大型换流变压器直流偏磁问题：成因、影响与应对策略

大型换流变压器直流偏磁问题：成因、影响与应对策略一、引言1.1研究背景与意义随着经济的快速发展和能源需求的持续增长，电力系统作为现代社会的关键基础设施，其规模不断扩大，结构日益复杂。在电力传输领域，直流输电技术凭借其输电距离长、容量大、损耗低以及能有效连接不同频率交流系统等独特优势，得到了广泛应用与迅速发展。大型换流变压器作为直流输电系统中的核心设备，承担着交直流电能转换与传输的重要任务，对整个电力系统的稳定运行起着举足轻重的作用。然而，在换流变压器的实际运行过程中，直流偏磁问题逐渐凸显，成为影响其安全稳定运行的关键因素之一。直流偏磁是指在换流变压器中，由于交流信号和直流信号同时存在，交、直流信号在铁芯中的分布及漏磁通分布不同，导致铁芯磁通密度不对称的现象。这一现象会引发铁芯、绕组等部分的不稳定磁场分布，进而产生一系列严重问题。从实际案例来看，在一些直流输电工程中，当直流系统单极大地运行时，接地极附近的交流变电站变压器出现了明显的直流偏磁现象。例如，某换流站周边的变压器在直流系统单极大地运行期间，噪声急剧增大，振动加剧，甚至超出了设备的正常运行范围，对周边环境和设备安全造成了严重威胁。同时，由于直流偏磁导致变压器损耗大幅增加，发热严重，影响了设备的使用寿命和可靠性，甚至引发了多次非计划停电事故，给电力系统的安全稳定运行和电力供应带来了巨大挑战。直流偏磁对换流变压器的影响是多方面的。在励磁电流方面，直流偏磁会使励磁电流发生畸变，出现大量谐波，不仅增加了变压器自身的损耗，还会对电网中的其他设备产生干扰，影响整个电网的电能质量。例如，谐波会导致电网中的电容器过热、损坏，使继电保护装置误动作，严重威胁电网的安全稳定运行。在铁芯损耗和温升方面，直流偏磁导致铁芯高度饱和，使得铁芯损耗显著增加，进而引起铁芯温度升高。如果温度过高且持续时间较长，会加速变压器绝缘材料的老化，降低绝缘性能，增加变压器发生故障的风险，甚至可能引发火灾等严重事故。此外，漏磁通的增加也会在变压器的金属结构件中产生涡流损耗，导致局部过热，进一步影响变压器的正常运行。在振动和噪声方面，直流偏磁会使变压器的振动和噪声明显增大，不仅影响设备的正常运行和维护，还会对周围环境和居民生活造成不良影响，引发社会问题。研究大型换流变压器直流偏磁问题具有极其重要的现实意义。对于电力系统的稳定运行而言，有效解决直流偏磁问题能够确保换流变压器的可靠运行，减少设备故障和停电事故的发生，提高电力系统的供电可靠性和稳定性。稳定的电力供应是现代社会经济发展的重要保障，对于工业生产、商业活动以及居民生活都至关重要。一旦电力系统出现故障，将会给社会经济带来巨大损失。从设备寿命和维护成本角度来看，减轻直流偏磁对换流变压器的损害，可以延长设备的使用寿命，降低设备的维护和更换成本。换流变压器作为大型电力设备，其采购、安装和维护成本都非常高昂，延长设备寿命可以为电力企业节省大量资金，提高企业的经济效益。而且，解决直流偏磁问题还有助于提高电力系统的运行效率，降低能源损耗，促进能源的合理利用，符合可持续发展的战略要求。在能源紧张和环保要求日益严格的今天，提高能源利用效率，减少能源浪费，对于实现经济社会的可持续发展具有重要意义。1.2国内外研究现状随着直流输电技术的广泛应用，换流变压器直流偏磁问题逐渐受到国内外学者的高度关注，在产生原因、影响以及解决措施等方面都取得了一系列研究成果。在直流偏磁产生原因的研究方面，国外起步较早。上世纪，国外学者就已发现高压直流输电系统（HVDC）单极-大地运行方式会导致直流电流流入交流变压器中性点，从而引发直流偏磁现象。如文献《变压器直流偏磁》指出，当直流输电系统以单极大地方式运行时，大地作为回流电路，会有高达数千安的直流电流流过，直流接地极附近电场分布改变，不同地点地表电势不同，交流电网中就会有直流电流从接地的中性点流入变压器，进而产生直流偏磁。此外，太阳活动产生的地磁感应电流（GIC）也是引发直流偏磁的重要因素之一。1989年加拿大魁北克地区因特大磁暴导致大面积电网停运及大量变压器、线路保护跳闸事故，这一事件促使国外对GIC引发的直流偏磁问题展开深入研究。国内对直流偏磁产生原因的研究也较为全面。研究发现，除了HVDC单极-大地运行和GIC外，供电电源的直流电污染、变压器内部的直流峰值以及变压器负载的影响等，都可能导致直流偏磁问题的出现。在一些工业用电场景中，由于供电电源存在谐波等直流电污染情况，会使接入该电源的变压器出现直流偏磁现象。对于直流偏磁对换流变压器影响的研究，国内外学者也做了大量工作。在励磁电流方面，众多研究表明，直流偏磁会使励磁电流发生畸变，产生大量谐波。国外有研究通过对变压器模型的实验分析，证实了直流偏磁会导致励磁电流正负半波明显不对称，且含有大量奇次谐波、直流分量和偶次谐波。国内学者运用二维瞬态场路直接耦合有限元法，借助大型有限元分析软件，定量分析了不同等级直流偏磁电流作用下换流变压器空载运行时的励磁电流波形，结果表明直流偏磁量越大，励磁电流的畸变越严重。在铁芯损耗和温升方面，研究发现直流偏磁会使铁芯高度饱和，导致铁芯损耗显著增加，进而引起铁芯温度升高。国外相关研究通过对实际运行变压器的监测数据进行分析，得出随着直流偏磁电流的增加，铁芯损耗呈上升趋势，严重时会导致铁芯局部过热的结论。国内学者通过建立换流变压器二维漏磁场计算模型，应用二维瞬态场路直接耦合有限元法，分析了不同等级直流偏磁电流作用下换流变压器漏磁场分布情况，发现随着直流偏磁量的增加，漏磁增加，会在变压器金属结构件中产生涡流损耗，进一步加剧局部过热问题。在振动和噪声方面，国内外研究均表明，直流偏磁会使变压器的振动和噪声明显增大。从现场监测数据可知，变压器的振动噪声与中性线直流电流的增加密切相关，直流偏磁引起的大量漏磁使变压器绕组所受的洛伦兹力增加，加剧了变压器绕组的振动，同时励磁电流的增加使变压器的磁致伸缩力增加，加剧了变压器铁心片的振动，从而辐射更强的空载噪声。在解决换流变压器直流偏磁问题的措施研究上，国内外也有诸多探索。国外一些研究提出通过优化直流输电系统的控制策略，减少直流电流流入交流系统，从而降低直流偏磁的影响。在一些直流输电工程中，采用了先进的换流器控制技术，有效抑制了直流偏磁电流的产生。国内则在技术手段和设备改进方面进行了大量研究。有学者提出在变压器中性点串联电容或电感，通过改变电路参数来阻止直流电流流入变压器，从而减轻直流偏磁现象。还有研究针对变压器的装置、控制等方面进行改进，如优化变压器的铁心结构和绕组连接形式，以提高变压器自身对直流偏磁的耐受能力；通过技术手段或算法改变直流偏磁分布，从而达到减缓直流偏磁问题的效果。一些智能算法被应用于直流偏磁的分析与控制中，通过对变压器运行数据的实时监测和分析，及时调整控制策略，有效降低了直流偏磁的影响。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本研究聚焦于大型换流变压器直流偏磁问题，旨在全面深入地剖析这一现象，为解决实际工程中的相关问题提供理论支持和实践指导。具体研究内容如下：直流偏磁产生原因的深入剖析：从多个角度系统研究直流偏磁产生的原因。一方面，详细分析高压直流输电系统（HVDC）单极-大地运行方式对直流偏磁的影响机制。研究直流接地极附近电场分布的变化规律，以及不同地点地表电势差异如何导致直流电流流入交流变压器中性点，进而引发直流偏磁现象。另一方面，深入探讨太阳活动产生的地磁感应电流（GIC）与直流偏磁的关联。分析太阳活动的周期性变化对GIC产生的影响，以及GIC在输电线、中性点接地变压器和大地回路中的传导特性，明确其如何导致变压器直流偏磁现象的发生。此外，还将研究供电电源的直流电污染、变压器内部的直流峰值以及变压器负载等因素对直流偏磁问题的影响。分析供电电源中谐波等直流电污染情况，如何通过电源接入影响变压器的运行状态，导致直流偏磁现象的出现；研究变压器内部结构和运行参数对直流峰值的影响，以及直流峰值如何引发直流偏磁问题；探讨变压器负载的变化对直流偏磁的影响，包括负载的类型、大小和变化频率等因素与直流偏磁之间的关系。