直流偏磁简介.docVIP

直流偏磁 1 背景 高压直流(HVDC）输电系统在我国正得到越来越广泛的应用。为了实现远距离或超远距离大容量送电,将有更多高压甚至特高压直流工程建成并投入运行。实践证明，直流输电在一定条件下，是具有很大的经济效益。交直流混合运行的电网结构使得交直流系统之间的相互影响越加明显,对南方电网而言尤为突出[1]。而在HVDC运行过程中发现，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，造成直流偏现象。[2]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点位被不同程度的抬高，则直流电流将通过大地和交流线路，由于一个变电站（变压器中性点）流入，在另一个变电站（变压器中性点）流出，继而产生直流偏磁。在电网中，很多变压器都受到了直流偏磁电流的影响，受到影响的变压器有的是在换流器直流接地极附近，有的却是远离直流接地极[3]。事件初期，曾经怀疑主要是换流站的谐波电流所致，之后逐渐将注意点集中到中性点接地变压器的直流偏磁上，为了验证这些变压器正是受到了直流偏磁的影响,工程上也采取不少的方法。直流偏磁问题在20世纪80年代后期开始引起国内外研究者的重视并陆续开展了相关研究。有关的抑制措施也曾有工程应用。然而,截至目前,工程应用中仍未有简单、实用、可靠的解决方案,也没有长期可靠的运行经验做支撑。本文将主要介绍一下直流偏磁产生的原因、现象、危害及抑制措施等。 2 直流偏磁产生的原因 2.1 直流偏磁的产生机理[4] 变压器的铁心是由 0.3 至 0.35mm 的硅钢片叠成，因硅钢片的磁化曲线成非线性，使铁心磁通φ与通入磁化线圈的电流 i 成非线性，即φ=f（i）成非线性关系，如下图2.1(b)所示，在设计变压器时，为了充分利用铁磁材料，使变压器额定运行时主磁通φ运行于如图 2.1(b)中的线性区端点 A 点。这样，当变压器正常运行情况下再给磁化线圈通入直流电流时，即励磁电流 i 的曲线相对于坐标轴整体向上或者向下平移一个值，直流磁通 φo 和交流磁通φ相叠加，就形成了偏磁时的总磁通与直流偏磁方向一致的半个周波的磁通密度大大增加，而另外半个周波的磁通密度反而减小。与之对应的励磁电流波形也会发生变化，呈现正负半波不对称，如图2-1(c)所示 图1 直流电流对变压器励磁电流的影响 一般来说产生的直流偏磁电流主要有两种来源：一是太阳活动产生的地磁感应电流（GIC），二是高压直流输电系统（HVDC）的单极-大地运行。 2.2 太阳活动产生的地磁感应电流 太阳活动，尤其是耀斑爆发抛射出的高温等离子体以每秒数百公里的速度袭向地球，在地球磁层的阻挡下，有小部分离子体流进入近地空间，由此导致的地磁场短时间内的急剧变化会生成地面感应电动势（ESP），ESP 在输电线、中性点接地变压器和大地回路中产生地磁感应电流（GIC）。由于 GIC 的频率很低（0.001Hz～0.1Hz），与工频相比可视为准直流，较大的 GIC 电流可导致变压器直流偏磁现象。 图2 太阳活动之日冕（左）及耀斑（右） 2.3 直流系统单极-大地运行方式 当交、直流系统在同一个区域同时运行的时候，尤其是在 HVDC 系统单极—大地回路方式运行时，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，地下金属管道或铠装电缆等金属设施，由于这些设可能给地电流提供了比大地土壤更良好的导电通道，因此，一部分电流将沿着并通过这些设施流向远方，这样就造成很难通过计算确定的各个变电所中性点电位的抬高。[4]这必然导致各个接地点之间存在一定的电位差。这样的电位差将使得从变压器一次侧的中性点向变压器注入一定的直流电流。侵入交流系统的直流电流的大小除了与直流换流站与交流变电站之间的距离、交流系统的结构和参数有关外，还与电流流经的土壤电阻率密切相关，电阻率越高的地方更容易产生高的电位差，对应的入侵直流电流也就越大。 图3 由直流输电引起的交流电力系统直流偏磁现象 3 直流偏磁的现象及危害 3.1 直流偏磁的现象 直流偏磁下，直流磁通和交流励磁磁通相叠加，形成总磁通密度。与直流偏磁 方向一致的半个周波总磁通密度的数值大大增加，另外半个周波则反而减小，对应 的励磁电流波形呈现正负半波极不对称的形状，这也就是我们所说的尖顶波。[5] 图4 直流偏磁下励磁电流及波形 3.2 直流偏磁对变压器的影响 变压器直流偏磁时，对于变压器，可以使铁芯磁通严重饱和，励磁电流高度畸变，产生大量谐波，噪声明显增大，金属构件损耗