变压器直流偏磁现象的两种成因及其实验分析

1、变压器直流偏磁现象的两种成因及其实验分析刘路1，刘瑾21 云南电网公司昆明供电局，云南 昆明 6500112 云南大学，云南 昆明 650091摘 要：HVDC以单极-大地方式运行时，处于不同地电位的中性点交流变压器中会产生直流电流；GIC的频率很低，相对于工频可视为准直流，故GIC和HVDC都会引起变压器的直流偏磁现象。变压器直流偏磁会引起变压器噪声加剧、无功损耗和励磁电流谐波含量增加等影响，严重时可造成变压器绝缘老化甚至损坏。本文通过直流偏磁的模拟实验监测结果分析了云南交流电网的11个变电站中变压器存在直流偏磁的潜在威胁，并阐述了利用云南电网直流偏磁在线监测系统进行GIC影响研究的必要性和

2、已经具备的条件。关键词：直流偏磁;地磁感应电流;高压直流输电系统Abstract:The direct cuurent bias is genetated at different ground potential neutral point of transformer when high voltage direct current is in the model ofmonopole-grounded operation.GIC can be seems to be quasi-direct current because of its frequency is lower extrem

3、ly than operating frequency.So both of GIC and HVDC in model of monopole-grounded operation can lead to the phenomenon of direct cuurent bias. The direct cuurent bias of tranformer may cause aggravation ofnoise,reactive power loss,increasing of harmonic wave in field current,even ageing or damaging

4、transformer. It was analyzed that the potential menace of direct current in the transfomers of 11 Yunnan electric substations by the monitoring result ofsimulated experiment.It was also expounded that the nessity and currently available conditions to start GIC research by the on-line monitoring syst

5、em of Yunnan Power Grid.Key words:DC bias;GIC;HVDC systerm一、前言及背景直流偏磁从电力变压器的物理现象来分析，是指由于某种非常规状态下的原因所产生的磁势，以及由此引发的一系列电磁效应，是电力变压器的一种非正常工作1。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。全球关于GIC对电网的影响及预报的研究始于上世纪80年代。1989年的特大磁暴在加拿大魁北克、瑞典马尔默等地区曾导致过大面积电网停运及大量变压器、线路保护跳闸事故，事故后长达7年的治理和改造，投资费用

6、约8.34亿加元。近30年来，由于国外电力系统与地球和空间科学研究单位的交流合作，该课题的研究取得了巨大进展。国内对GIC问题的研究尚处于初级阶段，以华北电力大学刘连光为代表的研究组分别对GIC和HVDC单极大地运行产生的直流偏磁进行了仿真计算和对比分析，结果表明：对于同一台变压器，GIC和HVDC的单极-大地运行在变压器绕组中产生的直流电流相等时，后者比前者在变压器中引起的直流偏磁程度大，而前者在幅值上相对较大，所以，HVDC的单极-大地运行对变压器的直流偏磁影响是局部的，而磁暴的覆盖范围很广，故GIC对电网整体的影响远大于HVDC。二、直流偏磁的成因（一）太阳活动产生的地磁感应电流太阳活动

7、，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（0.001Hz0.1Hz），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。（二）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，由于大地并非绝对意义上的零电阻导体，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

8、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。（三）直流偏磁对变压器影响程度的制约因素GIC和HVDC对变压器的影响程度的大小取决于变压器直流偏磁程度的大小，而影响变压器直流偏磁程度的两个主要因素是变压器铁心结构和变压器绕组连接形式。直流偏磁对三相变压器组的影响最大，其次是三相五柱变压器，对三相三柱变压器的影响程度最小。由于GIC和HVDC引起的直流磁通在变压器铁心中的磁路完全相同，所以GIC和HVDC对相同铁心结