直流偏磁对换流变压器影响的定量分析：运用先进的分析方法和工具，对直流偏磁对换流变压器的影响进行全面且深入的定量分析。在励磁电流方面，借助二维瞬态场路直接耦合有限元法，结合大型有限元分析软件，建立精确的换流变压器模型，深入研究不同等级直流偏磁电流作用下，换流变压器空载运行时的励磁电流波形变化规律。分析励磁电流正负半波的不对称程度，以及直流偏磁量与励磁电流畸变程度之间的定量关系，明确直流偏磁对励磁电流谐波含量的影响。在铁芯损耗和温升方面，基于铁芯空载损耗数据的方法，结合热传导理论和实验测量，研究不同等级直流偏磁电流作用下，换流变压器铁芯损耗的变化情况。建立铁芯损耗与直流偏磁电流之间的数学模型，分析铁芯损耗的增加如何导致铁芯温升上升，以及温升对变压器绝缘性能和使用寿命的影响。在漏磁场方面，合理简化变压器的结构和磁场分布，建立换流变压器二维漏磁场计算模型，应用二维瞬态场路直接耦合有限元法，分析不同等级直流偏磁电流作用下，换流变压器漏磁场分布情况。研究漏磁场分量在不同位置的变化规律，以及漏磁增加对变压器金属结构件中涡流损耗的影响，明确漏磁场与变压器局部过热之间的关系。在振动和噪声方面，通过实验测量和理论分析相结合的方法，研究直流偏磁对变压器振动和噪声的影响。分析直流偏磁引起的漏磁增加如何使变压器绕组所受的洛伦兹力增加，进而加剧变压器绕组的振动；研究励磁电流的增加如何使变压器的磁致伸缩力增加，从而加剧变压器铁心片的振动，建立振动和噪声与直流偏磁之间的定量关系。直流偏磁检测方法的研究与优化：全面研究现有的直流偏磁检测方法，并针对其不足进行优化和改进。一方面，对在线实时监测法进行深入研究，包括基于变压器中性点直流电流监测、基于励磁电流谐波监测、基于振动和噪声监测等方法。分析这些方法的原理、优缺点以及适用范围，研究如何提高监测的准确性和可靠性。例如，在基于变压器中性点直流电流监测方法中，研究如何减少测量误差，提高测量精度；在基于励磁电流谐波监测方法中，研究如何准确提取谐波分量，避免其他干扰因素的影响；在基于振动和噪声监测方法中，研究如何提高监测的灵敏度，准确判断直流偏磁的程度。另一方面，对离线实验研究法进行探索，如基于变压器模型实验、基于有限元仿真分析等方法。分析这些方法在研究直流偏磁特性和验证检测方法有效性方面的作用，研究如何通过实验和仿真相结合的方式，更全面地了解直流偏磁现象。例如，在基于变压器模型实验中，研究如何设计合理的实验方案，模拟实际运行中的直流偏磁情况；在基于有限元仿真分析中，研究如何建立准确的模型，提高仿真结果的可信度。在此基础上，探索新的检测方法和技术，结合现代信号处理技术和智能算法，如小波变换、神经网络等，提高直流偏磁检测的精度和效率。直流偏磁解决方案的探索与实践：针对直流偏磁问题，系统探索有效的解决方案，并通过实际案例进行验证和优化。一方面，从技术手段和设备改进方面入手，研究在变压器中性点串联电容或电感的方法，通过改变电路参数来阻止直流电流流入变压器，减轻直流偏磁现象。分析不同电容和电感参数对抑制直流偏磁的效果，研究如何选择合适的参数以达到最佳的抑制效果。另一方面，研究优化变压器的铁心结构和绕组连接形式，以提高变压器自身对直流偏磁的耐受能力。通过有限元分析和实验研究，探索新型的铁心结构和绕组连接方式，分析其对直流偏磁的抑制作用和对变压器性能的影响。此外，研究通过技术手段或算法改变直流偏磁分布，从而达到减缓直流偏磁问题的效果。例如，利用智能算法对变压器运行数据进行实时监测和分析，及时调整控制策略，改变直流偏磁的分布，降低其对变压器的影响。同时，结合实际工程案例，对各种解决方案的应用效果进行评估和比较，分析不同方案的优缺点和适用范围，为实际工程应用提供参考依据。1.3.2研究方法为了实现上述研究内容，本研究将综合运用多种研究方法，确保研究的全面性、深入性和可靠性。具体研究方法如下：文献研究法：全面收集国内外关于大型换流变压器直流偏磁问题的相关文献资料，包括学术论文、研究报告、工程案例等。对这些文献进行系统梳理和分析，了解该领域的研究现状、发展趋势以及存在的问题，为本研究提供理论基础和研究思路。通过对文献的研究，总结前人在直流偏磁产生原因、影响以及解决措施等方面的研究成果，分析其研究方法和实验数据，借鉴其成功经验，避免重复研究，同时发现现有研究的不足之处，明确本研究的重点和方向。案例分析法：深入分析国内外典型的直流输电工程中换流变压器直流偏磁问题的实际案例。通过对这些案例的详细调研，收集相关数据，包括直流偏磁产生的背景、运行参数、检测数据、故障现象等。对案例数据进行深入分析，总结直流偏磁问题的发生规律、影响程度以及解决措施的实际效果，为理论研究提供实践依据。例如，分析某直流输电工程中，在直流系统单极大地运行期间，换流变压器出现直流偏磁问题的具体情况，研究直流偏磁对变压器运行参数的影响，以及采取的抑制措施的实施效果，从中总结经验教训，为其他工程提供参考。实验研究法：搭建换流变压器实验平台，模拟不同工况下的直流偏磁现象。通过实验测量，获取变压器在直流偏磁状态下的励磁电流、铁芯损耗、温升、漏磁场、振动和噪声等数据。对实验数据进行分析和处理，验证理论分析的正确性，为研究直流偏磁的影响和解决方案提供实验支持。例如，在实验平台上，通过改变直流偏磁电流的大小和方向，测量变压器的励磁电流波形，分析直流偏磁对励磁电流的影响；测量铁芯的损耗和温升，研究直流偏磁对铁芯性能的影响；测量变压器的振动和噪声，分析直流偏磁对变压器运行稳定性的影响。通过实验研究，还可以探索新的检测方法和解决方案，为实际工程应用提供技术支持。数值模拟法：运用大型有限元分析软件，建立换流变压器的二维或三维模型，对直流偏磁问题进行数值模拟分析。通过模拟不同等级直流偏磁电流作用下变压器的电磁场分布、温度场分布、应力场分布等，深入研究直流偏磁的影响机制和规律。数值模拟可以弥补实验研究的局限性，对一些难以通过实验测量的参数进行分析，为实验研究提供理论指导。例如，利用有限元分析软件，建立换流变压器的三维模型，模拟直流偏磁电流作用下变压器内部的电磁场分布，分析漏磁场的变化规律；模拟温度场分布，研究铁芯和绕组的温升情况；模拟应力场分布，分析变压器结构件的受力情况。通过数值模拟，可以深入了解直流偏磁对变压器的影响，为优化变压器设计和制定解决方案提供依据。二、大型换流变压器直流偏磁问题的产生原因2.1太阳活动引发的地磁“风暴”太阳活动是产生地磁“风暴”的主要根源，其活动的剧烈程度直接影响着地磁“风暴”的强度和频率。太阳表面的耀斑爆发和日冕物质抛射等现象，会释放出大量的能量和高速等离子体流。这些高速等离子体流以极高的速度射向地球，与地球的磁场相互作用，从而引发地磁“风暴”。当太阳耀斑爆发时，会在短时间内释放出巨大的能量，这些能量以电磁辐射和粒子流的形式向四周传播。其中，高能粒子流会与地球的磁层发生相互作用，导致地球磁场的剧烈变化。日冕物质抛射则是太阳表面的物质突然喷发，形成一股强大的等离子体云，以每秒数百千米甚至更高的速度冲向地球。当这些等离子体云到达地球时，会与地球的磁场相互作用，使地球磁场受到强烈的扰动，从而引发地磁“风暴”。地磁“风暴”发生时，地磁场会发生剧烈的变化，这种变化会在地球表面诱发电位梯度。根据电磁感应原理，变化的磁场会在导体中产生感应电动势。当地磁场发生剧烈变化时，在地球表面的导体，如输电线路、金属管道等中就会产生感应电动势，进而形成感应电流。由于地磁“风暴”引起的地磁场变化是低频且具有一定持续时间的，所以在导体中产生的感应电流频率也较低，一般在0.01-1Hz之间。与50Hz的交流系统相比较，这种低频感应电流可以近似看成直流。当这种地磁感应电流作用于中性点接地的电力变压器时，就会在绕组中诱发直流电流分量，从而导致直流偏磁现象的发生。地磁感应电流在变压器绕组中诱发直流偏磁的过程较为复杂。