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摘 要：本文以糯扎渡-鹤山±800 kV特高压直流输电系统为研究对象，分析了特高压直流输电系统采用单极大地方式运行时直流偏磁产生的原因及对交流变压器本身和电网的影响，对流过变压器绕组直流电流大小的相关问题进行了讨论，并结合目前江门电网的情况提出几点抑制流入变压器中性点地中直流的措施。
关键词：特高压直流 直流偏磁 交流变压器 抑制措施
中图分类号：TM72 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（a）-0134-03
近年来我国尤其是沿海经济发达地区用电需求增长很大，但是我国能源丰富地区大都在西部，这种能源和负荷分布不平衡的局面促使我国实行“西电东送”工程，因此，大力开发西南水电，采用特高压直流将电能输送到沿海经济发达地区势在必行[1，2]。随着世界上首个±800 kV特高压直流输电工程（云南楚雄至广东穗东）的正式投产，第二条云广线（糯扎渡至鹤山）于2012年4月15日也顺利开工，该工程是南方电网公司“西电东送”重点项目，起于云南糯扎渡换流站，止于广东江门换流站。糯扎渡至鹤山直流输电工程额定容量5000 MW，采用双12脉动阀组串联接线方式，送电距离约1451 km。受端江门换流站位于广东省江门鹤山龙口镇，与500 kV鹤山变电站合建，本期500 kV交流出线4回，分别以2回500 kV线路接入江门变和顺德变，预留交流主变及500 kV和220 kV出线。
但目前龙政、江城、葛南、穗东等高压直流输电系统的运行情况表明，高压直流输电系统的运行方式对交流电网和中性点直接接地变压器都有一定的影响，特高压直流输电工程尤为严重。多个特高压直流输电系统投运后，这些影响将进一步加大，因此结合江门电网的实际情况研究分析高压直流输电系统对中性点直接接地变压器的影响并采取相关抑制措施具有重要意义。
1 地中电流对交流系统变压器的影响
地中电流对交流系统变压器的影响主要体现在对交流电网中220 kV及其以上变电站的影响[3]。自2004年鹅城换流站投产后，三广直流双级功率不平衡或采取单极-大地回线方式运行时，会对接地极周边中性点接地的交流变压器产生不良的影响，特别对500 kV的变压器，主要表现在噪声增大，流过中性点的直流增大等。江门市有220 kV变电站共25座、500 kV变电站3座分别是五邑站，江门站和圭峰站。
1.1 直流偏磁产生的原因
特高压直流输电不同于常规的高压直流输电，其运行方式相当复杂，一个双极特高压直流输电系统的可能运行方式可达20多种[4]。当单极或双极不对称以大地为回路运行时，巨大的直流电流以大地构成回路如图1所示（例如在糯扎渡至鹤山直流输电工程中直流接地极的设计额定电流是3.125 kA），这个强大的直流电流会在接地极址土壤中形成恒定电流场E，必然对接地极本身及其对附近的交流系统产生影响。离接地极址越近，直流电场越大，反之越小。位于该电场中的两个变电站1和2，如果变压器中性点接地，则直流电场使得两个变电站的接地点G1和G2间形成直流电压。在该电压的作用下，两个变压器的中性线、交流三相线路l以及G1和G2间的大地（或海水）环路中形成直流电流Id`。该直流电流的大小取决于变电站和直流极址间的距离，变电站接地电阻，变压器及交流线路的直流电阻以及土壤电阻率等因素。
变压器每相绕组中不含直流分量时工作在磁环曲线的线性段，如图2中（a）的OA段，磁链ψ与励磁电流If成正比，励磁电流为正弦波，如图2中（b）所示。当直流电流较大时将引起变压器铁心单向磁饱和，使该方向的励磁电流进入磁化曲线的饱和区，此时励磁电流的正半周出现尖顶，而负半周继续保持为正弦波，励磁电流波形发生畸变，产生直流偏磁。
