交流电网整流变引起的直流偏磁机理与实验分析

刘明军 程 臣 赵克江 张作鹏 陈正宇

（国网重庆市电力公司检修分公司，重庆 400039）



交流电网整流变引起的直流偏磁机理与实验分析

刘明军 程 臣 赵克江 张作鹏 陈正宇

（国网重庆市电力公司检修分公司，重庆 400039）

电力变压器中出现直流偏磁现象不容忽视，根据没有直流输电线路的重庆电网出现直流偏磁现象的情况，结合重庆地区供电格局、负载情况，针对该直流偏磁引起的原因进行了研究。分析了整流变压器在工作过程中因换流阀触发不平衡，交流侧正序二次谐波等原因产生直流并流入电网，对电网中其他变电站造成直流偏磁的影响。采用相应措施，针对变压器的直流偏磁进行实测，论证了整流变压器对交流电网产生直流偏磁影响的现象，并获得其主要特征。

整流变压器；直流偏磁；触发角；中性点

变压器的直流偏磁指变压器绕组中出现了直流分量，使铁心中出现直流磁势和直流磁通，使变压器损耗增加，震动噪声加剧，产生大量谐波危害电网。

重庆电网多台变压器出现了直流偏磁现象，并且在负荷较小的情况下变压器噪声异常严重。重庆地区没有直流输电接地极，且直流接地极仅在直流线路检修期间才产生直流入地的情况，其引起的主变中性点直流分量是较为稳定的电流，可排除直流输电线路接地极引起的变压器直流偏磁；同时地磁暴引发直流偏磁现象具有偶然性，而检测数据显示直流分量持续产生，因此地磁影响也可以排除。

再考虑重庆轨道交通杂散电流的影响。重庆轨道交通是通过铁轨构成直流回路，铁轨对地有绝缘，且有一套监测绝缘状况以及杂散电流的保护装置，因此也可排除轨道交通直流杂散电流对变压器的影响[1-9]。

经调查，重庆公司220kV电网系统中有九个变电站对220kV牵引站和铝厂供电，这些企业均有整流设备，当整流设备工作时，将产生较大直流电流，其中一部分直流电流注入 220kV电网系统，由于220kV电网系统中输电线路直流电阻、主变容量大小和土壤电阻率等差异，使得系统中各220kV主变中性点接地直流分量也存在差异。所以产生高九路变电站直流偏磁的情况[2]。

1　整流变压器交流侧直流产生机理

1.1整流变压器

整流变压器在电化学处理过程（如电解和电镀）及大功率直流牵引等领域得到了广泛应用。电解行业的整流系统主要由整流变压器、整流柜、滤波器等装置组成。目前在各种整流电路中，应用最广泛的是三相桥式整流电路。城市轨道交通中一般采用十二脉波或二十四脉波整流[3]。输出为 750V 或1500V。然而，由于整流系统的强非线性和时变性，系统在工作过程中会在交流侧产生大量高次谐波和较强的直流分量。对电网会造成谐波污染和直流偏磁现象[4]。在此针对实际情况，对电解工业整流变压器和直流牵引电机的牵引变压器进行分析。研究其结构、工作方式，进而得出两种整流变压器产生直流的原因。

1.2触发角不平衡产生直流

以现在轨道交通和电解工业使用最广泛的三相整流变压器为分析对象，分析其产生直流的机理。三相桥式整流电路由网侧绕组、阀侧绕组、整流桥构成。图1是其电路工作原理，正常工作情况下，每个晶闸管的触发角为60°。电流波形如图2所示。

图1　三相桥式整流电路

图2　三相桥式整流电路电流波形图

理想情况下，同一阀桥中的所有阀应具有相同的触发角。此时，换流变压器单相绕组中的电流波形见图 3（a），从图中可以看到，正、负半周电流幅值相等，导通时问相同，电流一时间面积相等[6]。但在实际工程中，这种绝对的一致很难被长久保持，多种原因会导致同一阀桥中各阀的触发角彼此不平衡。此时，换流变压器单相绕组中的电流可能会出现图3（b）所示的波形从图中可以看出，此时，正、负半周电流导通时间长度不再相等。虽然电流的幅值相等，但正、负半周电流一时间面积已不相等，对称轴相对于原来的位置发生了偏移，出现了一个等效直流电流分量。若工作电流幅值原来是I，正负半周对称，现假设整流桥触发角偏差0.1°，由此产生的等效直流为工作电流的0.3‰，一般情况下工作电流为几千到几百千安，因此网侧最大能产生几十安的直流分量。即变电站也有几乎相等大小的直流流过变压器绕组。根据相关标准一般认为Indc小于交流额定有效值相电流的0.7%时可接受。ABB公司作为三峡直流输电工程的系统总包单位认为，Indc可取额定电流1%。而高压变压器中流过的交流量也在数十安培，所以由以上原因产生的直流量级别远远超出允许范围，会给变压器造成非常严重的直流偏磁影响[5]。

