的情况发生。因此需要对产生该现象的原因——直流偏磁进行研究并找出应对措施。
二、直流偏磁产生原因及对变压器的危害
（一）直流偏磁产生的原因分析
当高压直流输电运行在单极大地回线或双极不对称运行方式时，接地极附近有直流电位，该电位和高压直流输电输送的电流大
小和该处的土壤电阻率有关。高压直流输电输送的电流越大，土壤的电阻率越高，电位也就越高。不同位置的接地变压器的中性点之间犹豫存在着直流电势差且交流系统的电阻值很小，从而使流过接地变压器中性点，在交流系统中形成了回路。当流过接地变压器中性点的电流过大时，变压器会发生直流偏磁进而导致谐波增加、噪声增大、过热等问题，严重时会引起变压器的损坏，并可能引起保护误动。
（二）直流偏磁对变压器造成的危害
1、变压器噪声增加；2、变压器振动加剧；3、变压器漏磁通增大；4、导致继电保护设备误动。
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10kHz/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。由(2)式可知，励磁电流I?滋迅速增大，导致变压器过热，最终导致器件毁坏。概括地说，逆变桥SPWM波正负脉冲不对称是引发偏磁的根本原因。
变压器直流偏磁
[摘 要]随着直流输电系统的日益发展，直流输电距离不断加长，输送容量不断加大，直流偏磁对换流站周边的发电
厂和变电站主变压器的影响也不断加剧，本文对直流偏磁产生的原因进行了说明，对现有主变压器直流偏磁抑制措
施及优缺点进行了阐述，并对今后主变压器直流偏磁研究进行了展望。
[关键词] 直流偏磁对变压器的影响 防治措施
1直流偏磁产生的原因
直流输电系统以输送距离长，输送容量大及损耗小等特点在中国得到越来越多的应用。当直流输电系统在调试检修
期间或发生故障时，将会以单极大地的方式运行。这时，大地作为回流电路，可能会有高达数千安的直流电流流过。
直流接地极附近的电场分布由于流过直流电流而大大增加，接地极附近出现较高的地表电势。随着距离的增大，地
表电势逐渐降低。由于不同地点间的地表电势不同，在这一地区的交流电网中，将会有直流电流从接地的中性点流
入变压器再通过输电线路流向远方。变压器绕组流过的直流电流导致运行中的变压器产生直流偏磁，给变压器本身
和交流电网的安全运行造成不良影响。
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
分析大型变压器直流偏磁抑制对继电保护影响
分析大型变压器直流偏磁抑制对继电保护影响
摘要：直流输电系统双极不对称或单极大地回线运行时产生的地电流会导致变压器直流偏磁，影响变压器及交流系统的安全稳定运行。直流输电系统以大地为回路运行时，地中直流通过附近中性点直接接地的交流变压器进入交流系统形成回路，引起变压器直流偏磁从而对交流系统产生不利影响。为此，综合比较了各种偏磁抑制方法的优缺点，分析了其对交流电网继电保护的影响。
关键词：高压直流输电；直流偏磁抑制装置；变压器中性点；继电保护
1.引言
当直流输电系统因故障或系统要求处于双极不对称或单极大地回线运行方式时，大地中流过的直流电流会导致中性点接地变压器出现直流偏磁问题，从而对交流输电系统造成不利影响，尤其是在交流变压器交流量叠加由中性点流入的直流量后，易导致变压器铁芯饱和，产生谐波、噪声，严重影响变压器以及交流电力系统的安全稳定运行。针对该问题，目前国内外对变压器直流偏磁的抑制方法主要有串接电容、注入反向电流和串接电阻。这3种方法各有利弊，且都不同程度上改变了某些电气量，对相关保护性能可能造成影响，甚至造成保护退化。其中串接电容法以其原理简单、造价低廉、易于维护等特点在实际应用中最为广泛，但串接电容法改变了主变零序阻抗，这会对零序电流保护及接地距离保护造成影响。
地中直流对交流系统的影响主要是由接地极附近中性点直接接地的变压器直流偏磁所引起的。为将变压器直流偏磁抑制到工程上可以接受的程度，国内外研究了多种抑制变压器中性点直流的措施和方法。本文在比较各种偏磁抑制方法优缺点的基础上，重点分析了在变压器中性点安装的直流抑制装置对交流电网继电保护的影响。结论可为其他受直流偏磁影响的变电站安装偏磁抑制装置后的继电保护提供参考。
2.变压器直流偏磁的产生机理
导致直流偏磁的原因主要来自两方面：一是高纬度地区的地磁干扰（GIC），二是HVDC接地极到变电站的电磁耦合。国外的研究多针对前者，国内的研究多针对后者。但从本质来说，这两类问题解决的方法大致相同。直流系统在单极大地回线方式和双极不平衡运行方式下均有直流电流通过接地极流经大地，因土壤存在一定的电阻率，在交流系统中不同位置的变电站间就会产生一定的电位差。系统中不同位置变电站中星型连接的变压器接地中性点将承受该地面电位差的影响。该电位差会在与大地经主变压器中性点并联运行的交流系统中产生直流电流，主变压器中性点直流电流的大小由地面电位差除以变压器绕组和输电线路的等值电阻值而定。当变压器绕组中流过直流电流时，将使铁心磁化曲线不对称，加剧铁心饱和，产生直流偏磁。表现为变压器运行噪声骤升，在激磁电流中产生大量谐波，变压器消耗无功增加，使系统无功补偿装置过载或系统电压下降。谐波流入系统的后果是系统电压波形畸变，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和断路器恢复电压增高。不同的研究方法得出的变压器直流限值不尽相同。一种方法是基于具体变压器的励磁特性曲线，根据其波形畸变程度及励磁电流峰值反推直流电流限值。另一种方法是现场试验确定各变压器允许通过的直流电流限值或结合厂家设计值。加拿大Teshment咨询公司和中南电力设计院认为通过变压器绕组每相的直流电流不大于2倍变压器额定励磁电流（约1%额定电流）时可以被接受。DL437-1991《高压直流接地极技术导则》规定，通过变压器绕组中直流电流不大于额定电流的0.7%。