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摘要：随着我国超特高压直流输电工程规模的日益扩大，其影响也日渐突出。当直流输电工程在单级大地方式下运行时，会使接地极附近的变压器产生直流偏磁现象。直流偏磁是变压器的一种非正常运行状态，严重时可能危及变压器及电网的安全稳定运行。本文分析了直流偏磁产生的原因，研究了直流偏磁对变压器运行产生的影响，详细分析了不同结构变压器受直流偏磁的影响程度，并分别阐述了直流偏磁对变压器励磁特性、铁芯振动和绕组振动的影响。
关键词：直流偏磁；变压器；励磁特性；铁芯振动；绕组振动；影响
随着超特高压输电的发展，交直流混合输电的模式逐渐形成，交直流系统互相干扰的问题也随之出现。当直流线路采用单级大地回路方式或双极不对称方式运行时，通过直流系统的接地极流入大地的直流电流将对交流电力系统内的变压器产生影响，使之发生直流偏磁现象。变压器在直流偏磁状态下工作点会发生偏移，会导致谐波分量增加，变压器损耗加剧，振动增加，严重时还可能导致继电保护装置误动作，从而对电网稳定性产生很大影响。
一、直流偏磁产生的原因分析
直流偏磁是指在变压器励磁电流中出现了直流分量，导致铁芯半周期磁饱和，以及由此引起的一系列电磁效应。直流偏磁的产生主要有以下两种方式：
（1）直流输电产生的地中直流电流。交流输电线路与直流输电线路在并行运行时，当输电中高压采用单极大地回路方式运行或双极不平衡方式运行时，会引起两个变电站接地网之间存在电位差，这时电流将有一部分流经变压器中性点，在中性点接地变压器上流过直流分量，由此会引起变压器的直流偏磁现象。
（2）地磁暴产生的地磁感应电流。地磁暴是一种自然灾害，它是由太阳风、地震、火山爆发等自然现象引发的一种地磁波动现象。然而在地磁暴发生时会对地产生地磁扰动，与地磁场之间相互作用会产生地磁感应电流，通常这种电流的频率为0.001~0.1Hz之间，相对于50Hz或60Hz的工频交流电流而言相差很大，因此可近似认为此地磁感应电流为准直流电流。
二、直流偏磁对变压器的影响和危害
直流偏磁对变压器的影响和危害主要表现在以下几个方面：
（1）励磁电流发生畸变，正负半波不对称，产生大量谐波。
（2）振动加剧、噪声增大，严重时可能造成构件松动。直流偏磁下铁芯的磁致伸缩和漏磁均增大，造成铁芯和绕组振动加剧，使得变压器箱体振动增加。变压器噪声来源于振动，直流偏磁时振动的加剧会引起噪声的增大。
（3）变压器损耗增加、温升增大，引发局部过热。直流偏磁使得铁芯漏磁增加，引起变压器油、油箱和夹件等的损耗增加、温升增大。不仅会对变压器绝缘性能产生影响，缩短其使用寿命；还可能引起变压器局部过热，直接威胁其安全运行。
三、不同结构变压器受直流偏磁影响研究
研究表明，铁芯结构很大程度上决定了变压器承受直流偏磁的能力。大小相同的直流电流流入变压器时，不同铁芯结构的变压器所承受的直流偏磁能力是不同的。
按铁芯结构，三相变压器可分为两种：组式变压器和芯式变压器。组式变压器是由三台完全相同的单相变压器按三相连接方式连接而成的，三个铁芯彼此相互独立，三相磁路也互不关联，因此可以按照单相变压器来分析。单相变压器具有独立的磁回路，直流磁阻很小，承受直流电流的能力较弱。因此，直流偏磁效应对三相组式变压器的影响很大。
三相芯式变压器主要包括三相三柱式和三相五柱式两种。三相三柱式变压器的三个铁芯柱在同一个平面内均匀排布，各相磁路彼此关联，每相主磁通必须通过其他两相的此路才能闭合。
在直流偏磁环境下，由于直流电流产生的直流磁通在铁芯柱中无磁通通路，必须经其他结构件和变压器油从油箱返回，而变压器油的磁阻较大，直流磁通很小，因此可以允许较大的直流电流通过。
三相五柱式变压器除了中间三主铁芯柱外，两侧还各有一个旁柱。当直流电流流进三相五柱式变压器时，直流磁通可以从两侧的旁柱构成回路。相对于主柱来说，旁柱的截面较小，一般只有单相变压器的39%，因此其直流磁阻介于单相变压器和三相三柱式变压器之间，但整体上更接近于单相变压器。因此，对于三相五柱式变压器，绕组中容许通过的直流电流介于单相变压器和三相三柱式变压器之间。
综上所述，按照抵御直流偏磁的能力排列，三相三柱式变压器承受直流电流能力较强，三相五柱式变压器次之，三相组式变压器最弱。
四、直流偏磁状态下变压器振动机理研究
1.直流偏磁下变压器的励磁特性分析
当变压器处于直流偏磁状态时，中性点电流的直流分量叠加在绕组的交流分量上，使得铁芯交变磁通上叠加了一个直流磁通分量，导致总磁通向直流偏磁方向偏移，形成半周期饱和。相应的励磁电流也出现半周期饱和现象，其中与直流偏磁方向相同的半个周波幅值大大增加，而另一周波的幅值明显减小。励磁电流成为正负半波非对称的非正弦波，并含有大量奇偶次谐波。
2.直流偏磁时的铁芯振动特性
铁芯振动主要由硅钢片的磁致伸缩引起，由于磁致伸缩位移是磁通的函数，因此直流偏磁将严重影响铁芯振动。变压器正常运行时，铁芯振动特性与磁化强度的平方成正比。又由于磁化强度为工频正弦波，因此振动能量主要集中在100Hz频率分量处。
直流偏磁时，直流电流产生的直流磁通分量叠加在交变磁通上，使得磁通整体向直流方向偏移，导致磁致伸缩位移及其形变在磁通正半周较大，而负半周较小。此时，磁致伸缩位移与磁化强度的表达式会在原有基础上增加磁化强度的奇次项及高次项，使得铁芯振动信号中很明显地会出现50Hz和150Hz分量，并伴有其他高次频率分量出现，各频率分量会随着直流分量的增加而增大。
3.直流偏磁时的绕组振动特性
绕组作为载流导体处于漏磁场中，受到电动力的作用而产生振动。因此，绕组振动大小与漏磁场和绕组电流有关。直流偏磁对绕组振动的影响也主要从漏磁场和绕组电流两方面来进行分析。直流偏磁时，相对于铁芯振动而言，绕组振动受变压器偏磁影响较小。变压器发生直流偏磁时，铁芯磁通出现半周期饱和现象，铁芯磁导率降低、磁阻增加，使得绕组漏磁场增大，引起绕组振动加剧。除此之外，直流偏磁时，变压器励磁电流会增大，绕组电流会相应的增加，使得电动力增大，绕组振动随之增大。
结束语
本文分析了直流偏磁对不同结构变压器产生的影响，经分析得出，直流偏磁对三相组式变压器的影响最大，三相五柱式变压器次之，三相三柱式变压器所受影响最小。直流偏磁状态下变压器振动特性分析结果表明，直流偏磁对铁芯振动的影响较大，当变压器存在直流偏磁时，铁芯振动信号中很明显地会出现50Hz和150Hz频率分量。相对于铁芯振动，绕组振动受直流偏磁的影响较小，由于直流偏磁会使得漏磁场和励磁电流增大，从而使得绕组振动随之增加。
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