图3　不平衡触发角产生的等效直流电流

1.3交流侧母线正序二次谐波电压

直流输电系统经常是与交流输电系统通过换流站联合在一起运行的（同址共建），而交、直流输电系统之间的相互作用也会在换流变压器中引入直流电流分量、如换流站直流侧的基频电流会在交流侧产生直流电流，换流站交流侧的正序二次谐波电压经过直流侧的反馈，最终也会在交流侧产生一个直流电流[7]。

换流阀的循环导通与关断不仅会影响电流的波形，还会影响电压的波形。在换流阀这一特性的作用下，换流站交流母线中的正序二次谐波电压会在换流变压器网侧绕组产生直流电流分量[8]。正序二次谐波电压产生的直流电流流程如图4所示。

交流母线中的正序二次谐波电压经过换流阀的开关动作后，以基频电压的形式出现在直流侧。此基频电压作用在直流侧的基频阻抗上，产生基频电压。由于换流阀是循环导通的，而谐波电流是连续的，结果导致直流侧的谐波电流会以其他的频率形式在换流变压器各相网侧绕组中出现[10]。其中有两类频率的谐波电流分量较强，即网侧基频及直流侧谐波频率的和与差。经过换流阀的开关动作后，直流侧的这一基频电流会以一个正序二次谐波电流和一个直流电流的形式出现在换流变压器的网侧绕组中。

图4　正序二次谐波电压产生的直流电流流程图

2　直流电流在电网中的传播

当直流电流从整流变压器流入电网，经过输电线路，流入变电站变压器绕组线圈，使变压器产生直流偏磁现象。按照等效定律，可将输电网络看成纯电阻的直流通路，从而可以，按照线路参数获得电网等效电阻模型，计算直流在电网中各变压器的中性接地线的大小[11]。

另外一方面，该直流分量也可以通过高压侧和低压侧公共接地网络从一侧中性点流入另一侧中性点，引发更严重的直流偏磁危害。

具体的电阻网络波形和电路的传播在此不做详细的分析。

3　直流测量实验

为了验证之前的理论推导，证实这种直流偏磁现象的存在，进行了实验测量，分别采用电流表和传感器+示波器等测量方法进行实地测量。

3.1直流分量的离散测量

对高九路变电站220kV侧中性点直流分量的测量使用测试仪器FLUKE318交直流测试钳表，测量结果去掉耦合的交流分量。每隔一分钟记录一次读数，共记录3h内的180个读数点，绘制高压侧中性点直流分量图。

如图 5所示，220kV（高压侧）中性点直流分量测试期间幅值不断变化，最大值10.6A且电流方向交替变换，反方向最大值6.4A，交流电流1.9A。测试期间该主变噪声也随直流分量幅值变化呈高低起伏状。进一步分析主变压器220kV侧中性点直流分量的特点，可以看出，该直流分量大小不断变化且长时间存在，其频率较低，可以推测这种现象可能是由于负载变化的工作状态使整流变压器产生变化的直流，从而影响高九路变电站主变压器[12]。

图5　主变高压侧中性点接地电流录波

3.2电流连续波形测量

对主变中性点电流波形的测量：使用测量仪器为泰克TDS3012C示波器，配套的电流探头型号为TCPA300+TCP303。将示波器探头置于主变压器中性接地线，设置示波器横坐标 10ms/div，纵坐标100mv/div。测量结果如下。

高九路#1主变110kV侧中性点接地电流含有大量谐波（图6、图7），不存在直流分量，47次、49次谐波含量较大，其次是 150～600Hz频率区间的谐波含量较多，中性点直流分量为 0，交流电流0.22A，在噪声上升时（图7），2500Hz频率内的谐波整体上升，且12次谐波上升最为明显。

图6　高九路#1主变110kV侧中性点接地电流波形图（噪声下降时）

图7　高九路#1主变110kV侧中性点接地电流波形图（噪声上升时）

高九路#1主变220kV侧中性点接地电流含有大量谐波（图8、图9），且存在直流分量，噪声降低时谐波含量集中在650Hz频率范围内（图8），噪声上升时谐波含量集中在2500Hz频率范围内（图9），且谐波含量整体升高，其中650Hz频率范围内谐波上升最为明显。分析其直流分量，直流分量波动范围较大，正向最大16A，反向最大30A左右。波动无规律，频率较低大致在0.05HZ到0.2Hz。220kV侧直流分量产生的影响严重。

