变压器的直流偏磁

1、摘 要直流输电的系统做单极大地回路工作时，可能会发生直流偏磁问题。在东北地区，尽管并不存在直流输电的系统，可部分大功率的直流负荷装置同其附近大地可构成类似直流输电的单极大地运行的方式，这时对交流中性点而言，其接地运行的变压器存在的噪声同中性线直流电有可能发生直流偏磁。而探究直流偏磁发生的基本原理，并探讨多类变压器承受这类问题的能力，如其给变压器带来的具体制约作用等。文章对变压器的中性点及串接的电阻同电容器对大地中的直流电流进变压器的制约和具体的可行性做了论证，而且由继电保护同抑制中性点的直流角度出发，分析电容器及中性点的电阻器对于系统的可能作用。使用网络分析的算法分析使用电位补偿法来抑制直流电

2、的基本原理，并得出电位补偿法基本的原理同装置参数的整定原则，而且对有关原理做了正、负电位的补偿做了模拟试验，并证明电位的补偿法可以于一定的程度上抵消系统做单极运行时所流经中性点的直流电强度，并制约直流的偏磁问题。且还综合对比各类方法存在的优缺点，便于对抑制直流偏磁的问题有效的方法进行研究。同时对深埋接地极很难有效地抑制中性点中出现直流偏磁问题的理论做了论证。关键词 高压直流输电；变压器中性点；直流偏磁抑制；深层接地极 AbstractWhen the direct current transmission system single pole ground return moves, this

3、 creates the DC magnetic biasing problem through the transformer neutral point inflow transformer. In the Northeast area, there are not the direct current transmission system, but, it will have a greater impacts on the neutral point earth movement transformer's noise and the transformer neutral

4、axis direct current is inoperable for lack to the alternating-current system in when some high-power co current load and the land near the tracks and earth constitute a movement way of similar direct current transmission single pole - earth, it also can produce the DC magnetic biasing. The article a

5、nalysis the basic principle creating the transformer DC magnetic biasing, and discusses influence of the different transformer to the DC magnetic biasing affordability, and the DC magnetic biasing to the bias box. the test has proven the feasibility of directs current in the transformer neutral poin

6、t series connection resistor and the series connection capacitor limit flows in transformer's, and has analyzed the influence that the neutral point resistor or the capacitor which created to the system from the angle suppressed the neutral point cocurrent and the relay protection. The article d

7、educes the mechanism of suppressing the transformer neutral point direct current by the electric potential compensation method according to application network analysis algorithm, and gives the principle of the electric potential compensation method and the equipment parameter installation, and has

8、carried on simulation test of the negative potential compensation to its principle, has proven the direct-current potential compensation method could bucking-out the direct current that system single pole movement wind through the transformer neutral point to a certain extent, suppressed the direct

9、current magnetic biasing. Moreover this text also compares both advantages and disadvantages of each method synthesized, facilitated to the research of the efficacious method for suppresses the d c magnetic biasing. And demonstrated a deep grounding is not able to effectively curb the transformer ne

10、utral DC magnetic bias is given.Keywords: HVDC Transformer Neutral DC magnetic bias suppression devices Very deep grounding目 录摘要IAbstractII目录IV第一章 绪论11.1 课题背景及研究意义11.1.1 课题背景11.1.2 课题研究的意义31.2 直流偏磁研究的现状31.3 本文的研究内容5第二章 变压器直流偏磁的研究62.1 变压器直流偏磁的基本原理62.2 直流偏磁对中性点直接接地变压器的影响82.2.1 不同变压器对直流电流的承受能力82.2.2 直流

11、偏磁对变压器的影响10第三章 变压器直流偏磁的抑制方法163.1 反向电流法163.2 串联电容法173.2.1 串联电容法的基本原理173.2.2 串联电容法在实际应用中的可行性分析183.2.3 中性点装设电容器时相关参数选择的基本原则203.3 串联电阻法223.3.1 串联电阻法的基本原理223.3.2 串联电阻法对继电保护影响的分析243.3.3 串联电阻方法的优化配置263.4 直流电位补偿法293.4.1 直流电位补偿法原理293.4.2 直流电位补偿法的数学模型313.4.3 直流电位补偿法的模拟试验333.4.4 直流电位补偿法的可行性及补偿装置参数的整定原则363.4.5

12、直流电位补偿设备的布置373.5 抑制变压器直流偏磁方法的优缺点比较38第四章 深层接地极对直流偏磁的影响404.1 深层垂直接地极的计算404.2 接地极埋深对电流分布的影响46结论49致谢52参考文献53第一章 绪 论1.1 课题背景及研究意义1.1.1 课题背景所谓直流偏磁，属于变压器的非正常的状况，其主要指变压器励磁电流内发生直流的分量。具体而言，导致直流偏磁的原因比较多，例如地磁暴等因素，能在电网内查收到地磁感应的电流(即GIC)，而此类电流具备准直流的特点，流进变压器能够引发直流偏磁的问题，并引发变压器的半波饱和状态，出现较大零序谐波的电流(为三的倍数的次谐波电流)，GIC对人工系