变压器是利用电磁感应原理工作的设备，其铁心是磁路的主要通道，绕组则是电路的组成部分。正常情况下，变压器的励磁电流是正弦波，其大小和相位由电源电压和变压器的参数决定。当有地磁感应电流流入变压器中性点时，该电流会成为变压器励磁电流的一部分。由于直流电流的特点是大小和方向不随时间变化，它会使变压器铁心的工作点发生偏移，改变了变压器原来的磁化曲线工作区。原本在正常工作状态下，铁心的磁通密度处于磁化曲线的线性区域，励磁电流与磁通密度呈线性关系。但当有直流偏磁电流存在时，直流电流使铁心偏磁，导致原来磁化曲线工作区的一部分移至铁心磁饱和区。在磁饱和区，铁心的磁导率急剧下降，励磁电流与磁通密度不再呈线性关系，而是呈现出非线性的变化。这就使得总励磁电流变成尖顶波，发生畸变，最终导致变压器出现直流偏磁现象。在1989年3月，太阳发生了强烈的耀斑爆发和日冕物质抛射，引发了一场强烈的地磁“风暴”。这次地磁“风暴”导致加拿大魁北克地区的电网受到严重影响，大量的变压器因直流偏磁而出现故障，造成了大面积的停电事故。据统计，此次事故导致魁北克省电网的600多万居民停电，停电时间长达9小时，给当地的社会经济和居民生活带来了巨大的损失。通过对此次事故的分析，发现是地磁“风暴”产生的地磁感应电流流入了变压器绕组，引发了严重的直流偏磁现象，导致变压器的励磁电流急剧增大，铁芯饱和，最终造成变压器损坏。这一事件也引起了全球电力行业对太阳活动引发的直流偏磁问题的高度关注。二、大型换流变压器直流偏磁问题的产生原因2.2直流输电线路的运行方式2.2.1单极运行方式直流输电系统在运行过程中，单极运行方式是较为常见的一种特殊工况。在这种运行方式下，系统利用大地作为导体，形成电流回路。由于大地并非理想的零电阻导体，当直流电流通过大地回流时，会在大地中产生电位分布。以某实际的直流输电工程为例，当该工程采用单极运行方式时，强大的直流电流经接地极注入大地。在接地极附近，土壤中的电场分布发生改变，形成了一个恒定的电场。距离接地极不同位置的地表电势不同，这种地表电势的差异会对附近的交流输电系统产生影响。如果交流输电系统的变电站距离换流站较近，且交流变压器的中性点直接接地，那么在交流变压器的接地中性点与大地之间就会形成电位差。在这个电位差的作用下，直流电流会通过接地中性点流入交流变压器的励磁电流中，从而产生直流分量。从理论分析角度来看，根据欧姆定律，电流会从高电位流向低电位。在单极运行的直流输电系统中，接地极附近的地表电位相对较高，而交流变压器中性点的电位相对较低，因此直流电流会在这个电位差的驱动下，从大地经交流变压器中性点流入变压器绕组。这个直流分量会成为变压器励磁电流的一部分，使变压器铁心偏磁。由于直流电流的方向和大小不随时间变化，它会改变变压器原来的工作点，使原来磁化曲线工作区的一部分移至铁心磁饱和区。在磁饱和区，铁心的磁导率下降，励磁电流与磁通密度之间的线性关系被破坏，导致总励磁电流变成尖顶波，发生畸变，最终引发变压器的直流偏磁现象。而且，直流电流的大小与直流输电线路单极运行时的负荷大小正相关。当负荷增大时，注入大地的直流电流也会增大，从而使得交流变压器励磁电流中的直流分量也相应增大，直流偏磁现象更加严重。直流偏磁现象的持续时间也与直流输电线路单极运行时间同步，只要直流输电系统处于单极运行状态，交流变压器就会受到直流偏磁的影响。2.2.2双极不平衡运行双极不平衡运行是直流输电系统另一种可能导致换流变压器直流偏磁的运行状态。在双极运行的直流输电系统中，正常情况下两极电流相等，地回路中的电流为零。但在实际运行过程中，由于各种因素的影响，两极的电流往往难以保持完全相等，这种电流的不平衡会导致接地极有电流流过，从而在直流输电线路和大地间形成回路。在我国，110kV及以上电压等级系统中性点采取直接接地的方式。当直流输电系统处于双极不平衡运行状态时，不同地点的变电站中性点电位会被不同程度地抬高。这是因为接地极电流在大地中流动时，由于土壤电阻分布径向不均，会导致不同位置的电位分布不均匀。如果交流变电站的变压器中性点接地，那么在电位差的作用下，直流电流将通过大地和交流线路，由一个变电站的变压器中性点流入，在另一个变电站的变压器中性点流出。以某远距离高压直流输电工程为例，该工程采用双极两端中性点接地直流换流站接线方式。在一次运行过程中，由于换流站设备的故障，导致两极电流出现了较大的不平衡。接地极电流的增大使得周围土壤中的电位分布发生了明显变化，附近多个交流变电站的变压器中性点电位被抬高。通过实际监测发现，这些变压器的中性点有直流电流流入，导致变压器出现了直流偏磁现象。变压器的励磁电流发生畸变，出现了大量的谐波，铁芯损耗和温升明显增加，振动和噪声也显著增大，对变压器的安全稳定运行造成了严重威胁。从原理上讲，直流电流流入变压器中性点后，会改变变压器内部的电磁状态。直流电流作为励磁电流的一部分，使变压器铁心的磁通分布发生偏移，导致磁通在正负半周明显不对称。根据变压器的磁化曲线，当磁通发生偏移后，励磁电流会进入磁化曲线的饱和区，使得励磁电流急剧增加，并且波形发生严重畸变。这种畸变的励磁电流会在变压器各侧产生谐波，进一步影响电力系统的电能质量。由于谐波的存在，可能会导致电力电容器组过热、损坏，还可能使继电保护装置误动作，对整个电力系统的安全稳定运行带来极大的隐患。2.3城市轨道交通的影响随着城市化进程的加速，城市轨道交通作为一种高效、便捷的城市公共交通方式，在各大城市得到了广泛的建设和发展。地铁、轻轨等城市轨道交通系统大多采用直流电驱动车辆，其直流电源通常以大地作为其中的一极，这种供电方式类似于直流输电的单极运行模式。在城市轨道交通的运行过程中，直流电流通过轨道流入大地，形成回路。由于大地并非理想的导体，存在一定的电阻，当直流电流在大地中流动时，会在不同位置产生电位差。城市中110kV以上的变电站变压器中性点通常直接接地，当这些变压器所处位置的大地电位与中性点电位存在差异时，就会有直流电流通过中性点流入变压器的励磁电流中，从而对变压器造成直流偏磁影响。以某大城市的地铁系统为例，该地铁线路贯穿城市多个区域，在其运行过程中，对周边多个110kV变电站的变压器产生了明显的直流偏磁现象。通过对这些变压器中性点直流电流的监测发现，在地铁运行高峰期，直流电流明显增大，变压器的振动和噪声也随之加剧。进一步分析发现，这些变压器的励磁电流发生了畸变，出现了大量的谐波成分，铁芯损耗和温升也显著增加。从原理上讲，城市轨道交通产生的直流偏磁与直流输电系统单极运行导致的直流偏磁类似。直流电流流入变压器中性点后，作为励磁电流的一部分，改变了变压器铁心的磁通分布。由于直流电流的方向和大小不随时间变化，使得磁通在正负半周不对称，铁心工作点发生偏移，进入磁化曲线的饱和区。在饱和区，铁心的磁导率下降，励磁电流与磁通密度之间的线性关系被破坏，导致励磁电流急剧增加且波形畸变，进而产生大量谐波。这些谐波不仅会增加变压器自身的损耗，还会对电网中的其他设备产生干扰，影响整个电网的电能质量。与其他导致直流偏磁的因素相比，城市轨道交通引起的直流偏磁具有其独特的特点。其直流电流值一般相对较小，但波动频繁，这是由于城市轨道交通的运行具有间歇性和客流量变化大的特点，导致直流电流随列车的启停和运行状态频繁波动。而且，直流偏磁的持续时间与城铁运行时间同步，只要城市轨道交通系统处于运行状态，就会对周边变压器产生直流偏磁影响。2.4供电电源及变压器内部因素2.4.1供电电源的直流电污染在现代电力系统中，供电电源的质量对电力设备的正常运行起着至关重要的作用。然而，随着电力电子技术的广泛应用，大量非线性负载接入电网，导致供电电源中出现了直流电污染的问题。这些非线性负载，如整流器、逆变器、电焊机等，在运行过程中会产生大量的谐波电流，这些谐波电流注入电网后，会使电网中的电压和电流波形发生畸变，其中就包含了直流分量。以某工业园区为例，该园区内有众多使用整流设备的工厂。这些整流设备将交流电转换为直流电供设备使用，但在转换过程中，会产生大量的谐波电流。