接地极对变压器直流偏磁的影响及其抑制探析

文卫兵 拾 扬

（国网北京经济技术研究院，北京102209）

0 引言

近年来，伴随着我国电力事业的发展与高压直流输电技术的进步，高压直流输电工程不断增加，为区域电网之间的互联互通和电力能源的远距离输送提供了有效支撑，使电网对电力的输送能力大大提升，为我国的电力安全与社会发展提供了保障；另一方面，高压直流输电技术的应用也引发了一些问题，如变压器直流偏磁［1］。

本文针对接地极单极大地回线运行方式所引起的变压器直流偏磁问题，分析其对变压器正常运行的不利影响，研究接地极各方面与直流偏磁的关系，提出接地极与变压器的优化设计方案。

1 直流偏磁效应的负面作用

对于高压直流输电，通常在工程上采用双极直流输电系统，若其中一极因检修停止正常运行或突然发生故障，系统能自动转换为单极方式运行［2］。而在高压直流输电系统采用单极大地回线方式运行的过程中，输电线路与接地极、大地构成回路，由于输电线上会产生相对较大的直流电，电流流经大地，使得接地点附近的大地电位发生变化，如果其附近存在电力交流系统，则会受到较大影响，使变压器运行异常，产生直流偏磁问题［3－4］。

如果直流电流入变压器绕组，尤其是流入的电流值大于变压器所能承受的限值时，会影响变压器的正常运行，甚至损害设备。具体表现为如下4点：（1）变压器铁耗、铜耗增加。变压器绕组流入的直流电，会大大增加变压器内部的励磁电流，进而恶化变压器的漏磁问题。漏磁问题会影响变压器的其他组件，包括油箱、夹件等，并在其中产生铁耗与铜耗。（2）变压器运行温度升高，发生过热。直流电由大地经中性接地点流入变压器绕组，变压器绕组的励磁电流直线上升，将使设备内部的其他组件产生涡流，设备整体温度上升，如果这一状态持续时间过长，会使设备过热。（3）变压器噪声变大。直流电由大地经中性接地点流入变压器绕组，将使变压器磁通饱和且包含谐波分量，变压器运行磁致伸缩，进而诱发噪声。（4）变压器振动增大。直流电由大地经中性接地点流入变压器绕组，会加剧铁芯的伸缩现象，使变压器振动问题变得严重。

2 接地极对直流偏磁的影响

对于高压直流输电系统而言，进入接地极中的直流电流通常会受到接地极所处环境以及换流站与接地点距离的影响，下文将围绕上述几个方面展开分析。

2.1 接地极入地电流与变压器直流偏磁的关系

当直流输电系统处于单极大地回线运行方式时，输电线会有几百甚至上千安培的电流通过接地极注入大地。由于中性点与接地网之间会构成直流通路，在电位差的作用下，会有直流电流入变压器。

假设有两座变电站——M与N，这两座变电站的电势分别为VM和VN。M和N的中性点直接与大地相连，两座变电站有线路连接。则通过中性点进入变压器的直流电流由下式可得：

式中，RTN、RTM分别为两变电站主变的直流电阻；RN、RM分别为两变电站的接地电阻；RZ为两变电站之间线路的电阻。

由上式可知，入地电流越大，变压器直流偏磁越严重。

2.2 接地极所处环境与变压器直流偏磁的关系

在双极直流输电系统中，一极检修或故障会引发中性点接地变压器的直流偏磁效应，流入变压器的电流大小主要受大地电位差的影响。

对于接地极附近的区域来说，大地土壤的导电特性差异大，周边的地理环境、地形情况也十分复杂。地表电位的大小与附近土壤电阻率有着正相关关系，同时与流入变压器中性点的直流电流也呈正相关的特性。

另一方面，接地极深度对直流偏磁也会产生影响。在高压直流输电系统中，为了使入地电流在地表产生的电位和电位梯度保持在相对较低的范围内，常采用垂直于大地的深层接地极，将电流直接泄放入地层深处。接地极埋得距离地表越远，其附近的地表电位下降得越明显，从而能有效抑制直流偏磁效应。