13、统产生作用历经了一百五十余年的记录，在Canada 的Quebec，1989年三月的一天，因地磁暴而引发直流偏磁导致电力体系内变压器的铁心急剧饱和，谐波大幅增加且继电保护发生错误动作，许多的电容器也不再参加正常工作，油色谱分析异常，变压器的铁心过热，体系丧失大量负荷。引发了十分严重的停电，且让北美通讯、电力等系统，乃至运行卫星都出现了混乱问题。中国五百千瓦上河变的主变曾经于2001年的3月20号产生异常的噪音，通过现场的检查，以及之后所做预防性的试验，所得结果是完全正常的，后来通过分析得出结论认为受到了地磁暴作用。因地理位置的差异，低纬度的电网受到地磁暴作用的程度相对不高，至今为止，中国所检测

14、到输电线GIC同运行过程内所产生的GIC作用有关的报道十分稀少，可未关注实行检测也属其中的一大原因。国外的研究结果表明：若输电线路的负荷不大会受到GIC制约的可能也不大，因负荷的增大，电力系统对于GIC的敏感程度会提高。出现地磁暴的大概时间能经监测太阳的黑子活动的规律来预先测到，出现磁暴之前，在电网运行的调度单位可对变压器进行适当负载减轻工作，能够规避或减少出现直流偏磁而引发的铁心急剧饱危害及更为严重的事故。较特殊情况下直流输电体系短时用单极的大地回线法，直流电可保持经接地极而进入大地。其幅值高达数千安后直流电在到达大地之后，地内电流可经附近的交流变压器直接的接地中性点和交流输电的线路流至另一

15、端变压器。而经中性点的直流电有可能发生直流偏磁，使得铁心的磁化曲线不对称，饱和出现更严重问题，或引发变压器的噪音提升，导致铁心、螺栓，以及外壳出现过热的情况。2003至2004年，三峡至广东鹅城的直流输电的系统，以及贵州高坡至广东擎庆的直流输电的系统陆续开始进行调试和试运行，监控现场直流输电对交流体系变压器可产生直流偏磁问题，让其运行的时候噪音变高，使其出现严重饱和及诱发电压的波形出现严重的畸形变化，可能引发电网的较大损失。江苏省曾数次发生直流偏磁问题，如在五百千伏的直流输电开始进行单极对地调试及实验运行之后，武南的2组主变压器均出现了噪音大幅度提升问题，测试后此变电所同四周五百或二百千伏的各

16、变电所内全部出现直流电，武南五百千伏的变压器位属于最高值，达到了12.8安。虽然，目前在东北地区还没有高压直流输电系统，但是否些大功率的直流负荷与附近的铁轨和大地也会构成类似直流输电系统单极大地回线运行方式，致使附近交流发电的体系被影响，并出现直流偏磁1。在2007年的2月17号，辽宁抚顺220千伏胜利变#1的主变出现声音异常的问题。因胜利变所处的地理位置比较特殊，在胜利和龙凤矿，以及老虎台及东、西露天等矿的中间，与各矿距离都比较近，经调度与矿区调度核实后确认，抚顺各个矿区直流单极大地回路均为负极接地，经过变压器的中性点的多条直流线同时工作，直流电叠加后的数值很大，容易发生直流偏磁问题，让磁化

17、曲线发生不对称现象，并提高铁心的饱和度，很可能引发噪声显著提升。且运行极的极性相同，主变器内的中性线直流的分量可发生互相叠加，数千安的直流电可保持接地，地内电流的部分经附近中性点和交流输电线，可到达另一端的接地变压器内。在5月25日对胜利变的3类测试包括：（1）#1主变进行12H的空载运行，而中性点做间隙接地，并测出噪音的高低。（2）对#1主变做12小时空载，而中性点则为直接的接地，监测直流电同噪声的强度幅值。（3）#1主变中性点间隙接地，带66KV负荷，监测66KV消弧线圈接地直流电流、噪音大小。测试结果表明，（2）、（3）时直流电流非常小，不超过0.5A，噪音不超过68dB，噪音波动小。（

18、1）时的中性线内直流的电流最高是14.96安，而噪声的最高值为104.1安，且噪音随着直流电流增大而升高，所以胜利变#1初步判定为受直流偏磁影响2。1.1.2 课题研究的意义直流电进入变压器绕组后，可相应在铁芯内加进直流磁通0，这样一来=0+（t），使变压器工作点在伏一安特性上的位置大大上升到饱和(或过饱和)段，其对应的励磁电流急剧增加，轻则十几倍，重则几十倍，因此引起了变压器空载损耗和温升也大幅度增加。若变压器并未出现直流偏磁的情况，励磁的电流谐波主要为奇次波，对应产生的噪声频率是100，200，300，400，500，600，700和800 Hz偶次波。若直流偏磁出现时，则励磁的电流同时具

19、备奇、偶次两类分量，而且只是半个周波存在铁芯过饱和的情况，所以对应出现奇、偶次波的噪声，若实施噪声频谱的分析，就能将其鉴别出。变压器直流的偏磁时，噪声提高时振动同时增大，振动的增大可引发它的紧固件出现松弛问题，例如，轴向压板，压钉，拉板，地脚螺丝等线圈绝缘会磨损，长期效应，可损伤变压器绝缘和抗短路的性能。如江苏武南2组500千伏的交流变压器的直流偏磁提高的时候(达12.8 安)，励磁电流的峰值是33安，而变压器的噪音提高至9l dB，提高了20 dB之多，振动提高至194µm，超出制造厂所给允许数值的接近1倍。而贵州220千伏的2所屯#2主变压器于直流偏磁达6.9A的时候，噪音提升至

