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摘要：本文研究分析了直流输电的地中直流电流对交流电网设备的影响，包括直流偏磁对变压器和电流互感器、电网谐波对继电保护装置及地中直流对变电所接地网腐蚀的影响，提出了变压器中性点注入反向直流电流限制变压器直流偏磁的措施。
关键词：直流输电；地中电流；电力设备；变压器
随着高压直流输电（HVDC）技术在国内电网越来越多的应用，由于其输送容量大、输送距离远、调节迅速、运行灵活，HVDC在远距离大容量输电，区域电力系统互连中起到了十分积极的作用，但同时也带来了一些新问题，因此有必要研究直流输电系统中直流系统对电力设备的影响。
高压直流输电系统单极运行时，上千安的直流流入大地，接地电流通过接地极向四周的土壤扩散，并以直流接地极为中心，在很大的范围内形成了一个恒定的直流电流场。此时，如果极址附近有中性点接地的变压器，地下金属管道或铠装电缆等金属设施，由于这些设施给地电流提供了比大地土壤更良好的导电通道，因此一部分电流将沿着并通过这些设施流向远方，从而带来不良的影响，其中，高压直流输电单极运行引起的变压器直流偏磁问题不容忽视，其局部发热，噪声和振动影响了变压器的安全，稳定运行，应予以重视。
1直流偏磁对变压器的影响
当变压器中性点流入直流电流后，在变压器中形成直流偏磁，导致变压器励磁电流和谐波急剧增加，温升、噪声和振动增大。
1.1直流偏磁变压器的励磁电流
直流偏磁下，直流和交流励磁磁通相叠加，形成了偏磁时的总磁通密度B（偏磁）。与直流偏磁方向一致的1/2周期的磁通密度增加，另外1/2周期的磁通密度减小。
经计算，500KV变压器的直流偏磁电流的最大值为4.3A，励磁电流峰值达33A，比无直流偏磁时增加约50倍，这将使磁通密度增加很多，导致变压器的温升和振动剧增。
1.2直流偏磁对变压器温升的影响
按照变压器制造厂模拟试验数据，根据计算得出的励磁电流峰值，得出铁心拉板的温升升高约为20K，即83.6K，比规定值（80K）略高。此外，按照相应的铁心和绕组损耗的增加，计算变压器绕组热点温升增加越8K，即80.5K，超过规定值2.5K。变压器固体绝缘温度存在每升高6K、寿命减半的规律，说明直流偏磁引起的变压器温升增加带来的绝缘老化加速。幸好变压器正常状态（无直流偏磁）下的温升较低，在最大直流偏磁和额定负荷下温升超过规定值不多，在考虑到该变压器通常是低于额定负荷运行，直流偏磁对该变压器温升未产生实质性影响。
1.3直流偏磁对变压器影响
（1）变压器噪声：变压器的噪声主要来自铁心的磁致伸缩，在周期性变化的磁场作用下，硅钢片改变自己的尺寸，引起振动和噪声。磁致伸缩产生的振动是非正弦波的。噪声的频谱含有多种谐波分量，且随磁通密度的增大而增大。在直流偏磁作用下，变压器噪声大幅度上升，最大测点91.4dB，噪声上升21.1dB，超过噪声的合同值（85dB），不符合环保的要求。由于该变压器所远离居民区，该噪声超标问题未产生严重后果。
（2）变压器振动：在最大直流偏磁下，从变压器邮箱壁测得的振动值最高达194μm，超过制造厂给出的振动允许值（100μm）近1倍，为无直流偏磁时的3被。直流偏磁引起的高振动给变压器本身带来的问题远比温升和噪声问题严重，可能会引起变压器内有关部件的松动，进而威胁变压器的安全运行。500KV变压器在持续13d的直流偏磁运行后，油中出现乙炔气体且不断上升，现已经达到1.4μL/L，超过了规程的“注意值”（1μL/L），表明变压器内部存在放电，已给变压器的安全运行带来了不利影响。
此外，地中电流若流入电流互感器和电压互感器，则将导致误差增大。经分析，暂态保护级电流互感器有间隙，若流入直流不大，则对特性影响不大。
（3）变压器耗损增加
在直流电流的作用下，变压器励磁电力可能会大幅度增加，导致变压器基本铜耗急剧增加。但由于主磁通仍为正弦波，且磁密变化相对不大，所以直流偏磁电流对附加铜耗的影响相对较小。
变压器铁耗包括基本铁耗和附加铁耗。基本铁耗与通过铁心磁密的平方成正比和频率成正比，变压器漏磁通会穿过压板、夹件、邮箱等构件，并在其中产生涡流损耗，即附加铁耗，附加铁耗会随着铁心磁密的增加而增加。
（4）对铁心拉板的温升影响
为获得足够的机械强度，芯式变压器铁心的拉板或壳式变压器铁心的支撑板通常是采用磁性材料。拉板或支撑与硅钢片的磁场强度相同，其厚度比硅钢片的厚度候很多，大的涡流损耗导致了拉板温度升高。
2地中直流电流对变压器所接地网腐蚀影响
在土壤直流电流场中的金属是电解池中的一个电极，根据法拉第电解定律，作为阴极的地网金属失解腐蚀，电极腐蚀速度与电流强度成正比。例如，1A的直流，每年对钢电极的腐蚀量为9.13kg。三峡直流输电单极对地运行时，地中直流电流会加速地网的腐蚀。由于地网水平接地体的导电率高于土壤的导电率以及地中电流相互的屏蔽作用，接地体边缘处流入地中的电流密度要大于接地体中部的电流密度。
3限制变压器直流偏磁措施
补偿和消除流入变压器的地中电流有很多措施，但均很复杂，我们经过现场多次试验和直流输电单极对地运行时30%电流的实际抵消试验，在主变中性点注入反向直流电流，并采取降低变压器直流偏磁的措施，已具备工程实施条件。该设备可以同时向两台主变注入各10A反向直流的永久性装置。该装置的原理图如图1所示
图1 变压器中性点注入反向直流电流降低直流偏磁
在变压器外所补偿接地极与变压器中性点之间注入直流电流，该电流部门经变压器绕组和电网再回到补偿接地极。整流桥根据变压器中性点直流互感器测试的直流偏磁电流及方向，自动输出补偿电流，按照整定值，抵消变压器的大部分直流偏磁电流（通常抵消80%偏磁电流），使变压器的噪声和振动达到允许的水平，确保变压器的安全运行。该措施不改动变压器本体接线，属于“地下工作”，对变压器安全可靠，对相邻变电所的影响很小，是目前比较理想的抵消变压器治疗偏磁的有效措施。
4结束语
本文主要是分析了500KV单极高压直流输电产生的振动大大超过允许值，影响安全运行。虽然主变的温升、噪声、电流互感器的精度等未发现过大的影响，但这种影响在设计这种系统时应该认真考虑。
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论文作者:杜鑫
论文发表刊物:《电力设备》2018年第2期
论文发表时间:2018/6/1
标签：变压器论文; 电流论文; 噪声论文; 铁心论文; 磁电论文; 密度论文; 电网论文; 《电力设备》2018年第2期论文;