通过对园区供电电源的监测发现，电源中的谐波含量较高，其中直流分量也较为明显。当这些含有直流分量的电源为园区内的变压器供电时，直流电流会流入变压器的励磁电流中，导致变压器出现直流偏磁现象。从理论分析角度来看，变压器的励磁电流由交流分量和直流分量共同组成。正常情况下，交流分量是主要部分，其大小和相位由电源电压和变压器的参数决定。但当供电电源存在直流电污染时，直流分量会叠加在交流分量上，成为励磁电流的一部分。由于直流电流的方向和大小不随时间变化，它会使变压器铁心的工作点发生偏移，改变了变压器原来的磁化曲线工作区。原本在正常工作状态下，铁心的磁通密度处于磁化曲线的线性区域，励磁电流与磁通密度呈线性关系。但当有直流偏磁电流存在时，直流电流使铁心偏磁，导致原来磁化曲线工作区的一部分移至铁心磁饱和区。在磁饱和区，铁心的磁导率急剧下降，励磁电流与磁通密度不再呈线性关系，而是呈现出非线性的变化。这就使得总励磁电流变成尖顶波，发生畸变，最终导致变压器出现直流偏磁现象。而且，供电电源中直流电污染的程度越严重，即直流分量越大，变压器直流偏磁的现象就越明显，对变压器的危害也就越大。2.4.2变压器内部的直流峰值变压器内部的一些因素也可能产生直流峰值，从而引发直流偏磁问题。其中，铁芯剩磁是一个重要因素。在变压器的制造、检修或运行过程中，铁芯可能会残留一定的磁性，即剩磁。当变压器重新投入运行时，剩磁会与励磁电流相互作用，导致励磁电流出现直流峰值。在一次变压器的检修过程中，由于工作人员在拆卸和安装铁芯时操作不当，使得铁芯产生了一定的剩磁。当变压器重新通电运行后，通过对变压器的监测发现，励磁电流出现了明显的直流峰值，变压器也出现了直流偏磁现象。铁芯的剩磁会使变压器铁心的初始磁通不为零，当交流电源接入时，磁通的变化不再是从零点开始，而是在剩磁的基础上进行变化。这就导致了励磁电流在初始阶段出现了直流分量，形成了直流峰值。而且，剩磁的大小和方向会影响直流峰值的大小和方向，进而影响直流偏磁的程度。除了铁芯剩磁，变压器的开关操作也可能产生直流峰值。在变压器的合闸和分闸过程中，由于电磁暂态过程的存在，会产生瞬态的直流电流。当变压器合闸时，由于铁芯中的磁通不能突变，会产生一个很大的励磁涌流，其中包含了直流分量。这个直流分量的大小和持续时间与变压器的参数、合闸时的电压相位等因素有关。如果这个直流分量较大且持续时间较长，就可能导致变压器出现直流偏磁现象。而且，多次频繁的开关操作会使变压器内部的电磁暂态过程更加复杂，增加了产生直流峰值的可能性，从而进一步加剧直流偏磁问题。2.4.3变压器负载的影响变压器负载的特性对直流偏磁也有着重要的影响。其中，不对称负载是一种常见的负载情况。当变压器的三相负载不对称时，会导致三相电流不平衡，从而在变压器中产生零序电流。零序电流在变压器的铁芯中会产生零序磁通，而零序磁通与直流偏磁有着密切的关系。以某变电站的变压器为例，该变压器的三相负载存在较大的不对称性。通过对变压器的运行数据监测发现，三相电流不平衡度较大，零序电流明显。由于零序电流的存在，变压器的铁芯中产生了零序磁通，使得变压器出现了直流偏磁现象。从原理上讲，零序磁通会改变变压器铁芯中的磁通分布，使得磁通在正负半周不对称，从而导致励磁电流发生畸变，产生直流偏磁。而且，不对称负载的程度越严重，零序电流就越大，直流偏磁现象也就越明显。谐波负载也是影响变压器直流偏磁的一个重要因素。随着电力电子设备的广泛应用，电网中的谐波含量不断增加。当变压器接入谐波负载时，谐波电流会流入变压器，与直流偏磁相互作用，加剧变压器的直流偏磁问题。由于谐波电流的频率与基波不同，它在变压器中会产生额外的损耗和发热，同时也会改变变压器的电磁特性。当谐波电流与直流偏磁同时存在时，会使变压器的励磁电流畸变更加严重，铁芯损耗和温升进一步增加，振动和噪声也会显著增大。不同频率的谐波对直流偏磁的影响程度也不同，一般来说，频率较低的谐波对直流偏磁的影响更为明显。三、直流偏磁对大型换流变压器的影响3.1变压器励磁电流的畸变变压器的励磁电流与铁芯的磁化特性密切相关，而铁芯的磁化曲线是描述其磁化特性的关键。正常情况下，当变压器绕组中没有直流分量时，励磁电流i(t)工作在磁化曲线的直线段。根据电磁感应定律，在正弦波电源的作用下，铁芯中的磁通也为正弦波，此时励磁电流同样呈现正弦波的形态。这是因为在磁化曲线的直线段，铁芯的磁导率基本保持恒定，励磁电流与磁通之间存在着线性关系，能够维持稳定的电磁转换过程。然而，当直流电流流入变压器绕组时，情况发生了显著变化。直流电流作为变压器励磁电流的一部分，会使变压器铁心偏磁，从而改变变压器的工作点，使原来磁化曲线工作区的一部分移至铁心磁饱和区。当中性点电压被抬升\varPhi´时，绕组中有直流电流流过，由于直流电流的偏磁影响，励磁电流可能工作在磁化曲线的饱和区。在饱和区，铁芯的磁导率急剧下降，励磁电流与磁通之间的线性关系被打破。此时，若铁芯中磁通仍接近正弦波，励磁电流的正半波会出现尖顶，而负半波可能是正弦波的一部分，呈现出明显的不对称性。当变压器中性点电压数值被抬高得越多，即直流偏磁程度越严重，励磁电流的畸变程度也就越大。直流偏磁引起变压器励磁电流畸变，进而在变压器各侧产生谐波。通过对畸变的励磁电流进行傅立叶变换，可以分解出各次谐波。其中，三倍频谐波属于零序电流，1、4、7、10…次谐波为正序电流，2、5、8、11…次谐波为负序电流。这些谐波的存在不仅会增加变压器自身的损耗，还会对电网中的其他设备产生干扰，影响整个电网的电能质量。以某实际运行的大型换流变压器为例，在直流偏磁现象出现前，通过监测设备测得其励磁电流波形接近标准的正弦波，谐波含量极低。然而，当该地区的直流输电系统采用单极运行方式后，换流变压器受到直流偏磁的影响。通过再次监测发现，励磁电流波形发生了明显的畸变，正半波出现了尖锐的尖顶，负半波也与正常情况有所不同。对该励磁电流进行谐波分析后，发现其中包含了大量的奇次谐波、直流分量和偶次谐波，谐波总含量大幅增加。这不仅导致变压器自身的损耗明显上升，还使得连接在同一电网中的电容器出现过热现象，部分继电保护装置也出现了误动作的情况，严重影响了电力系统的稳定运行。3.2噪音增大变压器正常运行时，硅钢片在交变磁场的作用下，会受到外磁场的磁化作用，进而产生磁致伸缩现象。这种磁致伸缩使得铁心随着励磁频率的变化而振动，并发出一定的噪声。正常情况下，变压器的噪声频率主要为100Hz，这是由于我国电力系统的交流电源频率为50Hz，一个周期内磁场方向变化两次，所以铁心的振动频率是电源频率的两倍。当变压器发生直流偏磁时，情况变得更为复杂。由于直流电流使变压器铁心偏磁，铁心的工作点进入饱和区，这使得铁心的伸缩和振动幅度显著增大。从微观角度来看，在饱和区，铁芯内部的磁畴结构发生了剧烈变化，磁畴的取向变得更加无序，导致磁致伸缩效应增强，从而使得铁心的振动加剧。而且，由于直流偏磁引起的非正弦振动，变压器噪声中除了100Hz的基频分量外，还包含了多种谐波成分。这些谐波的频率通常是基频的整数倍，如200Hz、300Hz、400Hz等。当这些谐波中的某一频率与变压器的结构部件固有频率相匹配时，就会发生共振现象。共振会使部件的振动幅度急剧增大，从而导致变压器的噪声进一步增大。对于大型换流变压器而言，其内部结构复杂，包含绕组、铁心、夹件、油箱等多个部件，每个部件都有其特定的固有频率。当变压器噪声中的谐波频率与这些部件的固有频率接近时，就容易引发共振。如果绕组的固有频率与某一谐波频率接近，在共振的作用下，绕组的振动会加剧，可能导致绕组的绝缘受损，甚至引发短路故障；夹件或油箱与谐波发生共振时，会使变压器整体的噪声明显增大，对周围环境造成更大的影响。根据相关研究和实际测量数据，对于单相变压器，当直流电流达到额定励磁电流时，噪音增大10dB；若达到4倍额定励磁电流时，噪音增大20dB。在某换流站的实际运行中，当直流输电系统单极运行导致换流变压器出现直流偏磁时，通过噪声监测设备测得变压器的噪声在短时间内急剧增加，超过了环境噪声标准，对周边居民的生活和工作造成了严重干扰。