20、86 dB，已经给主变压器安全的运行造成很严重的威胁。因中国电网的“西电东送”的容量越来越大，功率大且距离远的输电超高压的直流输电引发的技术方面的问题也越来越严重。因此消除直流偏磁危害意义重大。1.2 直流偏磁研究的现状用单极大地回线或双极不平衡法工作, 较大的直流电可实现接地,并流至直流体系另一端, 电流在大地流过的路径可发生一定电位差。这类电位差的高低受到大地回路的不同地质的条件制约。相对的两个变电站，其相互间不同的地质条件中，在电阻比较大时电位的差也会比较高, 直流电可进行绕组,即励磁电流, 铁心内必须出现直流磁通。此时铁心磁密的饱和度会提升，且会发生直流偏磁的不良问题。有可能让变压器的

21、工作受到不良干扰，在严重的时候可让变压器发生损坏问题，或出现继电的保护误动问题，现在国内外对直流偏磁的使用处理措施包括：(1)方法一，反向电流法。此法为在中性点中注入反向电流，抵消在变压器的线圈内原有的偏磁电流。所采用的装置电压是几百伏，电流是几十安培到几百安培，为了能注入反向电流，站外三百米处需设置1个补偿的接地极，反向电流的发生装置需具备自动补偿性能，技术要求高且十分复杂，但运行体系的参数不变。另一个反向电流的方法为在变压器中设消磁的线圈，经实时的调整此线圈内流经的直流电流，来产生直流的磁势，抵消或者减弱偏磁的电流作用，此法需同有关的设备厂家进行协商和进行配合，牵涉问题比较多，系统在进行的

22、时候很难实施。(2)方法二，串联电容法。此法为把电容串入变压器的中性点同大地间，实现隔断直流的电流之目的。在美国，DEI制造了电容器组同可控硅，以及旁通开关和火花间隙的一类组合设置，在正常运行的时候电容器组能隔离直流的电流，可给60 Hz(或者50 Hz)工频的电流进行低阻的通道支持，在出现故障的时候可控硅能快速的导通(即短路的电容器组)，不但制约了电容器组电压，还能给故障的电流准备通道。在电容器组接入时(旁通开关打开)，其两端所受的电压为数百伏，电容器组容抗为数十欧姆，在系统出现操作或者接地故障的时候，暂态的过程内，同电容器组进行并联火花的间隙可被击穿，并使用旁路电容。火花的间隙优势为可兼顾

23、经济效益的同时，最大化供给通流的容量，此法主要的特征为电容器组在串入变压器的中性点同地网间之后，使系统零序的阻抗出现变化，所以对系统的继电保护同自动化的装置整定需进行重新的校核和计算。系统操作的时候，过电压的倍数可大幅提高，系统的绝缘配合也需重新进行论证。(3)方法三，串联电阻法。此法同串联的电容器组法相似，变压器的中性点同大地间串入阻值大容量的一组电阻，来制约变压器的线圈内直流的电流，可电阻串入后，同时要让变压器的中性点产生非常高对地的电位。如在系统出现接地短路问题的时候，如果故障的电流值是20 kA，对于串入的5电阻而言，它的电压可瞬间提高到100 kV，而发热的功率是2000 MW，在1

24、s里能出现的热量可达2OOO MJ，所以电阻可靠耐受电压同热容的量有较高需要，而且变压器的中性点绝缘的水准也要做论证核算。(4)直流电位补偿法 采用反极性电场补偿原来的地中直流电场，减小因地中电位升高引起的相邻两点电位差，可达对直流偏磁进行限制的目的。而补偿的电流能由地网中的任何一个点注入，通过站外的辅助接地极而形成相应回路。这种方法不但简单易行，而且不改变运行系统的参数，补偿效率比较高，价格也合理。1.3 本文的研究内容综上单极至大地的回线运行方法中，地内直流电流可对附近的交流系统内的中性点直接的接地变压器出现直流偏磁作用。为规避直流的偏磁引发的危害，文中要完成内容为：（1） 进行变压器的直

25、流偏磁出现原理分析，探讨结构不同的变压器对于直流电承受的能力，而且分析出直流偏磁对于变压器具有的作用。（2） 对抑制变压器直流偏磁的各种方法从原理、可行性和对系统的影响进行分析，并对各种方法进行优缺点的比较。（3） 对于深埋的接地极可给直流偏磁带来的作用做分析。第二章 变压器的直流偏磁机理2.1 变压器的直流偏磁机理之所以发生直流偏磁，原因一，高纬度区域的地磁干扰,原因二，HVDC的接地极至变电站出现的电磁耦合。在国外，所做研究基本针对的是第一个因素,而国内所做研究则大都针对第二因素。可解决2类问题的方法相似。在变压器的绕组内流经直流电的时候,会让铁心磁化的曲线出现不对称,并使铁心的饱和更显著

