大地直流偏磁状态下电力变压器性能分析

邢军强 韩刚 杨德利 杨文强 王雅慧 张景山 杜明竞

摘要：地磁感应电流会引起变压器准直流偏磁而造成铁芯饱和，对变压器及电力系统产生电压不稳定、无功补偿、电流谐波、变压器局部温升等多方面影响。对直流偏磁状态下不同结构电力变压器进行性能分析，以期为电力变压器稳定运行提供解决方案。

关键词：地磁感应电流;变压器;直流偏磁;性能分析

中图分类号：TM41    文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2020）01-0026-03

日冕物质拋射（coronal mass ejection，CME）是指等离子体和磁场突然从日冕中大量喷发。如果喷发的方向朝向地球，大量的高能带电粒子与地磁场作用造成地球磁暴现象。在变化的地球磁场作用下，地球表面可诱发每公里几十伏、持续时间几分钟至几小时的地表面电势（ESP）。当这一电势作用于电力系统时，会在系统长距离输电线路中产生地磁感应电流（GIC），其峰值可达数百安培，变化频率远低于1 Hz，呈准直流状态。研究发现，当GIC流入中性点接地的大型电力变压器时，会造成变压器铁芯在工作频率的每个半周期出现严重的磁饱和，这将对变压器产生危害，进而影响电力系统的安全运行。

1 电力变压器结构及连接组对GIC分布影响

地磁感应电流的成因是变压器（中性点）、电力传输线和大地组成闭合导体环路。当缓慢变化的磁场穿过这个环路时，根据法拉第电磁感应定律，传输线上感应出准静态的电动势，系统产生准静态的电压。原理框图如图1所示。

1.1 变压器结构的影响

从变压器的组别来看，单相变压器对GIC最为敏感;而三相三柱电力变压器由于其较大的零序阻抗（大的磁阻），对应的GIC水平较低，受到GIC影响的风险最小。如图2所示，三相三柱电力变压器的直流磁通必须穿过上磁轭到箱盖、箱壁，然后返回下磁轭，因此对GIC较为不敏感;而单相变压器、三相五柱变压器等的直流磁通路在铁芯中，磁阻较小，因此对GIC敏感。

1.2 连接组的影响

绕组的连接对GIC也有显著影响。带有三角接绕组的变压器，其等效的电抗较大，对铁芯饱和起到延迟作用，客观上减小了GIC电流脉冲对绕组温升的影响。如图3所示，由于三角接绕组的存在，高低压处于GIC之前“平衡”状态，其时间常数可达数分钟。在此状态下，变压器尚未饱和，高低压绕组电流平衡，不会导致温升效应;而峰值GIC的时间常数往往只有几十秒，因此保护了变压器。

2 GIC对变压器运行的约束条件及限制措施

2.1 GIC对变压器运行的影响

GIC条件下，空载损耗和负载损耗增加不会对变压器的运行造成根本影响，对变压器寿命的影响也可以忽略不计。主要问题是铁芯夹件的损耗与局部温升。过高的温升可能导致变压器油裂解，如果夾件附近的绝缘件不能承受局部温升，则整个变压器的寿命就会受到影响。由于温升，绕组和附件时间常数相对较小，而GIC脉冲时间常数接近甚至大于其温升时间常数，因此，即使短时GIC也会对绕组和附件温升有较大影响。从另一方面来说，铁芯温升时间常数（>30 min）远大于GIC脉冲时间常数，因此整体温升不是GIC的主要问题。此外，GIC导致的变压器噪声问题并不属于长时问题，通常只持续几分钟至几小时;而对于长时问题，空载损耗和噪声是变压器运行的重要限制。

2.2 减小GIC影响的措施

减小地磁感应电流的影响可以从两方面入手，一是减小地磁感应电流本身，二是对变压器部件进行保护。

2.2.1 减小地磁感应电流 串联补偿方案（串联电容器）既可以提高系统的传输能力又可以有效隔离直流，是解决直流偏置问题的理想方案。但每条传输线都安装串联补偿设备，费用昂贵。更经济的方案是安装变压器中性点隔离装置，隔离装置可以是电容器或低阻值电阻（有时采用避雷器）。正常运行条件下，只有少量的零序电流通过变压器中性点;GIC条件下，隔离装置能够承受至少200 A的长时电流及几十千安的短路电流。典型的中性点直流隔离装置如图4所示。

2.2.2 保护装置 变压器铁芯饱和造成的磁化电流是诸多问题的根本原因，减小磁饱和的程度可以解决上述问题。最为直接简单的方案是选用三相三柱变压器，其零序高磁阻能够承受较高的GIC水平，设计时应将油箱与铁芯保持足够的距离以提供较大的磁阻。绕组连接也对GIC现象有显著影响，三角连接绕组可以延迟铁芯饱和时间，极大减小峰值GIC对变压器造成的影响。此外，增加磁屏蔽、开槽等措施也是减小磁饱和影响的重要方法，优化其结构设计和材料可以提高GIC承受水平。

3 结论

通过大地直流偏磁分析，研究不同变压器结构下直流偏磁磁场对变压器性能的影响，根据直流偏磁下电力变压器性能变化情况提出不同结构变压器的防护措施，以保障直流偏磁下电力系统安全运行。

参考文献

[1] 邵中华，龙鑫宇，吴良美，等.电力变压器引线结构改进设计[J].电工技术，2019（5）：97-98.

[2] 易成星，杨伟.地磁感应电流对变压器影响的仿真研究[J].电工电气，2015（1）：16-20.

[3] 郑涛，高小芊，杨国生.地磁感应电流在三相电力变压器绕组中的流通路径分析[J].电力自动化设备，2017，37（2）：104-112.

[4] 吴家俊.变压器GIC直流偏磁治理装置及其优化设计[D].北京：华北电力大学，2019.

Abstract： The geomagnetic induction current will cause quasi-dc bias of the transformer and cause the saturation of the iron core， which will affect the transformer and power system in many aspects， such as voltage instability， reactive compensation， current harmonics and local temperature rise of the transformer. This paper analyzes the performance of power transformers with different structures under dc bias magnetic state in order to provide a solution for the stable operation of power transformers.

Key words： geomagnetic induction current; transformer; DC magnetic bias; performance analysis