而且，由于噪声中谐波成分的增加，使得噪声的频率特性发生变化，听起来更加尖锐和刺耳，进一步加剧了对环境的影响。3.3对变压器波形的影响当变压器铁心因直流偏磁而工作在严重饱和区时，漏磁通会显著增加。这是因为在饱和状态下，铁芯的磁导率急剧下降，导致大部分磁通无法被有效地约束在铁芯内部，从而有更多的磁通泄漏到周围空间，形成漏磁通。漏磁通的增加会对变压器的电压波形产生明显的影响，在一定程度上使电压的波峰变平。从电磁感应原理的角度来看，变压器的电压与磁通的变化率成正比。当漏磁通增加时，磁通的分布发生改变，导致磁通的变化率在波峰处相对减小。在正弦波的电压波形中，波峰处的磁通变化率最大，而漏磁通的增加使得这一变化率受到抑制，从而使得电压波峰变平，电压波形发生畸变。在某实际运行的变电站中，当直流偏磁现象发生后，通过对变压器输出电压波形的监测发现，原本标准的正弦波电压波形出现了明显的畸变，波峰变得平坦，不再符合正弦波的特征。这种电压波形的畸变会对连接在变压器后的负载设备产生诸多不利影响。对于一些对电压波形要求较高的电子设备，如计算机、精密仪器等，畸变的电压可能导致设备无法正常工作，出现数据错误、死机等故障；对于电机类负载，电压波形的畸变会使电机的运行效率降低，损耗增加，发热严重，甚至可能损坏电机的绝缘，缩短电机的使用寿命。而且，电压波形的畸变还会产生谐波，这些谐波会注入电网，对电网中的其他设备产生干扰，影响整个电网的电能质量。3.4变压器铜耗和铁耗增大3.4.1铜耗增加在直流电流的作用下，当直流电流大小达到一定数值时，变压器的励磁电流会大幅度增加。这是因为直流电流成为变压器励磁电流的一部分，使变压器铁心偏磁，导致原来磁化曲线工作区的一部分移至铁心磁饱和区。在饱和区，铁芯的磁导率急剧下降，为了维持磁通的恒定，励磁电流就需要大幅增大。变压器的基本铜耗与电流的平方成正比，根据公式P_{cu}=I^{2}R（其中P_{cu}为铜耗，I为电流，R为绕组电阻），当励磁电流大幅度增加时，变压器的基本铜耗就会急剧增加。某110kV变电站的主变压器，在正常运行时，其绕组电流为I_{1}，铜耗为P_{cu1}。当该地区的直流输电系统单极运行导致变压器出现直流偏磁后，绕组电流增大至I_{2}（I_{2}>I_{1}），此时铜耗P_{cu2}=I_{2}^{2}R，经计算P_{cu2}远大于P_{cu1}，实际测量也验证了铜耗的大幅增加。铜耗的急剧增加会导致线圈发热。线圈中的热量如果不能及时散发出去，会使线圈温度不断升高。过高的温度会加速线圈绝缘材料的老化，降低绝缘性能，增加变压器发生故障的风险。当线圈温度超过绝缘材料的耐受温度时，绝缘材料可能会发生软化、变形甚至碳化，从而导致线圈短路，引发变压器故障。3.4.2铁耗增大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。在正常情况下，铁芯的磁导率远大于空气的磁导率，大部分磁通能够被约束在铁芯内部。但当铁芯饱和后，磁导率下降，磁通更容易泄漏到周围空间，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。根据电磁感应原理，变化的磁通会在这些构件中产生感应电动势，进而产生涡流。涡流在这些构件中流动时，会产生焦耳热，导致构件发热，这就是涡流发热现象。某大型换流变压器，在直流偏磁发生前，通过红外测温仪测量连接片和夹件的温度，均处于正常范围。但当直流偏磁发生后，再次测量发现连接片和夹件的温度明显升高，这表明漏磁通产生的涡流导致了发热现象的加剧。这些构件的发热会危害变压器的绝缘。持续的高温会使绝缘材料的性能下降，如绝缘电阻降低、介电强度下降等。绝缘性能的下降会增加变压器发生绝缘击穿的风险，严重威胁变压器的安全运行。如果油箱的绝缘因发热而受损，可能会导致油箱与绕组之间发生短路，引发严重的事故。3.5谐波产生及危害在正常情况下，变压器的励磁电流呈现出对称的正弦波形态，其正负半波周期相等，且只包含奇次谐波。这是因为变压器在正常运行时，其铁芯的磁化过程是对称的，磁通的变化也是均匀的，从而导致励磁电流的波形较为规则。然而，当变压器发生直流偏磁时，情况发生了显著变化。由于直流电流的偏磁影响，变压器励磁电流中会出现偶次谐波，并且半波会出现深度饱和的现象。这是因为直流偏磁使变压器铁心偏磁，改变了变压器的工作点，使原来磁化曲线工作区的一部分移至铁心磁饱和区。在饱和区，铁芯的磁导率急剧下降，励磁电流与磁通之间的线性关系被打破，导致励磁电流的波形发生严重畸变。此时，变压器已成为交流系统中的谐波源，会向电网中注入大量的谐波电流。这些谐波电流可能会引起补偿电容器组的谐波放大甚至谐振现象，从而危及电容器组的安全运行。在某变电站中，由于附近的直流输电线路单极运行，导致该变电站的变压器出现直流偏磁现象。随着谐波电流的注入，连接在同一电网中的补偿电容器组发生了谐波放大，电容器的电流和电压急剧增加，最终导致电容器过热损坏。从原理上讲，当谐波电流的频率与电容器组的固有频率接近时，就会发生谐振，使得电容器组的阻抗急剧下降，电流大幅增加，从而产生过热、过电压等问题，严重威胁电容器组的安全。而且，谐波放大还可能导致电网中的其他设备受到影响，如使电机的损耗增加、寿命缩短，影响继电保护装置的正常动作等，进一步威胁电力系统的安全稳定运行。3.6变压器无功损耗增加与电网稳定性问题当变压器发生直流偏磁时，由于铁心的磁导率下降，励磁电流会大幅增加。这是因为在直流偏磁的作用下，铁心工作点进入饱和区，磁导率急剧下降，为了维持磁通的恒定，根据电磁感应原理，励磁电流必须相应增大。根据无功功率的计算公式Q=UI\sin\varphi（其中Q为无功功率，U为电压，I为电流，\sin\varphi为功率因数角的正弦值），在电压不变的情况下，励磁电流I的增大直接导致无功损耗Q增加。在某实际电网中，当直流输电系统单极运行引发周边变压器直流偏磁后，通过对变压器的监测发现，励磁电流从正常运行时的I_{0}增大到I_{1}，无功损耗从Q_{0}急剧增加到Q_{1}，经计算Q_{1}远大于Q_{0}，实际测量结果也验证了这一变化。变压器无功损耗的增加会导致系统电压下降。这是因为无功功率在电网传输过程中会产生电压降落，无功损耗越大，电压降落就越大，从而导致系统电压下降。当系统电压下降到一定程度时，会影响电力系统中其他设备的正常运行。电动机的输出功率会降低，转速不稳定，甚至可能停止转动；照明设备的亮度会变暗，影响正常照明。如果直流偏磁现象严重，变压器无功损耗持续大幅增加，系统电压持续下降，可能会引发电压崩溃，导致整个电网失去稳定性，发生停电事故。在一些电力系统事故案例中，由于直流偏磁问题未得到及时有效的解决，导致变压器无功损耗剧增，系统电压不断下降，最终引发了电网的大面积停电事故，给社会经济带来了巨大的损失。3.7继电保护系统故障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常动作。在正常情况下，继电保护装置根据预设的电气量阈值和逻辑判据来判断电力系统是否发生故障，并在故障发生时迅速动作，切除故障设备，以保护电力系统的安全运行。然而，当变压器发生直流偏磁时，励磁电流的畸变会使变压器各侧的电流、电压波形也发生严重畸变，这会对继电保护装置的正常工作产生干扰。零序次谐波在直流偏磁时会对零序电压或电流启动的继电保护装置产生影响，可能导致这些装置误动。在某变电站中，由于直流输电系统单极运行，使得该变电站的变压器出现直流偏磁现象。此时，变压器产生的零序次谐波使得原本正常运行的零序电流保护装置误动作，将正常运行的线路切除，导致了局部停电事故。从原理上讲，零序电流保护装置是根据零序电流的大小来判断是否发生接地故障的。当直流偏磁产生的零序次谐波电流超过了保护装置的整定值时，保护装置就会误认为发生了接地故障，从而发出跳闸指令，导致误动。