26、,出现直流的偏磁问题。其表现是变压器的运行噪音快速提高,而激磁电流内出现很多谐波,且变压器的消耗无功提高,让系统的无功补偿相关装置出现过载，或者系统的电压出现降低。谐波流至系统，导致电压的波形出现畸形变化,而滤波器会过载, 继电保护则发生错误动作,而合空载长线时因长时的过电压,单相重合闸潜动电流会增加，而断路器恢复所需电压则提升。用中性点接地法实现高压直流的输电，投运初或事故时可用接地极，经大地返回法实现单极的工作。某些大功率的直流符合与附近的铁轨和大地也会构成类似的运行方式。基于上述的直流电经接地极接地，土壤电阻会导致交流体系内的各变电站之间发生电位差。例如2个变电站的地网间具有电位的差距，

27、可让系统内的各个位置的变电站内星型同接地中性点链接需承担电位差的影响。此电位的差可并联大地主变压器的中性点，在运行交流的体系内，可发生直流电, 主变压器的中性点的直流电高低则为地面电位的差同变压器的绕组，包括同输电线路数值一样的电阻相除而得。图2-1为变压器有直流电流经，发生直流偏磁变的励磁特性曲线，包括输出电流的波形改变等。图（a）的虚线为直流分量磁通的曲线。实线为无直流分量的时候磁通的曲线；在图（b）中，属于典型变压器的励磁曲线；而图（c）实线属无直流分量的时候被磁化的电流曲线，另外虚线为发生直流分量的时候励磁电流的曲线的畸形变化3。图 2-1 直流偏磁原理从上图能了解到引入直流的磁通之后

28、，铁心到达饱和的状态，而对应此状态激磁电流的幅值迅速升高，因规则所定，正弦波畸形改变是尖顶波，此波形同励磁的涌流波形类似，同励磁涌流快速的衰减不同。而激磁电流的上、下部的波形在分别为Imax1sint或Imax2sint，从模拟波形可知激磁电流通过如下数学的表达式表示：将以上电流函数在1周期内的积分计算均值，可获直流分量，其结果为： 交换展开付立叶的变换分析数学有关工具，激磁电流可表示成：因此有直流分量时励磁的电流发生畸形改变的主因为变压器磁化的曲线端存在非线性问题。励磁的电流可在铁心磁化的曲线饱和区域内工作，使其正半波发生尖顶，直流电在会更高，励磁电流的波形发生的畸形改变也就更大，工作点也就

29、愈趋近曲线饱和区。即励磁的电流除同变压器的设计密切相关，也同直流电的高低关系很大4。2.2 直流偏磁对于中性点直接接地的变压器作用2.2.1 变压器对直流电流承受力不同各类变压器的绕组内，若流经同样大的直流电，直流偏磁幅会有差异。如三相三柱式构造的变压器，当直流偏磁的电流流经变压器的绕组，三相绕组的电流可均分，而且相位是一致的。偏磁电流磁通应走付边无三角绕组时的0序磁通的通路，也就是磁通通过油隙和箱壁成为回路，它的磁阻较高，若有较高直流的电流才可出现足够高的偏磁，以影响变压器的运行。而三相芯式变压器可承担较高数值的直流电。三相壳式构造的变压器面临的磁阻较小的直流磁通通路，是能允许经过较小的直流

30、电的5。另外三相五柱式的变压器，0序的磁通包括铁芯的2个旁柱所构回路，磁阻相对低。流经直流电相同时，直流的偏磁相对会较大，不能担负较高直流电。对于三相分体式其0序同主磁通磁路可相通，而磁阻也较小。在绕组流经比较低的直流电流的时候，可引发很大程度的偏磁。尤其为对500千伏单相的变压器而言，它空载的电流较低，部分甚至同直流偏磁的电流类似。武汉大学在其电气工程学院中，做了500千伏单项变压器的直流偏磁试验同模拟仿真，所获结果证明：（1）单相变压器在负载低功率状态工作，一次绕组同励磁的电流可做比较，直流入侵变压器，其一次绕组的电流发生严重的畸变。同各次的谐波分量幅值同峰值都随直流电呈直线上升。一次绕组

31、的电流的基础数值比空载的电流高，而它随直流电流而提升线性。（2）直流入侵单相的变压器可导致空载的电流发生重度畸形变化，控载的电流峰值可数次的谐波也随之提升，可基本成直线上升。谐波次数愈少提升愈快。多次谐波相位也会因入侵直流电变化而变。（3）相同负荷时，三相三线制比三相四线制更易直流偏磁。（4）处于三相不对称状态时，直流电于三相内的分配不均。因此此时偏磁最重，绕组电流的峰值同谐波也最大。（5）在不对称的负载工作状态时，有差异的负载连接方法对于直流于三相内所做分配具备相当的作用，而且也作用于各相的变压器偏磁度。（6）额定功率工作时，1次绕组比励磁电流要高很多，直流入侵则1次绕组电流发生的畸形改变并

32、不十分明显。可各次谐波则基本呈直线提升。（7）变压器负载的功率提升，1或3次奇次的谐波也随之提升，并减速。偶次谐波基本不变。所以五百千伏单相变压器所担负直流电的性能相对较低67。所以变压器构造是单或三相的五柱式，而耐受直流的偏磁性能不强。铁心难以饱和，直流磁通可互相抵消，耐受较佳。铁心材料的磁化曲线其拐点的形状较为圆滑的，可允许直流的电流经值会比较大，相反则较小低。磁通密度的设计若其取值低的，则允许直流的电流可较高。因直流偏磁的问题，铁心内的磁通密度最高值能进入励磁特性的曲线饱和之部分，而励磁电流明显提高，波形出现重度畸变，正半波发生尖峰可它的峰值要比武偏磁的时候高很多。明显的直流偏磁若愈重，

