变压器直流偏磁电流监测技术应用浅析

王建波

内蒙古国华呼伦贝尔发电有限公司，内蒙古呼伦贝尔 021025

变压器直流偏磁电流监测技术应用浅析

王建波

内蒙古国华呼伦贝尔发电有限公司，内蒙古呼伦贝尔 021025

随着我国电力事业的不断发展，直流输电系统应用的范围逐渐增大，受电磁感应电流、直流输电系统接地极电流等因素的影响，导致电网网内的变压器经常出现直流偏磁现象，对变压器的安全稳定运行产生了十分不利的影响，进而对整个电力系统产生极大的危害。因此，研究变压器直流偏磁电流监测技术具有重要的意义。基于此，笔者结合自己的工作经验谈一谈变压器直流偏磁电流监测技术的有关问题，首先分析直流偏磁出现的原因以及直流偏磁对变压器造成的影响，其次分析直流偏磁相关的监测技术，最后尝试设计出一种高效的监测装置，希望可以为有关领域的研究提供一些参考和帮助，促进电网内的变压器正常、安全、稳定运行。

变压器；直流偏磁；电流监测技术；应用

伴随着社会和经济的快速发展，我国现代化建设水平的不断提高，对电力的需求量大幅度增加，并且对电力资源的依赖性也逐渐增强，带动了电力事业的发展，使我国的电力事业发展迅猛，取得了辉煌的成就。目前，我国电力企业对直流输电系统的投产规模不断扩大，这主要是因为直流输电系统输送的距离较远、容量较大，并且利用直流输电系统进行输电还有控制灵活的特点，因此受到电力单位的欢迎，应用的范围越来越广，但是由于我国电力系统结构的特点，在交、直流混合运行的情况下，容易出现变压器直流偏磁现象，对变压器造成不利的影响，导致供电质量降低。在这种情况下，加强对变压器直流偏磁的在线监测技术的研究至关重要，而对变压器运行状态进行在线监测，就需要使用有效的电流监测技术，就需要在变压器中性线上安装直流电流监测装置，以实现就地和远端在线监测和数据采集，进而为及时的解决变压器直流偏磁问题提供重要的依据，保证变压器正常、安全运行。因此，加强对变压器直流偏磁电流监测技术有关问题的研究具有重要的现实意义。

1 直流偏磁对变压器的影响作用分析

1.1 变压器直流偏磁现象产生的原因

变压器直流偏磁现象产生的原因：我国电网的结构比较复杂，属于交流电和直流电混合运行的电网结构，在这种电网结构之下，交流电和直流电输电系统两者之间就会相互影响，并且相互影响的程度还较大，这时候当直流输电系统处于单极大地或者双极不平衡运行的状态时，直流电流就可以通过接地极注入大地，而注入地中的直流电流又可以进入变压器，当直流电流经过变压器的绕组时，直流磁通就会产生，从而对励磁电流产生重大的影响，导致励磁电流的正负半周出现不对称的情况，加剧变压器铁芯磁密的饱和度，从而对整个交流系统产生十分不利的影响，导致交流系统出现变压器直流偏磁的情况[1]。

1.2 直流偏磁现象对变压器的影响

1.2.1 变压器出现局部过热的情况

一旦变压器出现直流偏磁现象，将会导致变压器在高度饱和的状态下持续运行，从而导致变压器产生大量的漏磁通，而这些磁通会通过变压器铁芯以及铁芯以外的铁质材料传导出去，如夹件、螺栓、连接片等，这些元件的磁阻较低，因此容易通过，从而形成一个通路，并且在传导的过程中会出现涡流损耗，进而导致变压器局部的温度不断升高，长时间的过热情况，会导致变压器损毁而无法正常工作[2]。

1.2.2 变压器的噪声和震动加大

变压器出现噪声和震动情况是直流偏磁对变压器产生的重要影响，噪声主要是由于变压器内的励磁电流增加导致，对周围居民的正常生活和休息产生了十分不利的影响。和噪声相比，震动对变压器产生的损害更加严重，噪声只是对周围的居民噪声影响，而持续的高速震动会导致变压器本身的各种元件出现松动的情况，并且会导致各个元件之间的磨损加剧，最重要的是会导致线圈绝缘磨损严重，从而失去绝缘作用，进而导致变压器出现短路等各种绝缘故障问题，大大降低了变压器的使用性能，轻则导致变压器损毁，重则导致大范围的停电，从而造成巨大的损失和不良的社会影响[3]。