1.2 直流偏磁对变压器的危害
直流偏磁对变压器的影响表现在一下几个方面。
（1）变压器损耗增加，温升增大，引发局部过热。变压器绕组、铁心、邮箱和夹件等结构件的涡流损耗增加，引起变压器顶层油温升和绕组温升增加。当直流持续时间较长时，必然导致局部过热。研究表明：一台370 MVA、735 kV的单项自耦变压器中注入75 A的直流电流，持续1 h后，拉板上顶部与顶油温差可达到52 K。
（2）噪声增大。直流偏磁使变压器铁心磁通饱和，谐波分量增加，导致磁滞伸缩加剧，噪声增大[5]。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10 dB，若达到4倍的额定励磁电流，噪音增大20 dB；变压器直流偏磁会产生谐波，使变压器噪音频率发生变化，可能会因某一频率与变压器结构部件发生共振使噪音增大[6]。有记录证明直流偏磁可造成变压器噪声高达91.4 dB。
（3）振动加剧。直流偏磁使变压器励磁电流畸变，引起漏磁通增加，导致绕组电动力增加，在一定程度上使变压器振动加剧[5，7]。如江苏武南变电站，当变压器中性点直流电流为12.8 A时，邮箱壁振动高达194 mm。
1.3 直流偏磁对电网的危害
1.3.1 谐波源
变压器正常工作时，其励磁电流是对称的尖顶波，励磁电流中只含奇次谐波，感应电压是正弦波。直流偏磁作用时，单方向极度饱和的变压器励磁电流中出现了偶次谐波，感应电压含有谐波分量，变压器成了交流系统中的谐波源。
谐波的产生将对系统造成影响如下[8]。
（1）系统电压波形畸变。
（2）导致继电保护误动。
（3）导致滤波器过载。
（4）合空载长线时，产生持续过电压。
（5）单相重合闸过程中潜供电流增加。
（6）断路器恢复电压增高。
1.3.2 电网电压下降
直流偏磁引起变压器磁路饱和，励磁电流增加，变压器消耗无功增加，使系统无功补偿装置过载导致系统电压下降。 2 流过变压器绕组直流电流大小的相关问题
假设变电站1和2分别位于接地极地电流场，如图3所示以流经两台接地变压器绕组直流电流的大小决定于：（l）两台接地变压器所处位置的电位j1、j2；（2）两个变电站的接地电阻Rg1、Rg2；（3）两台接地变压器的每相绕组直流电阻Rt1、Rt2；（4）连接两台变压器每相线路的直流电阻R1。
由欧姆定律可知流过变压器每相绕组的直流电流可表示为：
（1）
在实际工程中，由于大地土壤电阻率分布并非各向均匀，使得计算各变电所电位变得很复杂；再加上电力系统接线是一个网络，不是单一支路，因而计算电流应使用网络的概念，需要收集大量的系统资料，如系统接线图、变电所变压器型式及相关参数、接地电阻、线路参数等。
假设电力系统由m个母线节点，n座厂站，k条点对点直流输电线路，l台接地变压器组成，假定无穷远处直流电位为零，则系统在k条直流线路同时单极大地运行时应满足以下矩阵方程式[9]：
= （2）
式（2）中，Gaa为交流电网的（m+n）×（m+n）阶直流电导矩阵；Gad为交流电网与直流网互电导组成的（m+n）×2k阶电导矩阵；Gdd为直流接地极特性组成的2k×2k阶电导矩阵；Ua为交流电网母线及交流接地极（m+n）维直流电压向量；Ud为直流接地极母线2k维直流电压向量；Id为直流单极大地回路运行时注入接地极的2k维大地电流向量。
给定G，I后，由式（2）通过矩阵运算可求得交流母线的直流电压
（3）
则变压器中性点的直流分量Il为：
（4）
式中，Gl为变压器绕组的电导；UW1为变压器母线直流电压；UN1为变压器中性点与接地极连接处的直流电压。