9、构变压器的影响程度是相同的。虽然GIC和HVDC单极-大地运行都能引起变压器的直流偏磁，但就变压器中产生的直流电流而言，GIC的时间变化率比HVDC单极-大地运行在变压器中产生的电流随时间的变化率大得多。接地方式是影响GIC的主要因素。例如，1989年魁北克电网大停电事故的事故数据显示，瑟堡哥茅变电站的故障录波器记录到在SVC跳闸前系统中含有大量谐波，其中SVC电抗器、电容器支路2次谐波电流含量分别为9和38，3次谐波电流含量分别为12和24。由于3次和3倍次谐波电流属于零序性质，但该系统中自耦变压器的一侧没有角接绕组，因此对3次和3倍次谐波没有抑制作用，谐波可顺利进入变压器16kV侧系统。因

10、此 2可以推断，自耦变压器是魁北克系统遭受GIC侵袭时危害增大的主要原因之一。三、直流偏磁实际监测结果的分析（一）国内电网GIC监测实例2006年12月磁暴影响广东电网事件。根据文献2，由于提前得知2006年12月14至16日将有强磁暴发生的信息，刘连光教授的课题组获得了广东岭澳电站和广东电网天、仙溪、唐美等7个变电站的数据。岭澳1号变压器GIC的监测装置捕获到16.6A的峰值电流，同时监测到在磁暴发生前(地磁水平分量平缓段)变压器中性点出现了一些尖峰电流。广东电网仰天、仙溪、唐美、三水、罗洞、雷岗和九潭7个变电站在磁暴发生前也存在类似的尖峰电流。2003年10月广西北海某220kV主变异常事

11、件。2003年10月底至11月中旬期间发生过罕见的特大磁暴3。同一时间，位于中低纬度的广西电网有迹象表4明同样受到了这次磁暴的影响。文献对此现象进行了描述，2003年10月对广西北海某220kV变电站2号主变连续3次发出沉重的“嗡嗡”声，持续时间1.5分钟左右后自动消失。第一次时刻为4时20分，第二次时间为9时20分，第三次时间为10时20分。三次噪声异常发生后，经检查，主变三侧开关、CT、避雷器、刀闸，以及保护和信号等均未发现任何异常。11月5日18时，主变噪声有少许异常，比正常响声大一点，2分钟左右消失。11月20日20时38分，主变有较为沉重的“嗡嗡”声，经全面检查未发现异常。2004年

12、12月对主变进行了吊罩大修，认为噪声异常是绕组垫块、绝缘支架等部件松动引起的。由于文献4对北海主变噪声异常现象的描述是不连续的，以及主变31日和11月20日较大异常与强磁暴发生时间完全吻合，11月5日较小异常与中强磁暴发生时间吻合；因此，可确定GIC是导致北海主变噪声异常的主要原因，主变个别部件松动是直流偏磁所致5。（二）直流系统单极-大地方式直流偏磁电流对的模拟监测实验 为深入研究±800kV云广直流输电工程对云南交流输电网的影响，云南电网公司成立了专门的测试项目组。测试项目组针对2009年7月11日，单极大地运行各种工况下，重点对接地极附近11座变电站进行偏磁和电能质量（谐波电压

13、和二次谐波电流）测试。偏磁实验中，分别测试了单极大地运行输送功率300MW、400MW、500MW、600MW及750MW不同工况、不同时段的数据。表1为750MW工况下的被测变电站变压器中性点电流测量值。站名 和平 禄丰 狮山 三岔 虹桥 轿子山测量值0.022站名 草铺测量值0.634 0.201*厂口 2.24 0.02 东郊 0.302 0.2302嵩明 2.05 0.029*新村 3.40 0.188*表1 750MW工况下的测量结果汇总 注：带*号数据为无背景噪声测试的数据通过仿真计算，当云广直流满载单极大地运行方式下（3125A直流电流入地），被监测变电站的主变中性点直流电流值可