33、则励磁的电流也就更大，它的波形畸变就更重。如果励磁的电流太高，能引发变压器的电源侧其断路器由于电流的跳闸出现误动，制约系统正常的工作。而且可导致变压器的铁心太热，且振动增多，谐波太大等相关的很多问题。对变压器于直流电流可担负情况，各研究者作出了直流限的数值为I0同样存在差异。可通常认为I0（每个相）<0.7%的交流额定的有效数值（相电流）的时候时，认为这个影响可以接受。在加拿大Teshment咨询企业提出，在经每一相直流不高于两倍的变压器的额定励磁电流的时候能接受8。2.2.2 直流偏磁给变压器带来的作用在较强的直流电流经过接地极而注入大地的时候，极址的土壤内可形成恒定直流的电流场。如果

34、变电站在接地极电流场的范围中，则场内的变电站之间可能发生电位的差，而直流的电流可能经大地和交流输电的线路，从1个变电站流进，并于另一变电站流出去。如图2-2所示。因变压器通常设计的磁感度于铁心基本的磁化曲线同饱和点接近的附近范围，若流经变压器的绕组直流电流比较高，有可能使变压器的铁心磁场其工作点出现同设计数值的偏离(偏磁)，铁心会出现严重磁饱和的情况，系统内发生各次的谐波，而且变压器的噪音提高，且损耗增多，温度也提升，严重的时候可能危害变压器运行的安全性。图 2-2 大地回流示意图变压器的铁心用的砖钢片等材料其磁感强度B同磁场强度H为线性的关系，见图2-3，磁化的曲线刚开始的时候，随H增加B也

35、快速增多，再根据H增多B也增加，但渐渐趋缓，最后的B同H则趋于线性的关联。图 2-3 硅钢片磁化曲线因变压器的铁心磁化的曲线有饱和（见图2-4）情况，在磁通的密度高于膝点(b点)后，磁路达到饱和。因饱和的深度提升，使磁导率µ会大幅降低，而饱和度愈深的，磁导率就愈小，那么变压器的铁心磁路磁阻会更大。深度的饱和之后，同铁心抽出的效果类似，只余1个空心线圈。会让漏磁通增多，而大量磁通扩至紧固件和变压器的外壳后，感应到涡流，让紧固件出现过热情况，长时工作可损害绝缘。铁心的磁化曲线可同原点对称，这一磁通和励磁的电流波形也同原点对称。对于典型电力的变压器励磁的电流波形做分析，能发现没有直流分量时

36、，除了基波之外，也包含奇次的谐波，而励磁的电流叶内高次的谐波电流不会过多影响电流的有效数值。图 2-4 铁磁材料磁化同磁导率曲线变压器的绕组内励磁的电流含高次谐波分量，可低(中)压绕组常为三角形的接线，属于三次谐波电流的供给通路，经铁心的磁通仍属正弦波，可保电压波形不变。在励磁的电流具直流分量时，铁心的磁化曲线可出现原点的不对称现象，磁通、励磁电流的波形也不同原点呈对称。直流偏磁发生后若体系可供较足电流，铁心内的磁感应度可保持正弦改变的规律，而励磁的电流大幅度提高的时候，波形会出现严重的畸变问题，呈现出尖顶波形，见图2-5，励磁的电流峰值能达到额定励磁电流的一百六十倍。而励磁电流也含直流与各次

37、谐波的分量，涵盖偶次的谐波。直流分量可达无偏磁时的额定励磁的电流的四十七倍，基频的分量更是可达八十二倍，两次的谐波分量达五十四倍，3次谐波的分量则为二十五倍，另4次的谐波分量为八倍，五次谐波的分量是14倍。因此可知直流电流的分量仅需少部分用于产生出偏磁(按磁化的曲线，发生14 T磁感应的强度仅仅需1倍电流即可，多数被高频高倍的励磁电流分量抵消，铁心内不至出现过高的偏磁。图 2-5 直流偏磁1.4吨时励磁电流各次谐波各次谐波对基波的成分起始相位角的关联：二次谐波高于900，三次谐波高于1800。4次谐波落后900。五次谐波及相位，后续谐波据此可类推。直流偏磁时励磁电流所含各次谐波分量，除0序分量

38、很多次谐波均需外部供给，而0序分量因低压绕组常为3角形接线，为3、6次的谐波电流供给的通路，而且使经铁心的磁通仍可给出正弦波，保障电压的波形不改变。随铁心偏磁感应的强度提高，励磁电流的直流分量所包含各次谐波的分量也渐增，但铁心偏磁感应度大于10吨后，其增加速度极快，各次谐波的分量因频率增多出现快速降低，直流的分量比二次谐波的分量少，比三次谐波的分要高。即便直流的分量可达额定的励磁电流数值的百倍，但铁心磁的感应度同原点之间的偏差仍会比1.8吨低。如图2-6所示。 2-6 各次谐波幅值伴铁心偏磁感应度变化的曲线铁心偏磁感应度、励磁电流的直流分量的提升各个次谐波也同直流的分量形成线性的联系。如图2-