在电力系统中，继电保护装置的正确动作是保障系统安全稳定运行的关键。而直流偏磁导致的继电保护系统故障，会使保护装置失去应有的保护功能，无法及时准确地切除故障设备，从而可能引发更大范围的停电事故，对电力系统的安全稳定运行构成严重威胁。四、大型换流变压器直流偏磁问题案例分析4.1天广直流和三广直流引发的直流偏磁事件在我国直流输电工程的实际运行中，天广直流和三广直流同时同极性单极大地回线运行时，引发了严重的直流偏磁事件，对相关变电站的主变压器造成了极大的损害。2004年3月3日，这一特殊运行工况出现，导致岭澳主变中性点最大直流电流达到43A。如此大的直流电流流入变压器中性点，引发了一系列严重问题。岭澳核电站主变压器先后发现不同程度的铁心绑带松脱问题。铁心绑带的作用是固定铁心片，防止其在运行过程中发生位移和振动。当直流偏磁导致变压器铁心振动加剧时，铁心绑带承受的应力增大，最终导致绑带松脱。铁心柱弯曲也是常见问题之一，直流偏磁使铁心的磁致伸缩效应增强，铁心柱在交变磁场的作用下承受了过大的应力，从而发生弯曲变形。铁心片叠片串片现象也时有发生，这是因为直流偏磁导致铁心的振动和变形，使得铁心片之间的相对位置发生改变，原本整齐排列的铁心片出现串动和叠加，影响了铁心的正常磁性能。更为严重的是，两台变压器还由于铁心柱严重弯曲和铁心片叠片串片，造成绕组内部短路，不得不返厂维修。绕组内部短路是一种极其严重的故障，会导致变压器无法正常运行，甚至引发火灾等安全事故。当铁心柱弯曲和铁心片叠片串片时，可能会使绕组的绝缘层受到破坏，导致绕组之间的电气连接异常，从而引发短路故障。返厂维修不仅需要耗费大量的时间和资金，还会对电力系统的正常供电造成严重影响。从理论分析角度来看，当直流电流流入变压器中性点时，会使变压器铁心偏磁，导致铁心的工作点进入饱和区。在饱和区，铁心的磁导率急剧下降，励磁电流与磁通之间的线性关系被打破，励磁电流大幅增加且波形发生畸变。这种畸变的励磁电流会产生强大的电磁力，作用在铁心和绕组上，导致铁心的振动加剧，绕组所受的电磁力也相应增大。长期处于这种异常的电磁力作用下，铁心绑带、铁心柱和铁心片等部件的结构强度逐渐下降，最终出现松脱、弯曲和串片等问题。而绕组内部短路则是由于铁心的异常变形导致绕组绝缘受损，使得绕组之间的绝缘性能下降，从而引发短路故障。4.2龙泉-政平直流输电工程调试期间的问题2002年12月，龙泉-政平500kV直流输电工程进入调试阶段。在这一过程中，常州武南两组500kV主变压器出现了严重的直流偏磁问题，中性点直流电流达到了12.8A。如此大小的直流电流流入变压器中性点，引发了一系列不良后果。噪声急剧增大是最为明显的问题之一，变压器噪声最高达91.4dB。变压器正常运行时，其噪声主要是由硅钢片的磁致伸缩引起的，频率为100Hz。然而，当直流偏磁发生时，铁心的伸缩和振动幅度增大，噪声中除了100Hz的基频分量外，还包含了多种谐波成分。这些谐波的存在使得噪声更加尖锐和刺耳，对周围环境产生了严重的干扰。而且，噪声的增大也反映了变压器内部电磁状态的不稳定，可能会导致变压器内部零件松动、绝缘受损等问题，进一步威胁变压器的安全运行。从直流输电系统的运行原理来看，在调试过程中，直流输电系统可能处于单极运行或双极不平衡运行状态。当系统处于单极运行时，大地作为回流导体，会有直流电流注入大地。由于大地并非理想导体，存在电阻，直流电流在大地中流动时会产生电位分布。如果交流变压器的中性点接地，在电位差的作用下，直流电流就会通过中性点流入变压器，导致直流偏磁现象的发生。而在双极不平衡运行状态下，两极电流的不平衡会导致接地极有电流流过，同样会在交流变压器中性点与大地之间形成电位差，引发直流偏磁。4.3贵州高坡-广东肇庆直流输电案例2004年5月，贵州高坡-广东肇庆直流输电采用单极大地回线运行方式时，对广东电网220kV春城站主变压器产生了显著影响。在这种运行方式下，大地作为直流电流的回流通道，由于大地并非理想导体，存在电阻，直流电流在大地中流动时会产生电位分布。交流变压器中性点接地，在电位差的作用下，直流电流通过中性点流入变压器，导致该站主变压器中性点直流电流达到34.5A。如此大小的直流电流流入变压器，使得变压器的运行状态发生了明显变化。噪声达到了93.9dB，较正常运行时大幅增加。这是因为直流偏磁使变压器铁心的伸缩、振动幅度增大，同时由于磁滞伸缩产生的震动非正弦，噪声中包含多种谐波分量，当某一分量与变压器构件发生共振时，噪声进一步增大。谐波电压总畸变率达2.1%。由于变压器铁心发生直流偏磁，严重时铁心工作在饱和区，导致变压器漏磁通增加，从而使电压波形发生畸变，谐波含量增加。谐波电压的存在会对连接在变压器后的负载设备产生不利影响，如使电机的运行效率降低、损耗增加，影响电子设备的正常工作等，还可能导致电网中的其他设备受到干扰，影响整个电网的电能质量。4.4三广直流输电系统惠州变电站事故在三广直流输电系统单极大地回线运行期间，广东电网500kV惠州变电站的运行状态发生了显著变化。通过对该变电站的监测数据进行分析，发现主变低压侧第2、3组电容器的4次谐波电流有效值异常升高，达到了200A。如此高的谐波电流严重超出了正常范围，对电容器的安全运行构成了巨大威胁。谐波电流超标是直流偏磁导致的一个重要后果。当变压器发生直流偏磁时，励磁电流发生畸变，其中包含了大量的谐波成分。这些谐波电流注入电网后，会在电网中传播，并在电容器等设备中产生谐波放大现象。对于惠州变电站的电容器来说，4次谐波电流的大幅增加，使得电容器内部的电场和磁场分布发生改变，导致电容器的损耗增加，温度升高。长期处于这种高谐波电流的作用下，电容器的绝缘性能逐渐下降，最终无法承受过高的电压和电流，导致故障发生。由于谐波电流严重超标，惠州变电站第2、3组电容器曾先后发生过5次爆炸事故。这些爆炸事故不仅造成了电容器本身的损坏，还对变电站的其他设备和整个电力系统的安全稳定运行产生了严重影响。爆炸事故导致变电站部分区域停电，影响了周边用户的正常用电；爆炸产生的冲击和震动可能会对附近的设备造成机械损伤，影响其正常运行；爆炸还可能引发火灾等二次事故，进一步扩大事故的危害范围。从事故原因分析来看，直流偏磁是导致这一系列问题的根源。直流输电系统单极大地回线运行时，直流电流通过大地回流，在交流变压器中性点与大地之间形成电位差，使得直流电流流入变压器，导致变压器发生直流偏磁。直流偏磁使得变压器成为谐波源，向电网中注入大量谐波电流，最终引发了电容器的谐波放大和谐波电流超标，导致爆炸事故的发生。4.5案例总结与启示通过对上述多个大型换流变压器直流偏磁问题案例的深入分析，可以总结出这些案例中直流偏磁问题存在一些共性和特点。在产生原因方面，直流输电系统的单极大地回线运行方式是引发直流偏磁的主要因素之一。在天广直流和三广直流、龙泉-政平直流输电工程、贵州高坡-广东肇庆直流输电以及三广直流输电系统惠州变电站等案例中，均是由于直流输电系统处于单极大地回线运行工况，导致直流电流通过接地极流入大地，进而使交流变压器中性点与大地之间形成电位差，直流电流流入变压器，引发直流偏磁现象。而且，双极不平衡运行时，两极电流的不平衡导致接地极有电流流过，同样会在交流变压器中性点与大地之间形成电位差，引发直流偏磁，如在部分案例中虽未明确提及，但从原理上分析，这种运行方式也是直流偏磁的潜在诱因。在直流偏磁对变压器的影响方面，多个案例都体现出励磁电流畸变、噪声增大、电压波形畸变、谐波产生、铜耗和铁耗增大以及无功损耗增加等问题。在天广直流和三广直流案例中，直流偏磁导致岭澳主变压器铁心绑带松脱、铁心柱弯曲、铁心片叠片串片等问题，这与励磁电流畸变产生的强大电磁力以及铁心饱和导致的磁致伸缩效应增强密切相关。龙泉-政平直流输电工程调试案例中，常州武南主变压器中性点直流电流增大，噪声急剧升高，反映出直流偏磁对变压器振动和噪声的显著影响。贵州高坡-广东肇庆直流输电案例中，春城站主变压器中性点直流电流达到34.5A，谐波电压总畸变率达2.1%，表明直流偏磁导致了电压波形畸变和谐波含量增加。