流过个变压器绕组的直流电流大小，不仅与接地极的距离相关，同时与极致土壤导电性能、电力系统网络接线及其参数（如变电站接地电阻、导线型号及长度、变压器容量及台数等）有关。在一个变电站里单台运行的变压器比多台投运的变压器更容易受到影响；靠近接地极变电站和与接地极成径向布置的变电站较其他方向布置的变电站容易流过更多的地电流。由于糯扎渡至鹤山800 kV特高压直流输电工程正在建设当中，我们对接地极极致的具体地理位置并不是非常明确。所以计算流过电力系统各变压器绕组的直流电流工作有待下一步进行。
3 抑制变压器中性点直流的措施
对于变压器的直流偏磁问题，国内外研究人员得出的直流限值不尽相同，但一般认为当每相的直流限值小于0.7%的每相交流额定有效值时，则直流偏磁的影响可以接受[10]。对此问题的研究应先计算出变压器允许通过的直流电流并和变压器实际通过的最大的直流电流进行比较，如限值小于实际通过的直流电流，应采取限流措施以减小直流偏磁的影响。具体解决方法如下。
（1）为避免直流电流对变压器的影响，建设接地极时与变电站保持合适距离，采用具有良好导电特性且耐受电腐蚀强的接地极材料并深层设计，这是根本解决方法。
（2）对于尚未订货的变压器，可以将计算及实测得到的流过变压器绕组的直流电流值及持续时间写进设备招标技术规范书，要求厂家满足技术要求；或者要求制造厂考虑直流偏磁所引起的问题，通过改进制造工艺来提高变压器抗直流偏磁的问题。
（3）对110 kV变压器，可以调整变电所接地位置，让受影响变电站不接地。
（4）对投运的变压器，可在受影响的变压器的中性点加装电阻或电容器隔直装置，减少或隔断直流。
（5）在实际工作中加强对主变中性点电流的监测，如果中性点直流分量已经达到危及变压器安全的程度，应该根据具体情况选择合适的抑制措施，确保发电厂主变压器的安全运行。
4 结语
随着“西电东送”工程规模的不断扩大，越来越多的高压直流输电工程将落户广东并投入运行，其中特高压直流输电在我国“西电东送”工程中扮演重要的角色，因此变压器受直流电影响的范围将越来越广泛，程度也越来越严重。为减少直流电流对交流变压器的影响，对于正在规划的江门换流站，我们首先要从直流接地极的选址、设计和选材方面入手；对于已投入运行的接地极，若要在该地区附近筹建交流变电站，应该从变电站的选址、变压器的设计方面入手。一方面变电站的选址要与三—广直流的接地极保持相当的距离；另一方面要求变压器制造厂家完善变压器的参数，使变压器满足直流偏磁方面的技术要求，将接地极对变压器的影响减至最少。
参考文献
[1] 苏宏田，齐旭，吴云.我国特高压直流输电市场需求研究[J].电网技术，2005，29（24）：1-4.
[2] 赵畹君.高压直流输电工程程技术[M].北京：中国电力出版社，2004.
[3] 续建国.直流输电与交流电网变压器偏磁问题研究[D].西南交通大学，2011.
[4] 韩民晓，文俊，许永海.高压直流输电原理与运行[M].北京：机械工业出版社，2009.
[5] 马志强.变压器直流偏磁的原理性仿真[J].广东电力，2004，17（2）：5-9.
[6] Chen Wenge，Kang Zhanying，Ding Bingjun.Preparation and Arc Breakdown Behavior of Nanocrystalline W-Cu Electrical Contact Materials[J].Journal of Material Science Technology，2005，21（6）：875-878.
[7] 蒯狄正，万达，邹云.直流偏磁对变压器的影响[J].中国电力，2004，37（8）：41-43.
[8] 邵家海，吴翎.超高压直流输电对运行变压器的影响及变压器直流抑制措施[J].东北电力技术.2005（10）：19-22.
[9] 马志强，黎小林，钟定珠.直流输电大地电流对交流系统影响的网络分析算法[J].广东电力，2005，18（12）：4-8.