1.2.3 增加了无功功率的消耗

在变压器发生直流偏磁现象时，就会导致变压器在高度饱和的状态下运行，从而使变压器产生的励磁电流增加，这样一来，变压器就必须要消耗更多的无功功率，从而导致系统内的无功功率补偿装置工作的负荷量加大，出现过载的情况，这不仅对补偿装置产生不利的影响，还会导致系统的电压下降，情况严重的话还会导致整个电网崩溃，导致供电中断，对人们正常的生产和生活产生严重不利的影响[4]。

1.2.4 产生谐波情况

在正常的情况下，变压器内的励磁电流正负半波是对称的，并且只包含奇次谐波，但是在出现直流偏磁之后，变压器内的励磁电力正负半波失衡，导致励磁电流出现单方向极度饱和的情况，这是其中包含的谐波就不再仅仅是奇次谐波了，还出现了偶次谐波，在这种情况下，变压器就变成了一个谐波源，在交流系统中产生大量的谐波，导致电力系统的电压波形出现畸形变化，进而导致滤波器工作荷载变大，继电保护失效，使电力系统出现故障[5]。

2 直流偏磁电流监测技术有关问题分析

变压器的质量以及使用性能决定了直流偏磁对变压器影响程度的大小，变压器铁芯结构、材料以及磁通密度设计的取值情况不同，直流偏磁对变压器造成的影响程度就有所不同。另外，出现直流偏磁问题时，变压器遭到损害的程度还和直流偏磁电流的大小相关，同等规格的变压器，直流偏磁产生的电流越大，对变压器造成的损坏就越大。因此，为了更好地掌握直流偏磁电流对变压器的影响情况，需要对直流偏磁进行电流监测，这样还有利于掌握变压器的分布范围以及产生问题的原因，以便及时采取有效的措施进行处理，保证电力系统供电的可靠性和持续性[6]。

2.1 直流偏磁电流的影响因素分析

当直流输电系统处于单极大地或者是双极不平衡运行状态时，电力系统中变电站原始地表电位以及电网结构和参数的情况直接决定了流经变压器绕组的直流偏磁电流的大小，进而对变压器产生不同层次的影响。

在直流输电系统当中，变电站原始地表电位是直接受直流极所激发的，因此变电站原始电位和直流极的有关方面相关。

目前，我国电力系统变得更加复杂，电力系统多种运行方式并存，从而使电网接线也变得越来越庞大，因此直流偏磁电流在交流输电系统中分布的情况很大程度上受电网结构以及相关参数的影响。

2.2 应用监测技术选取监测点时需要注意的问题分析

2.2.1 一定要注意地理环境。

地理环境主要包括两个方面：一是变电站与直流接地极的距离，二是海洋方面的环境因素。

在直流接地极场内和直流接地极场外，地中直流电位变化的情况是不相同的，在直流接地极场外，地中直流电位是随着距离的不断增大而下降的，下降的速度先大后小，并随着距离的不断增大，电位梯度就开始变得越来越小，并最终趋于一条直线。判断电流是否侵入变压器，变电站和直流接地极的距离是一个重要影响因素，同时距离也决定了直流电流的大小。

和山川以及湖泊等相比，海洋的电阻率较低，因此直流偏磁电流的分布情况受海洋的影响较大，而受山川、湖泊等影响较小，所以在相同的距离下，靠近海洋的地表电位相对较低，距离海洋最短的地表电位最高，而两点之间的地表电位就介于中间。因此，在临海的地区，在选择监测点时，需要重点考虑海洋的影响[7]。

2.2.2 电网因素的影响

电网影响因素也是主要包括两个方面，即变电站和线路相互之间的位置关系以及线路情况。

变电站和线路之间相互位置关系对流经变压器中性点的直流电流具有重要的影响，如图1所示。图1（a）和图1（b）表示两种不同变电站和线路位置关系，在图1（a）中，有一部分电流流入B变电站，也有一部分电流从B变电站流出，这样相互抵消之后，真正流入变压器中性点的直流电流就相对比较下。而在图1（b）当中，其他两个变电站的直流电流都流入B变电站，从而导致流入B变电站中性点的直流电流较大。