三广直流输电系统惠州变电站案例中，主变低压侧电容器的4次谐波电流有效值达到200A，且电容器发生多次爆炸事故，充分说明了直流偏磁产生的谐波对电网设备的严重危害。这些案例为预防和解决直流偏磁问题带来了诸多启示。加强对变压器运行状态的监测至关重要。通过实时监测变压器中性点直流电流、励磁电流、噪声、振动、谐波等参数，可以及时发现直流偏磁问题的出现，并掌握其发展趋势。在实际工程中，可以安装高精度的直流电流传感器，对变压器中性点直流电流进行实时监测，一旦发现电流超过设定阈值，及时发出警报，以便工作人员采取相应措施。改进直流输电系统的运行方式也是关键。尽量减少直流输电系统的单极大地回线运行时间，优化双极运行时的电流平衡控制，降低直流电流流入交流系统的可能性。可以通过技术手段，如优化换流站的控制策略，实现双极电流的精确平衡控制，减少因电流不平衡导致的直流偏磁问题。在变压器中性点串联电容或电感是一种有效的抑制直流偏磁的技术手段。通过合理选择电容和电感的参数，可以改变电路的阻抗特性，阻止直流电流流入变压器，从而减轻直流偏磁现象。在一些实际工程中，已经成功应用了中性点串联电容或电感的方法，有效降低了变压器的直流偏磁程度，保障了变压器的安全稳定运行。还可以对变压器的铁心结构和绕组连接形式进行优化，提高变压器自身对直流偏磁的耐受能力。通过改进铁心的材质和结构，减少铁心的磁滞损耗和涡流损耗，降低直流偏磁对铁心的影响；优化绕组的连接形式，提高绕组的抗电磁干扰能力，减少直流偏磁对绕组的损害。五、大型换流变压器直流偏磁问题的检测方法5.1在线实时监测法5.1.1中性点直流电流监测在变压器中性点接地引出线处安装高精度的直流电流传感器，如霍尔传感器或基于电阻取样法的传感器，能够实时监测直流电流的大小和方向。霍尔传感器利用霍尔效应，当有直流电流通过时，会在传感器的敏感元件上产生与电流大小成正比的霍尔电压，通过测量该电压即可获取直流电流值。基于电阻取样法的传感器则是通过测量取样电阻两端的电压，根据欧姆定律计算出直流电流，其测量精确度高，稳定性好，且便于校正。这些传感器将采集到的电流数据传输至数据采集与处理系统。该系统运用动态相量补偿算法和数字滤波算法，对信号进行处理。动态相量补偿算法能够根据电流大小自动选择放大倍数，实现高精度测量信号分析；数字滤波算法则可摒除模拟滤波器带来的“零漂问题”，确保测量数据的准确性。在某500kV变电站中，安装了基于电阻取样法的直流电流传感器，对变压器中性点直流电流进行实时监测。当附近的直流输电系统单极运行时，传感器迅速捕捉到中性点直流电流的变化，并将数据传输至数据采集与处理系统。系统经过分析处理，及时发出直流偏磁预警信号，运行人员根据预警信息，采取相应措施，有效避免了直流偏磁对变压器造成严重损害。通过这种监测方法，运行人员能够实时掌握变压器直流偏磁状况，为采取相应措施提供了重要依据。5.1.2振动和噪声监测在变压器外壳的不同位置，如油箱壁、铁心夹件等部位，安装振动传感器和噪声传感器。振动传感器通常采用加速度传感器，它能够将变压器外壳的振动加速度转换为电信号输出。噪声传感器则用于采集变压器运行时产生的噪声信号，其工作原理基于声音的声压转换为电信号。当变压器发生直流偏磁时，铁心的磁致伸缩效应增强，绕组所受的电磁力增大，导致变压器的振动和噪声发生变化。振动传感器采集到的振动信号中，其频率成分和幅值会发生改变。正常运行时，变压器振动信号的基频为100Hz，但在直流偏磁情况下，会出现大量的奇次谐波和偶次谐波，且幅值会增大。噪声传感器采集到的噪声信号同样会包含更多的谐波成分，声音的频率特性和响度都会发生变化。通过对振动和噪声信号的分析，可以判断变压器是否存在直流偏磁以及直流偏磁的程度。可以利用傅里叶变换将振动信号从时域转换到频域，分析其频谱特性，计算奇次谐波与基频的能量比、高低频能量比等参数。若奇次谐波基频能量比大于阈值，则可判断变压器存在直流偏磁；进一步根据高低频能量比，可判断直流偏磁的程度。在某220kV变电站中，通过在变压器外壳安装振动传感器和噪声传感器，对变压器的振动和噪声进行实时监测。当变压器出现直流偏磁时，振动传感器检测到振动信号的奇次谐波含量明显增加，噪声传感器采集到的噪声中也出现了尖锐的高频成分。通过对这些信号的分析，准确判断出变压器处于直流偏磁状态，且根据相关参数评估出直流偏磁的程度较为严重，为后续采取抑制措施提供了有力的依据。5.1.3谐波监测在变压器的各侧，包括高压侧、中压侧和低压侧，安装谐波监测装置。这些装置通常采用高精度的电流互感器和电压互感器，用于采集变压器各侧的电流和电压信号。采集到的信号经过信号调理电路进行放大、滤波等处理后，传输至谐波分析模块。谐波分析模块运用快速傅里叶变换（FFT）等算法，对电流和电压信号进行谐波分析，计算出各次谐波的含量和相位。正常情况下，变压器的电流和电压波形接近正弦波，谐波含量较低。但当变压器发生直流偏磁时，励磁电流发生畸变，会在变压器各侧产生大量的谐波。通过监测这些谐波的含量和特征，可以判断变压器是否存在直流偏磁。在直流偏磁情况下，变压器各侧电流中会出现丰富的奇次谐波、直流分量和偶次谐波，且谐波含量会随着直流偏磁程度的加重而增加。在某110kV变电站中，安装了谐波监测装置对变压器进行实时监测。当变压器受到附近直流输电线路单极运行的影响出现直流偏磁时，谐波监测装置检测到变压器高压侧电流的谐波含量急剧增加，其中3次、5次、7次等奇次谐波含量明显升高，同时还出现了一定的偶次谐波。通过对谐波含量和特征的分析，准确判断出变压器存在直流偏磁问题，并根据谐波含量的变化趋势，评估出直流偏磁的发展情况，为及时采取措施抑制直流偏磁提供了关键的数据支持。五、大型换流变压器直流偏磁问题的检测方法5.2离线实验研究法5.2.1模拟直流偏磁实验在实验室环境中，搭建模拟变压器直流偏磁的实验平台。该平台主要由变压器模型、直流电源、信号采集与分析系统等部分组成。变压器模型选用与实际大型换流变压器结构和参数相似的小型变压器，以确保实验结果的有效性和可参考性。直流电源用于向变压器绕组注入不同大小和方向的直流电流，模拟实际运行中的直流偏磁情况。信号采集与分析系统则负责采集变压器在直流偏磁状态下的各种信号，并进行实时分析。在实验过程中，通过改变直流注入量、频率等参数，全面研究直流偏磁对变压器性能的影响。逐步增加直流注入量，从较小的数值开始，如0.1A、0.5A、1A等，观察变压器的各项性能指标的变化。随着直流注入量的增加，变压器的励磁电流会逐渐增大，且波形发生畸变，出现明显的尖顶波。同时，铁芯损耗也会随之增加，通过测量铁芯的温度变化可以直观地反映出这一现象。当直流注入量达到一定程度时，变压器的振动和噪声也会显著增大，通过振动传感器和噪声传感器可以精确测量到这些变化。改变直流注入的频率，从低频到高频进行测试，如0.1Hz、1Hz、10Hz等，分析不同频率下直流偏磁对变压器性能的影响差异。研究发现，低频直流偏磁对变压器的影响更为显著，会导致变压器的励磁电流畸变更加严重，铁芯损耗和温升更高，振动和噪声也更大。这是因为低频直流偏磁更容易使变压器铁心进入饱和区，从而破坏变压器的正常电磁特性。通过模拟不同的运行工况，如空载、负载等，深入了解直流偏磁在不同工作状态下对变压器的影响。在空载工况下，变压器的励磁电流主要由直流偏磁电流决定，随着直流偏磁电流的增加，励磁电流迅速增大，波形畸变明显。在负载工况下，直流偏磁不仅会影响变压器的励磁电流，还会对负载电流产生影响，导致负载电流的谐波含量增加，影响负载设备的正常运行。通过对这些不同工况下的实验数据进行分析，可以为实际工程中变压器的运行和维护提供更加全面和准确的依据。5.2.2变压器参数测试对变压器进行空载试验是研究直流偏磁影响的重要步骤。在空载试验中，将变压器的二次侧开路，一次侧施加额定电压，同时注入不同大小的直流电流，模拟直流偏磁工况。通过高精度的测量仪器，如功率分析仪、电流互感器、电压互感器等，测量变压器的励磁电流、空载损耗等参数。