[10] 朱艺颖，蒋卫平，曾昭华，等.抑制变压器中性点直流电流的措施研究[J].中国电机工程学报，2005，25（13）：1-7.
关键词：特高压直流 直流偏磁 交流变压器 抑制措施
中图分类号：TM72 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（a）-0134-03
近年来我国尤其是沿海经济发达地区用电需求增长很大，但是我国能源丰富地区大都在西部，这种能源和负荷分布不平衡的局面促使我国实行“西电东送”工程，因此，大力开发西南水电，采用特高压直流将电能输送到沿海经济发达地区势在必行[1，2]。随着世界上首个±800 kV特高压直流输电工程（云南楚雄至广东穗东）的正式投产，第二条云广线（糯扎渡至鹤山）于2012年4月15日也顺利开工，该工程是南方电网公司“西电东送”重点项目，起于云南糯扎渡换流站，止于广东江门换流站。糯扎渡至鹤山直流输电工程额定容量5000 MW，采用双12脉动阀组串联接线方式，送电距离约1451 km。受端江门换流站位于广东省江门鹤山龙口镇，与500 kV鹤山变电站合建，本期500 kV交流出线4回，分别以2回500 kV线路接入江门变和顺德变，预留交流主变及500 kV和220 kV出线。
但目前龙政、江城、葛南、穗东等高压直流输电系统的运行情况表明，高压直流输电系统的运行方式对交流电网和中性点直接接地变压器都有一定的影响，特高压直流输电工程尤为严重。多个特高压直流输电系统投运后，这些影响将进一步加大，因此结合江门电网的实际情况研究分析高压直流输电系统对中性点直接接地变压器的影响并采取相关抑制措施具有重要意义。
1 地中电流对交流系统变压器的影响
地中电流对交流系统变压器的影响主要体现在对交流电网中220 kV及其以上变电站的影响[3]。自2004年鹅城换流站投产后，三广直流双级功率不平衡或采取单极-大地回线方式运行时，会对接地极周边中性点接地的交流变压器产生不良的影响，特别对500 kV的变压器，主要表现在噪声增大，流过中性点的直流增大等。江门市有220 kV变电站共25座、500 kV变电站3座分别是五邑站，江门站和圭峰站。
1.1 直流偏磁产生的原因
特高压直流输电不同于常规的高压直流输电，其运行方式相当复杂，一个双极特高压直流输电系统的可能运行方式可达20多种[4]。当单极或双极不对称以大地为回路运行时，巨大的直流电流以大地构成回路如图1所示（例如在糯扎渡至鹤山直流输电工程中直流接地极的设计额定电流是3.125 kA），这个强大的直流电流会在接地极址土壤中形成恒定电流场E，必然对接地极本身及其对附近的交流系统产生影响。离接地极址越近，直流电场越大，反之越小。位于该电场中的两个变电站1和2，如果变压器中性点接地，则直流电场使得两个变电站的接地点G1和G2间形成直流电压。在该电压的作用下，两个变压器的中性线、交流三相线路l以及G1和G2间的大地（或海水）环路中形成直流电流Id`。该直流电流的大小取决于变电站和直流极址间的距离，变电站接地电阻，变压器及交流线路的直流电阻以及土壤电阻率等因素。
变压器每相绕组中不含直流分量时工作在磁环曲线的线性段，如图2中（a）的OA段，磁链ψ与励磁电流If成正比，励磁电流为正弦波，如图2中（b）所示。当直流电流较大时将引起变压器铁心单向磁饱和，使该方向的励磁电流进入磁化曲线的饱和区，此时励磁电流的正半周出现尖顶，而负半周继续保持为正弦波，励磁电流波形发生畸变，产生直流偏磁。
1.2 直流偏磁对变压器的危害
直流偏磁对变压器的影响表现在一下几个方面。
