摘要：本文针对变压器直流偏磁现象产生原因，对变压器自身产生的影响以及抑制方法进行分析与研究。并以宁夏银川方家庄2X1000MW电厂主变直流偏磁装置为例，介绍其直流偏磁装置原理及使用方法。
关键词：变压器；偏磁；换流站
1引言
近年来，超高压直流输电以其高效、经济性的特点在我国长距离输电中得到应用，我国超高压直流输电技术已达到了国际领先水平。随着越来越多的直流输电线路投入运行，我国电网呈现交、直流系统共存的新局面。直流输电单极大地回路以及双极不平衡运行方式下，造成变压器直流偏磁额的现象日益严重。直流偏磁现象造成变压器噪声增大、振动加剧、系统谐波、损耗增加等，严重时能造成变压器损坏。
2直流偏磁产生的原因
直流偏磁是指在变压器励磁电流中出现了直流分量，导致变压器铁心半周磁饱和，以及由此引起的一系列电磁效应。变压器正常工作在交流过励磁情况下，铁心磁通密度增加，励磁电流产生畸变，变压器工作在磁化曲线非线性的区域，励磁电流波形为尖顶波，且正负半波对称，变压器在直流偏磁下，直流与交流磁通相叠加，与直流偏磁方向一致的半个周波的铁心饱和程度增加，另外半个周波的饱和程度减小，对应的励磁电流波形呈现正负半波不对称的形状。直流偏磁是变压器的一种非正常工作状态，由于变压器的原边等效阻抗对直流分量只呈现电阻特性，且电阻很小。因此，很小的直流分量就会在绕组中形成很大的直流激磁磁势，该直流磁势与交流磁势一起作用于变压器原边，造成变压器铁心的工作磁化曲线发生偏移，出现关于原点不对称，即变压器偏磁现象。
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，二是高压直流输电系统（HVDC）；三是城市轨道交通。
2.1太阳活动产生的地磁感应电流
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。
2.2高压直流输电系统对直流偏磁的影响
高压直流输电系统分为单极及双极两种不同的运行方式。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，同时在大地表面形成不等电位，这时直流电流可能通过变压器中性点进入变压器绕组，在变压器绕组中形成直流电流，变压器磁密工作点发生偏移，使变压器产生直流偏磁。
图1 由直流输电引起的交流电力系统直流偏磁现象
2.3城市轨道交通。
大城市的地铁、轨道交通和一些矿山小火车大多采用直流电驱动车辆，这些轨道交通的直流电源用大地作为其中的一极，类似直流输电的单极运行，对城市的110kV以上的变压器造成直流偏磁。其值一般比较小，波动频繁，持续时间与城铁运行时间同步。
3直流偏磁的现象及危害
3.1直流偏磁对于变压器的影响
3.1.1变压器噪声和振动加剧
由于变压器磁滞伸缩的原因，当变压器发生直流偏磁时，铁心的伸缩、振动幅度将增大，从而导致噪声增大；同时，由于磁滞伸缩产生的震动非正弦的，其噪声包含多种谐波分量，当某一分量与变压器构件发生共振时，噪声将更大，有可能导致变压器内部零件松动、绝缘受损。
3.1.2电压波形畸变
由于变压器铁心发生直流偏磁，严重时铁心可能工作在饱和区，从而使变压器漏磁通增加，使电压波形发生畸变，电压波峰趋于平缓。
3.1.3产生谐波
正负半波对称的周期性励磁电流中只含奇次谐波。由于直流偏磁的作用，使半波深度饱和的变压器励磁电流中出现了偶次谐波。此时，变压器成了交流系统中的谐波源，可能会造成补偿电容器组发生谐波放大甚至谐振，危害电容器组的安全运行。
3.1.4变压器无功损耗增加
由于直流偏磁引起变压器饱和，励磁电流大大增加，使变压器无功损耗增加。
3.1.5变压器损耗的增加
由于励磁电流进入了磁化曲线的饱和区，使得铁芯和空气的磁导率接近，从而导致变压器的漏磁大大增加。变压器漏磁通会穿过连接片、夹件、油箱等构件，并在其中产生涡流产生发热现象危害绝缘。
3.2直流偏磁对电网的危害
3.2.1系统电压下降
由于无功损耗增加，系统无功亏损，导致系统电压下降，严重时可使整个电网崩溃。
3.2.2继电保护误动作
由于变压器直流偏磁引起的波形严重畸变，会导致部分继电保护装置不能正确动作，其产生的零序次谐波（如3/6/9次谐波）可能导致零序电压或电流启动的继电保护装置误动。
3.2.3电容器组过载
正常情况下，并联补偿电容器主要吸收系统中的主要谐波（3次谐波和5次谐波），但在变压器发生直流偏磁时，励磁电流分布变广,含量增加,会造成并联电容器谐波放大甚至谐振。