39、7所示9。图 2-7 各次谐波幅值同绕组励磁直流电流关系的曲线直流、偶次的谐波分量来源、波形均不对称，饱和度愈深则激磁的电流直流分量就愈高。磁路饱和后使激磁电流发生畸变，可衍生很多含奇、偶次等高的次谐波，衰减也快，饱和度愈深则波形的畸形变化出现的奇、偶次的谐波愈重。按波形若铁心饱和，就不发生直流偏磁，那么谐波的分量则仅需奇次的谐波，无需偶次波同直流的分量，即直流偏磁为偶次谐波及直流分量可发生的重要要素。直流偏磁使激磁电流出现畸形改变，能衍生奇、偶次谐波。电流谐波的改变对变压器的作用表现包括：(1)变压器铁耗增大。励磁电流进至磁化曲线的深度饱和区，让铁心同空气的导磁率相近，使变压器的漏磁大幅提升

40、。而漏磁通可穿越连接片、夹件，包括油箱发生铁耗，且因此使局部过热。铁耗可随铁心的磁密提升明显提升。绕组内的直流分量与铁耗均提升。(2)变压器铜耗增大。铜耗含基本、附加两类。直流电影响使变压器励磁的电流可能发生大幅度提升，基本铜耗也可能提高。主磁通仍是正弦波且磁密改变也较小，直流偏磁电流对附加铜耗影响不大，基本铜耗占主要地位。(3)噪音增大。绕组内有直流电经过则励磁电流会明显提升。直流电若达额定的励磁电流，对单相的变压器其噪声可增强10分贝；若达四倍则噪声可提高20分贝。直流的偏磁让谐波增加，让噪声的频率改变，也可能因某频率同变压器的构件共振而使得噪声变高10。第三章 抑制变压器直流偏磁的方法国

41、外对至直流偏磁的抑制研究较早，如芬兰在上世纪的七十年代即开始了有关研究,有很多工程先例。在国内，有关的研究起步相对晚些,可近些年也成功研发了有关装置，也投入了实际的运行。对HVDC 输电所致的直流偏磁,虽能通过各种方法由源头降低直流偏磁的可能。在实际工作时的双极不平衡运行同直流故障发生后单极的大地回线难以规避,为探究直流的抑制装置安装的一个有效方式。3.1 反向电流法国内外的相关学者指出可用反向直流电消除或减弱不良作用：（1）变压器内中性点串入一直流的电压源，按测得直流电数值对此电压源的设置进行动态化调整，实时供给反向的直流电。电压源应保障几百伏电压，也要满足绝缘要求。在国内针对单或双极的不对

42、称工作的时候，直流偏磁有不利作用，装设的直流电补偿装置对主变内中性点的直流电可实时监测，而且可实现自、手动的跟踪补偿，消除直流偏磁，减少噪音及振动，增强可靠度。应用此装置较为灵活，且能动态选取注入的差异反向的电流。可此装置十分复杂，且价格昂贵，可行性仍需要进行检验。（2）关键的变压器中设消磁的线圈，经实时的调整此线圈的绕组内流经直流的电流数值来发送一定直流的磁势，并抵消减弱窜进直流电流而构成的励磁磁势带来的影响。此法需同有关设备的厂家进行协商和配合，实际的应用方面面临困难较多。所以，反向电流法的理论虽然很简单，但是，在实际操作中却比较困难。所以此方法不做具体介绍11。3.2 串联电容法3.2.

43、1 串联电容法的基本原理此法为把电容串联接至变压器的中性点同系统地间来隔断直流的电流，为了保护此串联电容的系统也要具备火花间隙同并联的开关等各类装置。如图3-1为串联电容法的装置原理图。由正常的通流和快速的旁路，以及中性点的设备接入操作的要求而言，其同串联电容的安装具体要求相像。由操作方式而言，由于此装置只用在阻隔直流的电流方面，所以可预见不出现大地直流的回流的时候能关闭开关，把电容和火花的间隙一同旁路，由此让变压器内的中性点进行直接的接地。在开关开启而且系统稳定工作的时候，中性点接的电容把直流电流进行隔断，而且允许三相的不平衡交流电流经。此类情况中电容器的2端需要担负直流的电压大概是几百伏；

44、电容的容抗达到几十Q的时候，三相不平衡的交流电于中性点发生对地的交流电压的数值大概是几百伏。在暂态的过程出现的时候电容电压可快速提高，会图 3-1 变压器的中性点接地电容并联装置的示意图击穿并联的火花间隙，由此旁路的电容可适时使故障的电流泻放，古币发生可损坏中性点的过电压和对继电保护的系统造成损害。下面分别介绍各主要功能模块：(1)电容模块中主要包含电容同有关限流的熔丝。实践使用时仅需少量的电容即可，而它的大小受两方面限制：阻隔直流但担负直流电压的幅值同交流电流通流的性能。而且电容必须适应火花间隙和开关的保护使用。明显的比较大的电容可供给更多交流电流的通量。需思考为了实现直流的阻隔，电容的2端