2.3 接地点距离与变压器直流偏磁的关系

如果接地极附近环境相同，励磁电流的波形还会受到接地点距离的影响。接地点与电流源越近，变压器的直流偏磁问题就越大，且变压器励磁电流波形畸变也会加剧。反之，偏磁现象就会减弱。当直流接地极和变压器中性点的距离超过60 k m时，励磁电流畸变可以忽略。

3 直流偏磁抑制

伴随着高压直流输电工程的发展，直流偏磁问题逐渐引起了电力从业者的重视，针对接地极所引发的变压器直流偏磁问题，学者们从不同方面开展了研究，并提出了优化设计方案。

3.1 变压器制造设计

从变压器自身考虑，提升变压器中性点所能通过的电流最大值是解决直流偏磁问题的根本之道。这一参数受到变压器运行噪声、温升等指标的限制。进一步分析，直流偏磁的影响与变压器铁芯各向异性、磁滞损耗等因素密切相关，它是一个非线性的三维瞬态模型，需从变压器尺寸、结构、介质、加工等多方面进行优化设计。

3.2 接地极与变压器选址

直流输电系统的单极大地回线运行方式会对地注入大电流，使接地极附近变压器接地端电位发生变化，其变化大小与接地极附近土壤结构密切相关。因而，当我们分析直流输电系统接地极对变压器的直流偏磁影响时，必须以实际环境为基础，通过土壤建模，计算土壤地表电位分布，进而评估变压器偏磁大小，通过合适的接地极选址，降低直流输电工程中接地极对变压器直流偏磁问题的影响。

定性分析来看，当接地极附近土壤电阻率较低时，接地极对变压器直流偏磁的影响降低；同时，加大接地极埋深或增加变压器接地点与接地极距离也可以降低对变压器直流偏磁的影响。

3.3 变压器接地设计

从变压器自身的接地设计出发，可从以下3个方面改进优化，从而降低接地极对变压器的直流偏磁影响：（1）在变压器中性点接地端加装电容；（2）向变压器中性点注入反向电流；（3）在变压器中性点加装电阻。以上3种方法分别具有不同的优缺点：（1）在变压器接地点加装电容，使变压器对大地的直流电流相当于断路，能够有效阻挡直流电流向变压器的流入，但加装电容会影响附近其他变压器设备，使其直流偏磁问题加重；（2）向变压器中性点注入反向电流需要借助直流发生装置，而这一措施目前多用于流入电流较大的运行环境，设备运行状态复杂且成本较高；（3）在变压器中性点加装电阻这一方法实施起来简单方便、造价便宜，能够有效阻挡直流电流的流入，抑制变压器直流偏磁问题，但如何根据实际情况设计接地端电阻参数、分析加装电阻对附近电力设备的影响等问题仍无明确的方法，有待各方面的进一步研究。

4 结语

当高压直流输电系统运行于单极大地回线方式时，电力系统将大地作为输电回路的一部分，通过接地极向大地注入较大电流，这一电流将引起接地极附近土壤地表电位变化，如果附近存在变压器设备，部分电流会通过变压器的接地端流入变压器绕组，影响变压器运行状态，进一步引发直流偏磁问题。综合来看，接地极入地电流越大，对直流偏磁的影响越大；接地极所处环境中周围土壤电阻率越大、接地极埋深越浅，变压器的直流偏磁问题就越严重；接地点的距离也会影响直流偏磁，接地极与变压器距离越近，变压器受影响越大。针对接地极所引发的变压器直流偏磁问题，其解决需从变压器制造设计、接地极与变压器选址设计以及变压器接地设计3个方面展开。

［1］王彪，王渝红，丁理杰，等.高压直流输电接地电极及相关问题综述［J］.电力系统及其自动化学报，2012（1）：66－72.

［2］顾承昱，司文荣，郑旭，等.并联直流接地极抑制上海区域直流偏磁的方法研究［J］.高压电器，2012（4）：65－74.

［3］黄道春，魏远航，钟连宏，等.我国发展特高压直流输电中一些问题的探讨［J］.电网技术，2007（8）：6－12.

［4］何文林，孙翔，邹国平，等.直流偏磁对中性点接地变压器衍生影响的检测分析［J］.浙江电力，2014（10）：1－5.