4直流偏磁的抑制措施
4.1电阻型直流抑制装置
电阻型直流抑制装置的应用是通过在变压器中性点串联小电阻，将直流限制到偏磁电流值以下的方案。
原理如下图：
图2 电阻型直流抑制装置原理图
对于串联电阻的要求：
★电阻值控制在5Ω以下，便于制造；
★配合并联间隙进行保护；
★为减少短路时电阻温升过高的危险，电阻两端可配有保护装置，在电流较大的情况下改为直接接地；
4.2电容型直流抑制装置
电容型直流抑制装置的应用是通过在变压器中性点串联大电容，将直流电流完全隔绝的方案。
原理如下图：
图3 电容型直流抑制装置原理图
对于串联电容的要求：
★电容容抗要足够小；
★电容两端应有旁路保护装置；
★电容隔直装置应有间隙等备用保护；
★隔直电容应当能承受短时高电压；
★变压器运行期间电容处于被旁路状态；
4.2反向注入直流抑制装置
反向注入直流抑制装置是通过在变压器中性点注入反向直流，以限制偏磁电流的方案。
原理如下图：
图4 反向注入直流抑制装置原理图
对于反注入装置的要求：
★建造良好的接地点，作为补偿接地极；
★增加整流和滤波元件；
★需注意补偿电流的大小，避免过度补偿；
5工程应用
现以宁夏银川方家庄2X1000MW电厂主变直流偏磁装置为例，介绍其直流偏磁装置原理及使用方法。
宁夏银川方家庄2X1000MW电厂，距离宁东660kV直流换流站仅48km，主变隔直装置采用新疆电力公司电力科学研究院及安徽正广电电力技术有限公司联合生产的KLMZ型变压器直流偏磁监测与隔离接地装置。
图5 KLMZ型变压器直流偏磁监测与隔离接地装置原理图
变压器中性点直流偏磁监测与隔离接地装置运行模式及工作原理说明：
本装置内部自带两把电动隔离刀闸，如1图中GN2、GN1。两者之间存在闭锁联系，不能同时打开。当GN2合闸，隔直装置处于退出/检修状态；当GN1合闸时，隔直装置处于投入/运行状态。
★手动模式
在手动模式下，可以手动操作旁路开关VFC分闸，选择隔直电容器C投入（电容接地模式）；旁路开关VFC合闸，选择隔直电容器C退出（直接接地模式）。在手动隔直电容器C投入时，系统发生单相接地不对称故障，旁路开关自动合闸，以保护隔直装置安全运行，并确保系统保护正确动作。
★自动模式
在自动模式下，旁路开关的分/合闸（隔直电容器C投入/退出）由控制器自动投退。正常运行时，旁路开关合闸。
当隔直装置检测变压器中性点中没有大地直流（或直流小于设定值）时，旁路开关VFC为合闸工作状态，变压器中性点通过旁路开关VFC直接接地；
当隔直装置检测到有直流（或大于设定值）流经变压器中性点时，旁路开关VFC自动分闸，将隔直电容C串联到接地回路中，起隔离直流分量的功能。此时装置为隔直工况；
当直流消失后，即隔直电容C上的电压降低到设定值以下，旁路开关VFC合闸，将隔直电容短路，退出隔直功能。
在隔直工况下，当系统发生单相接地不对称短路时，冲击电流流经隔直电容C，使得隔直电容上的电压迅速上升，触发氧化锌FR导通，并限制电容两端的电压，起到保护隔直电容器的作用，当短路电流变化到第一个过零点时刻，高速智能旁路开关相控合闸，将短路电流分流到开关里，起到保护氧化锌的作用。
6 总结
本文章主要介绍研究直流偏磁产生的原因、危害及抑制措施，并以电容型直流抑制装置在实际现场的应用为例，让我们对直流偏磁有一定的认识。
7 参考文献
[1]KLMZ型变压器直流偏磁监测与隔离接地装置说明书
[2]变压器直流偏磁现象的两种成因及其试验 作者：刘路 刘瑾 云南电网公司昆明供电局 云南大学
[3]抑制变压器直流偏磁的串接电阻措施 作者：赵杰,黎小林,吕金壮,曾嵘，牛龚 南方电网技术研究中心,清华大学电机系,2006.6.25 第30卷 第12期
[4]钟连宏，陆培均，仇志成，蔡汉生．直流接地极电流对中性点直接接地变压器的影响，高电压技术，2003，29(8)：12～14
[5]骆云峰，王磊，李嗣明 直流偏磁对高压设备运行影响的分析及应对 广东电网惠州供电局 广东电网广州供电局 海南电网三亚供电公司
[6]王倩，刘连光.直流输电及磁暴引起变压器直流偏磁问题的研究:(硕士学位论文).保定:华北电力大学，2006
[7]杜峰，张英 直流偏磁对变压器的影响及抑制措施 湖北省黄石供电公司，广东电网电力科学研究研究院
[8]赵杰，黎小林，吕金壮，等.抑制变压器直流偏磁的串接电阻措施[[J].电力系统自动化，2006,30(12): 88 一 91.