（1）变压器损耗增加，温升增大，引发局部过热。变压器绕组、铁心、邮箱和夹件等结构件的涡流损耗增加，引起变压器顶层油温升和绕组温升增加。当直流持续时间较长时，必然导致局部过热。研究表明：一台370 MVA、735 kV的单项自耦变压器中注入75 A的直流电流，持续1 h后，拉板上顶部与顶油温差可达到52 K。
（2）噪声增大。直流偏磁使变压器铁心磁通饱和，谐波分量增加，导致磁滞伸缩加剧，噪声增大[5]。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10 dB，若达到4倍的额定励磁电流，噪音增大20 dB；变压器直流偏磁会产生谐波，使变压器噪音频率发生变化，可能会因某一频率与变压器结构部件发生共振使噪音增大[6]。有记录证明直流偏磁可造成变压器噪声高达91.4 dB。
（3）振动加剧。直流偏磁使变压器励磁电流畸变，引起漏磁通增加，导致绕组电动力增加，在一定程度上使变压器振动加剧[5，7]。如江苏武南变电站，当变压器中性点直流电流为12.8 A时，邮箱壁振动高达194 mm。
1.3 直流偏磁对电网的危害
1.3.1 谐波源
变压器正常工作时，其励磁电流是对称的尖顶波，励磁电流中只含奇次谐波，感应电压是正弦波。直流偏磁作用时，单方向极度饱和的变压器励磁电流中出现了偶次谐波，感应电压含有谐波分量，变压器成了交流系统中的谐波源。
谐波的产生将对系统造成影响如下[8]。
（1）系统电压波形畸变。
（2）导致继电保护误动。
（3）导致滤波器过载。
（4）合空载长线时，产生持续过电压。
（5）单相重合闸过程中潜供电流增加。
（6）断路器恢复电压增高。
1.3.2 电网电压下降
直流偏磁引起变压器磁路饱和，励磁电流增加，变压器消耗无功增加，使系统无功补偿装置过载导致系统电压下降。 2 流过变压器绕组直流电流大小的相关问题
假设变电站1和2分别位于接地极地电流场，如图3所示以流经两台接地变压器绕组直流电流的大小决定于：（l）两台接地变压器所处位置的电位j1、j2；（2）两个变电站的接地电阻Rg1、Rg2；（3）两台接地变压器的每相绕组直流电阻Rt1、Rt2；（4）连接两台变压器每相线路的直流电阻R1。
由欧姆定律可知流过变压器每相绕组的直流电流可表示为：
（1）
在实际工程中，由于大地土壤电阻率分布并非各向均匀，使得计算各变电所电位变得很复杂；再加上电力系统接线是一个网络，不是单一支路，因而计算电流应使用网络的概念，需要收集大量的系统资料，如系统接线图、变电所变压器型式及相关参数、接地电阻、线路参数等。
假设电力系统由m个母线节点，n座厂站，k条点对点直流输电线路，l台接地变压器组成，假定无穷远处直流电位为零，则系统在k条直流线路同时单极大地运行时应满足以下矩阵方程式[9]：
= （2）
式（2）中，Gaa为交流电网的（m+n）×（m+n）阶直流电导矩阵；Gad为交流电网与直流网互电导组成的（m+n）×2k阶电导矩阵；Gdd为直流接地极特性组成的2k×2k阶电导矩阵；Ua为交流电网母线及交流接地极（m+n）维直流电压向量；Ud为直流接地极母线2k维直流电压向量；Id为直流单极大地回路运行时注入接地极的2k维大地电流向量。
给定G，I后，由式（2）通过矩阵运算可求得交流母线的直流电压
（3）
则变压器中性点的直流分量Il为：
（4）
式中，Gl为变压器绕组的电导；UW1为变压器母线直流电压；UN1为变压器中性点与接地极连接处的直流电压。
流过个变压器绕组的直流电流大小，不仅与接地极的距离相关，同时与极致土壤导电性能、电力系统网络接线及其参数（如变电站接地电阻、导线型号及长度、变压器容量及台数等）有关。在一个变电站里单台运行的变压器比多台投运的变压器更容易受到影响；靠近接地极变电站和与接地极成径向布置的变电站较其他方向布置的变电站容易流过更多的地电流。由于糯扎渡至鹤山800 kV特高压直流输电工程正在建设当中，我们对接地极极致的具体地理位置并不是非常明确。所以计算流过电力系统各变压器绕组的直流电流工作有待下一步进行。