图8　高九路#1主变220kV侧中性点接地电流波形图（噪声降低时）

图9　高九路#1主变220kV侧中性点接地电流波形图（噪声上升时）

图10　高九路#1主变220kV侧中性点接地电流直流分量

3.3噪声测试

经过测试发现：高九路1#主变（中性点接地）周围噪声异常。在噪声异常的1#主变周围一周选取了13个点进行测试，每个点分别测试了噪声的最大值和最小值（即每个测点进行2次测试）[13]。测得1#主变周围噪声较大时的单个测点最大等效声级为91.4dB，噪声较小时的单个测点最小等效声级为67.9dB，最大值和最小值相差达20dB以上。2#主变（中性点未接地）周围噪声没有出现忽大忽小的异常现象，每个测点只进行一次测试。测得2#主变周围单个测点最大等效声级为71.1dB：单个测点最小等效声级为62.8dB，最大值和最小值相差10dB以内。可以得出，随着直流分量的较大波动，噪声和震动出现基本同步的变化规律，中性点直流小的噪声较小，且最大值和最小值相差小，直流分量大的，噪声变化也大。

由以上测试结果分析可得整流变压器产生的直流偏磁有以下特点[14-15]。

（1）频率很低：由测试可以看出，直流分量的的频率大概在 0.002Hz到 0.05Hz，变化频率相比50Hz工频来说较低，可以看成直流。实际情况中整流变压器所供给的负载情况不断变化，如牵引机车的各种运行状态，电解工业根据不同需求调节电解电压电流等。

（2）极性不定：整流变压器产生直流过程中不确定因素较大，如触发不平衡过程中同一桥臂上的整流阀的触发角受很多因素影响。

（3）电流幅度不定：电流在较大的时候可能为30A，小的时候才1～2A。

4　结论

由以上检测结果可以看出高九路变电站受到直流电流影响产生严重的直流偏磁，从本文分析可以得出该直流来源为电网中220kV牵引站和铝厂的整流变压器。从实际检测情况看，由整流变压器产生的直流偏磁现象不容小视。随着全国轨道交通和电解工业的发展，这种现象对变压器的影响可能会越来越严重，所以研究这一现象具有深远价值，为将来电网规划提供有益的参考。

[1] 李群湛. 城市轨道交通交流牵引供电系统及其关键技术[J]. 西南交通大学学报, 2015(2): 199-207.

[2] 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.

[3] 刘路路. 电解锰可断流6脉波整流器研制[D]. 长沙:湖南大学, 2013.

[4] 董霞. 变压器直流偏磁研究[D]. 济南: 山东大学, 2013.

[5] 高蕾. 多相整流变压器输出电压不平衡及其影响的研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2012.

[6] 孟凡刚, 杨世彦, 杨威. 多脉波整流技术综述[J]. 电力自动化设备, 2012(2): 9-22.

[7] 蒋伟, 吴广宁, 刘愈倬, 等. 变压器直流偏磁抑制措施的研究进展[J]. 四川电力技术, 2011(3): 9-13.

[8] 苑舜, 王天施. 电力变压器直流偏磁研究综述[J].高压电器, 2010, 46(3): 83-87.

[9] 谢方. 城市轨道交通直流供电整流机组研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2009.

[10] 郭满生, 程志光. 大型电力变压器直流偏磁研究综述[J]. 电气制造, 2006(3): 52-54.

[11] 马玉龙, 肖湘宁, 姜旭, 等. 用于抑制大型电力变压器直流偏磁的接地电阻优化配置[J]. 电网技术, 2006, 30(3): 62-65.

[12] 阳楚君. 同相逆并联在整流装置中的应用[J]. 中国氯碱, 2005(3): 4-7, 30.

[13] 马为民. 换流变压器中直流偏磁电流的计算[J]. 高电压技术, 2004(11): 48-49.

[14] 高敏华, 冷勇. 换流变压器中的两个直流分量[J].变压器, 2002(6): 15-19.

[15] 姚缨英. 大型电力变压器直流偏磁现象的研究[D].沈阳: 沈阳工业大学, 2000.

The Mechansim and Experiment Analysis of DC Magnetic Bias Caused by Rectifier Transformer of AC Grid

Liu Mingjun Cheng Chen Zhao Kejiang Zhang Zuopeng Cheng Zhengyu
(State Grid Chongqing Electric Power Co. Maintenance Branch Company, Chongqing 400039)

In power transformer, DC magnetic bias cannot be ignored. According to the situation of DC magnetic bias in Chongqing electric power network, the reason of DC magnetic bias is studied. Analysis of the rectifier transformer in working process due to commutation valve trigger the unbalance, AC side of the second harmonic voltage of positive sequence and produces a DC and flow into the power grid, to power in the substation caused by the influence of DC biasing. Using the corresponding measures, the DC magnetic bias of the transformer is measured and the effect of the rectifier transformer on the DC magnetic bias is demonstrated.

rectifier transformer; DC magnetic biasing; grid distribution; neutral point

刘明军（1979-），男，高级工程师，主要从事电力设备绝缘在线监测及故障诊断研究。