45、必须经受一定的直流电压；但处于稳态的时候，三相不平衡的交流电流还可使电容的2端引发相当幅值交流的电压。而暂态的操作中电容的模块可自发吸收幅值比较而言更高些的系统过电压同暂态的电流。这时候的电容会于暂态的周期中担负大幅迅速冲击的电流，而且其伴随作用于电容的2端电压快速的提升。暂态的电流同电压作用会越来与强，并最后使提供旁路火花的间隙设备于设定保护的电压水准下出现闪络。(2)火花间隙的模块，此模块火花的间隙于此装置硬件的设计内是给旁路电路以最初操作的方法支持。所有能使得变压器的中性点对地的电压大大提高的暂态扰动的时候，均须对中性点的电容的可靠旁路以足够重视。对火花间隙的闪络电压的水准具备一定的分散

46、性特征，能经调整有关绝缘配合让它分布于可接受区域中。此方面虽金属氧化锌的避雷器可供给能预测而且比较准确的电压和电流的曲线，但根据对所需要的吸收能量所做的思考，并没有选用。而火花问隙最大的优势为可于兼顾经济成效的同事供给尽量多的通流的容量，它的最强劣势为欠缺有效切断的工频续流性能。而并联开关也正由于为弥补这一不足而增加。如果暂态电弧的电流清除，技能重开旁路的开关，让中性点的电容于装置内再发挥出其作用。(3)旁路开关的模块同火花间隙的操作相互配合属于机械旁路的开关，其可供给变压器内中性点的最后可靠接地。由于它操作的速度比较缓慢，所以仅可用在最终阶段接地的操作方面。而且其让中性点的电容能灵活切入或切

47、出。预计开关的工作时限同普通断路器比较短许多，且开关需要担负最大的电流通常出现在闭合时期。在稳态中持续经过的电流相对比较少。而对开关的闭合在时间方面的要求比十个周期少，于实际的工程内很易获得满足12。3.2.2 串联电容法于实际应用上的可行性分析以三广、天广和贵广等值简化直流输电系统的仿真模型为例来分析串联电容法的可行性，仿真模型见图3-2。图3-2 大地电网等简化图由于电容器容抗的数值同被限直流电流的高低没有关系，所以根据岭澳同大亚湾等四台主变内中性点中各装设的一个容抗是1欧左右的电容器来考虑，折算至50Hz的工频，此电容器值是大概3185µF。对三一广直流的输电系统其双极平衡的运

48、行方法输送的额定功率是3000MW的时候出现单极闭锁的故障之后，则另一极可转成单极大地的回线输送出1500MW的功率运行的方法，并计算和分析出Idc（即直流系统的单极大地回线工作方法中主变内中性点直流的电流）改变的过程，其结果见图10。通过研究可表明，直流输电的系统其接地极的电流是0的时候(即双极平衡的运行方式)或者保持其稳定(单极大地的回线运行法输送的功率不改变)时，Idc是0。所以用主变内中性点中装设的电容器能有效抵消流经中性点直流的电流Idc。在直流输送的功率改变引发流经直流接地极的电流出现改变的时候，会出现暂态电流的流经主变的中性点，通过图3-3能知，大亚湾Idc内考考明显交流的分量，

49、但岭澳Idc内并无交流的分量，因中性点的电容放电回路有差异，岭澳其基本是为非振荡而充放电的过程，但大亚湾是振荡充放电的一个过程；Idc跃变幅值同衰减到0的用时和直流系统所输送的功率改变情况同快慢有关，而Idc 方向同直流系统增减的输送功率有关联。图 3-3 主变的中性点装设电容的时候Idc的曲线图由以上研究可看出：变压器内中性点中装设的电容方式可把Idc限制至0，用此措施主变的中性点所设电容器的数量相对而言比较少，而且能经配合简单化的旁路设施但不再需用特别的绝缘举措，所以由经济视角而言可行。因此主变内的中性点中装设的电容器为抵消流经主变内中性点的直流电流具有可行及有效性的举措13。3.2.3

50、中性点装设电容器的时候有关参数选择基本的原则主变内中性点在装设电容之后，主变的高压侧出现单相接地的故障时，主变内中性点可流经的电流较大，而且出现幅值较大的暂态电压。在电容器的2端电压高于某限值之后，能经电流旁路的保护设备有关动作实现电容器的旁路，来限制中性点的电容器中暂态的电压幅数值，如此就无需容量较高的电容器担负故障电流，可节约安装的空间，并降低成本支出，还可规避给主变内中性点的绝缘带来不良作用，保障变压器的安全性和可靠性工作。短路的故障被清除之后，电流旁路的保护装置可自动返至动作之前的状态，把电容器再投至运行中。如图3-1内的保护间隙是为防止在电容或者别的设备存在故障的时候变压器内中性点发

51、生高于它绝缘能力的高电压。若主变内中性点的电容器出现损坏或者电流旁路的保护装置出现故障问题，就能关闭同其并联旁路的刀闸旁路，让主变内中性点可直接接地，再开启装置2端隔离的刀闸，让它同系统实现隔离，也就是能把电容器或者电流旁路的保护装置做好维修工作。主变内的中性点进行电容器的设计安装需满足连续工作的需要，而且保障主变内的中性点可有效接地。所以电容器和有关保护的装置参数进行选择时需遵循下列基本原则：(1)电容器的容抗数值选择的原则。在选择电容器的阻抗数值的时候需同时满足的条件为：需规避系统内引起工频或者谐波和谐振等出现过电压；不过电流旁路的保护装置有无动作，均不会影响已经投运继电保护的装置的正确动