3 抑制变压器中性点直流的措施
对于变压器的直流偏磁问题，国内外研究人员得出的直流限值不尽相同，但一般认为当每相的直流限值小于0.7%的每相交流额定有效值时，则直流偏磁的影响可以接受[10]。对此问题的研究应先计算出变压器允许通过的直流电流并和变压器实际通过的最大的直流电流进行比较，如限值小于实际通过的直流电流，应采取限流措施以减小直流偏磁的影响。具体解决方法如下。
（1）为避免直流电流对变压器的影响，建设接地极时与变电站保持合适距离，采用具有良好导电特性且耐受电腐蚀强的接地极材料并深层设计，这是根本解决方法。
（2）对于尚未订货的变压器，可以将计算及实测得到的流过变压器绕组的直流电流值及持续时间写进设备招标技术规范书，要求厂家满足技术要求；或者要求制造厂考虑直流偏磁所引起的问题，通过改进制造工艺来提高变压器抗直流偏磁的问题。
（3）对110 kV变压器，可以调整变电所接地位置，让受影响变电站不接地。
（4）对投运的变压器，可在受影响的变压器的中性点加装电阻或电容器隔直装置，减少或隔断直流。
（5）在实际工作中加强对主变中性点电流的监测，如果中性点直流分量已经达到危及变压器安全的程度，应该根据具体情况选择合适的抑制措施，确保发电厂主变压器的安全运行。
4 结语
随着“西电东送”工程规模的不断扩大，越来越多的高压直流输电工程将落户广东并投入运行，其中特高压直流输电在我国“西电东送”工程中扮演重要的角色，因此变压器受直流电影响的范围将越来越广泛，程度也越来越严重。为减少直流电流对交流变压器的影响，对于正在规划的江门换流站，我们首先要从直流接地极的选址、设计和选材方面入手；对于已投入运行的接地极，若要在该地区附近筹建交流变电站，应该从变电站的选址、变压器的设计方面入手。一方面变电站的选址要与三—广直流的接地极保持相当的距离；另一方面要求变压器制造厂家完善变压器的参数，使变压器满足直流偏磁方面的技术要求，将接地极对变压器的影响减至最少。
参考文献
[1] 苏宏田，齐旭，吴云.我国特高压直流输电市场需求研究[J].电网技术，2005，29（24）：1-4.
[2] 赵畹君.高压直流输电工程程技术[M].北京：中国电力出版社，2004.
[3] 续建国.直流输电与交流电网变压器偏磁问题研究[D].西南交通大学，2011.
[4] 韩民晓，文俊，许永海.高压直流输电原理与运行[M].北京：机械工业出版社，2009.
[5] 马志强.变压器直流偏磁的原理性仿真[J].广东电力，2004，17（2）：5-9.
[6] Chen Wenge，Kang Zhanying，Ding Bingjun.Preparation and Arc Breakdown Behavior of Nanocrystalline W-Cu Electrical Contact Materials[J].Journal of Material Science Technology，2005，21（6）：875-878.
[7] 蒯狄正，万达，邹云.直流偏磁对变压器的影响[J].中国电力，2004，37（8）：41-43.
[8] 邵家海，吴翎.超高压直流输电对运行变压器的影响及变压器直流抑制措施[J].东北电力技术.2005（10）：19-22.
[9] 马志强，黎小林，钟定珠.直流输电大地电流对交流系统影响的网络分析算法[J].广东电力，2005，18（12）：4-8.
[10] 朱艺颖，蒋卫平，曾昭华，等.抑制变压器中性点直流电流的措施研究[J].中国电机工程学报，2005，25（13）：1-7.