路线状况主要包括线路长度、回数以及导线的参数。在一般的情况下，线路直流电阻和通过该线路的直流电流是呈现负相关关系的，也就是说电阻越大，直流电流越小。

图1 变电站和线路相互位置的关系

3 变压器直流偏磁电流监测技术装置研究

在对变压器直流偏磁电流检测装置进行设计之前，我们需要了解直流偏磁监测装置系统的主要构成情况。直流偏磁监测装置系统主要有三个部分组成，即传感器、信息处理以及后台工程师，其中比较重要的一点就是传感器，直接影响到信息采集的情况，并且由于工作环境的影响对传感器提出了更高的要求，主要体现在以下几个方面。

首先，使用的传感器必须要可以适应恶劣的工作环境，并且测量的精度要高。

其次，传感器一次侧额定电流、输出电流以及输出内阻要符合在线监测的要求。

最后，在电力系统出现故障之后，会有大量的电力通过传感器，而为了保证测量的精度，要保证传感器在这种情况下可以正常工作[8]。

下面本文对监测装置的设计就提高了对这几个问题的重视程度，可以达到很好的测量效果。

所谓的变压器直流偏磁电流就是一种通过变压器中性点接地线而流经变压器绕组的直流电流，因此，如果我们需要计算流经变压器绕组的直流电流，则可以通过测量变压器中性点接地线中的直流电流来实现。但是由于变电站高压场内工作环境比较恶劣，因此需要研制一种高效的变压器直流偏磁电流检测装置。本文笔者试图设计了一种光电型的监测装置来满足实际工作的需要，如图2所示。

图2 光电型变压器直流偏磁电流检测装置设计示意图

由设计图可以看出本文设计的直流电流检测装置主要分为测量部分、信号接收部分以及能量供给的部分。变压器中性点接地线的附近就是测量部分，而信号接收部分和能量供给部分主要在变电站的控制室之内，利用光钎将两个部分进行连接。为了提高测量的效率和质量，我们在测量部分安装了霍尔传感器，将收集到的电流磁场经过一系列的处理传送到CPU处理器上，处理器会对接收到的信号进行数据转化、滤波等处理，接着将输出的信号通过驱动电路和光钎发送模块发送到变电站的控制室，最终发送到控制室的信号类型为光信号，控制室的信号接收部门和能量供给部分会对接受到的信号进行有效的处理，从而得到测量的结果。这种设计方案具有很大的优越性，它实现了高压场内设备和控制室设备的完全隔离，减少了各种不利的信号干扰，有利于提高测量的精确性和可靠性。

4 结论

总而言之，随着我国对直流输电系统投资规模的不断扩大，直流输电系统应用的范围越来越广，从而导致出现变压器直流偏磁问题，对变压器造成严重的损坏，影响供电的质量，从而对人们的正常生产和生活造成不利的影响。因此，为了提高变压器运行的稳定性、可靠性和安全性，电力单位一定要提高对变压器直流偏磁电力监测技术应用研究问题的重视程度，采取有效的措施提高电流检测技术应用的水平，并不断研制新型的变压器直流偏磁电流检测装置，从而提高电流监测的精确度，以便对变压器分布和损毁的情况及时进行掌握，及时采取措施进行解决，保证变压器正常、稳定、安全运行。

[1]骆洁艺，欧阳旭东.变压器直流偏磁电流监测技术研究[J].广东电力，2010（10）：96-98，113.

[2]潘超，王泽忠，李海龙，等.基于瞬态场路耦合模型的变压器直流偏磁计算[J].电工技术学报，2013（5）：174-181.

[3]鲁海亮，文习山，蓝磊，等.变压器直流偏磁对无功补偿电容器的影响[J].高电压技术，2010（5）：1124-1130.

[4]王翔，郝瑞祥，王剑，等.变压器直流偏磁对光伏并网逆变器的影响及抑制方法[J].电工技术学报，2013（12）：237-244.

[5]王振浩，佟昕，齐伟夫，等.电容隔直可控开断桥法抑制变压器直流偏磁[J].电工技术学报，2013（10）：120-126.

[6]董霞，刘志珍.三相变压器直流偏磁仿真分析[J].电力自动化设备，2013（7）：121-125.

[7]张露，阮羚，潘卓洪，等.变压器直流偏磁抑制设备的应用分析[J].电力自动化设备，2013（9）：151-156.

[8]赵小军，张晓欣，李慧奇，等.基于谐波平衡法的变压器直流偏磁电路-磁路频域耦合模型[J].电工技术学报，2014（9）：211-218.

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1674-6708（2015）149-0094-03

王建波，长期从事集控运行的研究和技术管理工作