14、能达到表2所示的数值。站名 和平 禄丰 狮山 三岔 虹桥 轿子山测量值站名测量值0.27 草铺 1.12 0.42 厂口 4.22 0.63 东郊 0.05 0.52 嵩明 3.67 0.18 新村 5.90 0.20表2 单极3125A情况下中性点电流计算值500kV厂口变电站：根据我国高压直流接地极技术导则（DL4371991）中规定通过变压器绕组中直流电流不大于额定电流的0.7%。厂口变电站有2台主变，单台容量为750MW，故单台主变能承受的直流电流为6.0612A。根据表2，厂口变电站的主变中性点直流电流会达到4.22A，接近主变能够承受的直流电流临界值，存在直流偏磁的危险。需要引起特

15、别注意的是，厂口站500kV主变压器属自耦变压器。自耦变压器中性点流过的直流电流仅为公共绕组的偏磁电流，其大小与串接绕组上流过的直流电流不同。目前尚未有方法可以测量串接绕组上流过的直流电流。在3125A直流电流入地的情况下，厂口站500kV自耦变压器串接绕组上流过的总直流电流将大于4.22A。串接绕组电流方向与中性点直流方向相同，只不过幅值更大，会加剧主变直流偏磁现象。220kV嵩明变电站：按变压器绕组中直流电流不大于额定电流的0.7%计算，嵩明变电站有两台主变，单台主变容量为180MW，故单台主变能承受的直流电流为3.306A。根据表2，嵩明变电站的主变中性点直流电流会达到3.67A，接近主

16、变能够承受的直流电流临界值，存在直流偏磁风险。220kV新村变电站：按变压器绕组中直流电流不大于额定电流的0.7%计算，新村变电站有两台主变，单台主变容量为150MW，故单台主变能承受的直流电流为2.756A，新村变电站的直流电流均超标，需要引起重视。根据表2，新村变电站的主变中性点直流电流会达到5.9A，接近主变能够承受的直流电流临界值，存在直流偏磁风险。其他变电站：现场测量数据表明，±800kV云广直流输电工程对云南电网绝大部分220kV和500kV变电站无特别明显影响。四、云南电网开展GIC影响研究的必要性及已具备的条件云南电网地处高原，网架结构复杂，在设备的日常运行中还尚未考

17、虑到GIC的负面影响，对GIC的实际监测研究也是个空白，具体从事电力设备维护和检修的单位或人员对GIC的原理不熟悉，往往将电力设备的异常扰动完全归咎于其他因素。加之，当前±800云广千伏直流输电工程已经双极投入运行，500千伏交流骨干电网同时肩负着“西电东送”的重任，云南电网正处于交、直流输电方式同步运行的复杂模式。因此，深入地探讨GIC的产生机理、相关因素和建立适用于特定地区的GIC实时监测预报模型对云南电网的稳定安全运行有着极其重要 4的意义。同时，通过可获得的空间天气在线监测数据反演得到的GIC和地磁场分量变化率，一方面为进一步验证和完善GIC的理论计算模型提供依据，另一方面也

18、为将来建立GIC的神经网络预报模型提供有效数据。昆明电网公司电力研究院已经开展了HVDC系统单极-大地方式下，对网内交流主变压器影响的研究工作，并在新村、嵩明等多个变电站主变压器中性点加装了自行研发的“变压器偏磁直流监控装置”，实现了对主变压器中性点直流偏磁实时数据的采集和收集。采集到的数据对GIC研究也有非常重要的参考价值，如果可以做到数据共享，将对云南电网GIC的研究提供了重要有利的条件。与此同时，近两年国外对于GIC研究的焦点由传统地局限在高纬度发达国家扩展到了中低纬度的发展中国家，国际研究背景的大幅度扩展对国内GIC的研究提供了非常有利的条件。五、结论及展望地磁感应电流和高压直流输电系统单极大地方式运行都会引起变压器直流偏磁。随着太阳磁暴活动高峰期日益临近，加之东西向超高压、长距离的输电线路日益增加，由GIC引起的直流偏磁对交流中性点接地系统的电力变压器影