52、作出现。(2)对电流旁路的保护装置动作电压的选择。电流旁路的保护装置动作其电压需比如下两类电压叠加的数值高：两条直流输电的系统可一起处同极性的单极大地进行回线运行，而且其输送直流的功率是过负荷的最高数值的时候，中性点的电容器2端出现直流的电压；系统可正常工作的时候，中性点的交流电于电容器的2端出现交流电压的峰值。(3)选取电流旁路的保护装置在动作之后保持的时间。电流旁路的保护装置进行动作之后，保持电容器可被旁路时间需比单相接地的故障后备的失灵保护动作的时间长。(4)选取电流旁路的保护装置其应力承受的性能。该选择应同时考虑：单相永久的接地故障时失败的重合闸导致对旁路装置的接连两次的短路冲击；而单

53、相重合闸的时候，系统不在全相运行的情况下流经电流旁路的保护装置不平衡的电流。(5)保护间隙动作电压的选择。他的动作电压需比主变内中性点的绝缘水平低，可需比电流旁路的保护装置其动作的电压高。因电容器容抗的数值同被限直流电流的高低没有关系，为达到规避出现铁磁谐振或者别的过电压的目的，主变的中性点装设电容器的容抗数值需尽量低14。对主变内中性点的装设电容和电流旁路的装置状况，考虑到电流的旁路保护其设备的动作条件为：(1)系统在正常的时候，中性点的电容器可投入正常工作；(2)交流系统出现短路等各类故障的时候，主变的中性点其电压高于动作门槛的数值，则旁路装置的动作(时间是µs级)把电容器的旁路

54、，0.35s之后电流旁路的保护装置可返至最初状态，中性点的电容器可重新运行。在主变的中性点其电压高于动作门槛的数值之后电流的旁路保护类装置的动作在中性点的电容器旁路上。因后备失灵的保护时间的设定问题，再重新把中性点的电容器做运行，而电容器重投进运行的瞬间，在主变的中性点其电压的最大峰值要比短路故障的瞬间暂态电压的水平小，相对旁路装置动作的电压更小，无法再次对旁路进行启动15。3.3 串联电阻法3.3.1 串联电阻法的基本原理经变电站的主变内中性点电流同变压器至直流接地极之间的距离以及接地的电阻分布情况，包括架空线路的特点等有密切关系。使用串联的电阻降低中性点的直流电流其原理如图3-4。从图中可

55、知流过2台中性点的直接接地的变压器其直流电流I2受如下因素制约：变压器内中性点所处点地电的位差，以及变电站的接地电阻的数值，还包括变压器各相绕组的直流电阻和接连变压器各相线路的直流电阻数值。因串接的电阻器相当于提高了地上的支路电阻数值，而电流一定会有更多流过大地土壤的支路，因此可达限制地内电流进到交流系统的目标。图 3-4 中性点串接的电阻限制地中电流流入的原理图若2台变压器内中性点的评价串入直流的电阻数值是R的小电阻，经推导中性点的典型直流电流数值简易的计算公式，能获得中性点串接入小电阻之后对于直流电流产生的作用(图12)。通过图3-5，可知加的小电阻的数值大概为1.5的时候，变压器绕组所流

56、经直流电流会削弱到之前的一半。且因电阻值提升，经过直流电流的数值也会减小。若正常工作的时候流经中性点三相的不平衡的交流电流，只有数A，但接地的故障出现时最大的可达数十kA。而接入中性点的电阻可某种程度降低它的幅值，可也能使所接变压器的中性点具有较高对地的电位。如果根据10kA故障的电流进行估算，它对地的电位可快速提高到8OkV，而所串的小电阻发热的功率是800MW，但1s中能产生800MJ的热。在串入电阻之后可降低系统的谐振率，可有效减少故障短路的电流数值。从常见单相短路类的故障来看，单相短路的电流为：取典型系统序参数X0=120,X1=130则IF=E/127。考虑到中性点在串接小的电阻之后

57、，单相的短路电流数值IF=E/(127+3R)，要使作图更方便，则取值E=1，可得故障电流的变化曲线图(即图3-6)。通过该图能知，因中性点串的小电阻数值提升, IF也会跟着降低。如果小电阻值为4O时，大概减少到原先幅值的二分之一16。图 3-5 中性点接小电阻给减小中性点的直流电流的影响曲线图图 3-6 中性点接小电阻对单相短路电流影响示意图3.3.2 分析串联电阻法带给继电保护的影响继电保护的系统为电力系统得到安全运行十分重要的保障。而变压器内中性点在接入电阻器后,将电网零序的参数做了改变,出现不对称的接地故障而且阻隔装置进行有效接入的时候，继电保护有可能受一定影响。典型高压的变电站内主变压器的主保护配置通常是比率制动式的差动保护，及工频变化量的比率差动的保护，包括差动速断的保护与对应本体主保护瓦斯的保护，还包括油温和压力释放等保护。高压侧的后备保护配置通常具备反映出相间短路的故障相间阻抗的保护和复合电压的启动过电流的保护，以及负序电流的保护等；而反映出接地故障变压器内中性点的直接接地时候零序的电流保护同中性点若不接地的时候零序电压的保护，包括中性点间隙的零序电流的保护和二段零序方向的过流保护;可反映出容量于0.4 MVA和以上的变压器对称的过负荷的保护等。中性点间隙的零序电流和电压的保护适合用在变压器内中