在正常空载情况下，变压器的励磁电流较小，且波形接近正弦波，空载损耗也处于正常范围。当注入直流电流后，励磁电流迅速增大，波形发生畸变，出现大量的谐波成分。通过对这些参数的测量和分析，可以了解直流偏磁对变压器空载运行性能的影响规律。进行负载试验时，在变压器的二次侧接入不同大小和性质的负载，一次侧施加额定电压，并注入直流电流。同样使用高精度测量仪器，测量变压器的负载电流、负载损耗、绕组温度等参数。在负载工况下，直流偏磁会使变压器的负载电流发生变化，谐波含量增加。负载损耗也会随着直流偏磁的加剧而增大，这是因为直流偏磁导致变压器的铁心损耗和绕组铜耗增加，从而使总损耗上升。绕组温度也会因损耗的增加而升高，通过测量绕组温度的变化，可以评估直流偏磁对变压器热性能的影响。分析直流偏磁对变压器参数的影响，如励磁电感、漏电感等。在直流偏磁状态下，变压器的励磁电感会发生变化，这是由于直流偏磁使变压器铁心的磁导率发生改变，从而影响了励磁电感的大小。漏电感也会受到直流偏磁的影响，导致变压器的漏磁场分布发生变化。通过对这些参数的分析，可以深入了解直流偏磁对变压器电磁性能的影响机制，为变压器的设计和优化提供理论支持。5.2.3磁性能测试通过专业的磁性能测试设备，如B-H分析仪、振动样品磁强计（VSM）等，测量变压器铁芯材料在不同直流偏磁下的磁性能。B-H分析仪能够精确测量铁芯材料的磁滞回线，通过磁滞回线可以获取磁导率、矫顽力、剩磁等重要磁性能参数。振动样品磁强计则可以测量材料在交变磁场和直流磁场共同作用下的磁性能变化。在测试过程中，逐渐增加直流偏磁的强度，从低偏磁水平到高偏磁水平，如0.1T、0.3T、0.5T等，记录铁芯材料的磁导率、损耗等参数的变化情况。随着直流偏磁强度的增加，铁芯材料的磁导率会逐渐下降，这是因为直流偏磁使铁芯进入饱和区，磁畴的取向变得更加无序，导致磁导率降低。铁芯的损耗也会显著增加，这是由于磁滞损耗和涡流损耗都随着直流偏磁的增强而增大。通过对磁性能测试数据的分析，建立铁芯材料在直流偏磁下的磁性能模型，为变压器的设计和分析提供数据支持。这些模型可以帮助工程师更好地理解直流偏磁对变压器铁芯磁性能的影响规律，从而在变压器的设计过程中，选择合适的铁芯材料和结构，提高变压器对直流偏磁的耐受能力。在实际运行中，也可以根据这些模型，对变压器的运行状态进行预测和评估，及时发现潜在的直流偏磁问题。六、解决大型换流变压器直流偏磁问题的方法6.1改变设计理念和结构方式6.1.1优化铁芯设计采用新型铁芯材料是提高变压器抗直流偏磁能力的重要途径之一。近年来，一些具有高磁导率、低磁滞损耗和低矫顽力特性的新型铁芯材料不断涌现，为解决直流偏磁问题提供了新的可能。非晶合金材料就是一种极具潜力的新型铁芯材料。非晶合金是一种通过快速凝固工艺制备的金属材料，其原子排列呈现出无序的非晶态结构，与传统的晶体材料相比，具有独特的磁性能。非晶合金的磁导率比普通硅钢片高出数倍，这意味着在相同的磁场强度下，非晶合金能够更容易地被磁化，从而减少励磁电流的需求。在直流偏磁情况下，高磁导率有助于维持铁芯的正常磁化状态，降低直流偏磁对励磁电流的影响。非晶合金的磁滞损耗极低，仅为普通硅钢片的几分之一。磁滞损耗是由于铁芯在交变磁场中反复磁化和退磁过程中产生的能量损耗，磁滞损耗的降低可以有效减少变压器的发热，提高变压器的效率。而且，非晶合金的矫顽力也很低，这使得铁芯在磁化和退磁过程中更加容易，能够快速响应磁场的变化，进一步减少了能量损耗。改进铁芯结构也是优化铁芯设计的关键方向。增加铁心柱数量是一种有效的改进方式。传统的变压器通常采用三相三柱式铁芯结构，而在直流偏磁环境下，可以考虑采用三相五柱式铁芯结构。在三相五柱式铁芯结构中，除了三个常规的铁心柱外，还增加了两个旁轭。当变压器发生直流偏磁时，旁轭能够为直流磁通提供额外的磁路，使直流磁通在铁芯中更加均匀地分布，避免了直流磁通集中在某些特定区域导致的铁芯饱和问题。通过合理设计旁轭的尺寸和位置，可以有效地降低直流偏磁对铁芯的影响，提高变压器的抗直流偏磁能力。优化铁心叠片方式也能显著提升变压器的抗直流偏磁性能。传统的铁芯叠片方式可能会导致铁芯内部存在较大的气隙，从而增加磁阻，影响铁芯的磁性能。采用交错叠片或斜接缝叠片等新型叠片方式，可以减小铁芯内部的气隙，降低磁阻，使磁通在铁芯中更加顺畅地流通。交错叠片方式是将相邻的铁芯叠片按照一定的角度交错排列，这样可以有效地减少气隙的影响，提高铁芯的磁导率。斜接缝叠片方式则是将铁芯叠片的接缝设计成斜角，避免了接缝处的磁通集中，进一步降低了磁阻。这些新型叠片方式不仅可以提高铁芯的磁性能，还能减少直流偏磁对铁芯的影响，从而提高变压器的整体性能。6.1.2改进绕组设计调整绕组匝数是改进绕组设计的重要手段之一。在直流偏磁情况下，通过合理调整绕组匝数，可以改变变压器的变比，从而调整变压器的输出电压和电流，降低直流偏磁对绕组的影响。当变压器发生直流偏磁时，励磁电流会发生畸变，导致绕组中的电流分布不均匀。通过适当增加或减少绕组匝数，可以改变绕组的电感和电阻，调整绕组中的电流分布，使其更加均匀，从而减少直流偏磁对绕组的损害。如果直流偏磁导致绕组中的电流集中在某些部分，增加这些部分的绕组匝数，可以降低电流密度，减少绕组的发热和损耗。改变线径也是改进绕组设计的关键措施。线径的大小直接影响绕组的电阻和电流承载能力。在直流偏磁环境下，选择合适的线径可以有效地降低绕组的电阻，减少铜耗，提高绕组的散热能力。当直流偏磁导致绕组电流增大时，若线径过小，绕组电阻会增大，铜耗增加，导致绕组温度升高，影响绕组的绝缘性能。通过选择较大线径的导线，可以降低绕组电阻，减少铜耗，提高绕组的散热能力，从而降低绕组的温度，保护绕组的绝缘性能。而且，较大的线径还可以提高绕组的电流承载能力，使其能够更好地应对直流偏磁引起的电流变化。优化绕组排列方式同样能够提升变压器应对直流偏磁的能力。传统的绕组排列方式可能会导致绕组之间的电磁耦合较强，在直流偏磁情况下，容易引发电磁干扰和共振等问题。采用新型的绕组排列方式，如分区排列、交错排列等，可以减小绕组之间的电磁耦合，降低直流偏磁对绕组的影响。分区排列方式是将绕组按照不同的功能或电压等级分为多个区域，每个区域之间采用适当的绝缘措施进行隔离，减少了区域之间的电磁干扰。交错排列方式则是将不同绕组的导线按照一定的规律交错排列，使得绕组之间的磁场相互抵消，降低了电磁耦合的程度。这些新型绕组排列方式能够有效地改善绕组的电磁环境，提高变压器的抗直流偏磁能力。6.2变压器装置及控制改进6.2.1中性点串电容在变压器中性点串入电容、火花间隙（或大功率晶闸管）和旁路开关并联体，是一种常见的抑制直流偏磁的方法。其工作原理基于电容“通交隔直”的特性，当直流电流试图通过变压器中性点流入绕组时，电容能够有效阻隔直流电流，从而阻止大地直流回流，达到抑制直流偏磁的目的。在实际应用中，这种方法具有一定的优势。电容能够完全阻隔直流分量在变压器中的流动，对直流偏磁的抑制效果显著。而且，相较于其他抑制措施，中性点串电容的成本相对较低，在一定程度上减轻了电力企业的经济负担。在一些对成本控制较为严格的电力工程项目中，中性点串电容的方法得到了广泛应用。然而，该方法也存在一些缺点。由于电容的接入，改变了系统的零序阻抗。零序阻抗的变化会对继电保护装置的工作产生影响，使得继电保护整定值需要重新校核。如果继电保护整定值不能及时准确地调整，可能会导致继电保护装置误动作，影响电力系统的安全稳定运行。在系统发生单相接地故障时，中性点可能产生较高的暂态电压。过高的暂态电压可能会对电容造成损坏，因此需要在电容两端并联电流旁路保护装置，如火花间隙或大功率晶闸管，以降低暂态电压，保护电容。但这也增加了系统的复杂性和成本。6.2.2串联电阻法在中性线上串接小电阻是一种减小中性点直流电流的有效方法。当存在直流电位差的两个变电站，变压器中性点串联小电阻接地时，根据欧姆定律，电流会选择电阻较小的路径流通。由于大地的电阻相对