HVDC/GIC型直流偏磁的差异性分析

马书民，夏少连，熊 玮，林湘宁，李正天，郑宇超，吴宇奇，徐海波

HVDC/GIC型直流偏磁的差异性分析

马书民1，夏少连2，熊 玮2，林湘宁1，李正天1，郑宇超1，吴宇奇1，徐海波3

(1.华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074；2.国家电网公司华中分部，湖北 武汉 430074；3.易事特集团股份有限公司，广东 东莞 523808)

考虑到地磁感应电流(geomagnetically induced current, GIC)具有低频性，过去一直将其近似等效为高压直流输电(high voltage direct current, HVDC)诱发的不平衡电流进行研究。然而，与HVDC型直流偏磁相比，GIC型直流偏磁具有显著的随机性与时变性，因此简单地将两者完全等效处理并不合理，在特定场景下应加以区分。为此，首先，从理论上分析了两种类型直流偏磁在诱发原因及特点上的差异。其次，通过研究直流偏磁对变压器本体以及电流互感器的不利影响，进一步探究两种类型直流偏磁对电网一/二次设备的影响差异，为后续的偏磁治理提供有效参考。最后，基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了等效仿真模型，并通过仿真验证了理论分析的正确性。

HVDC型直流偏磁；GIC型直流偏磁；变压器饱和；CT饱和；变压器差动保护

0 引言

直流偏磁现象根据其诱因的不同主要分为两种，即高压直流输电系统引起的不平衡电流所诱发的直流偏磁现象(称之为HVDC型直流偏磁)，以及太阳磁暴引起的地磁感应电流所诱发的直流偏磁现象(称之为GIC型直流偏磁)。发生任意一种直流偏磁时，偏磁电流均会通过大地入侵变压器的中性点绕组，从而造成变压器噪声增大、振动加剧、周边埋地金属管道腐蚀以及变压器保护失效等一系列不良后果[1-3]，对区域电网的安全稳定运行带来威胁。

为应对直流偏磁诱发的不良后果，国内外专家学者进行了大量深入研究并提出了许多有效治理策略，包括中性点串联电阻/电容法、中性点反向电流补偿法、接地极互联法以及断面功率支援法等[4-8]。然而，考虑到地磁感应电流具有低频性(主要频率波动位于0.001~0.1 Hz)，且两者诱发直流偏磁的机理类似，绝大部分专家在研究中并没有意识到HVDC型与GIC型直流偏磁之间的差异性，而是统一将偏磁电流视作大小恒定的直流电流，因此部分文献所得结论在实际使用过程中存在一定局限性。文献[7]提出了一种基于接地极互联的系统级偏磁治理策略，通过改善直流电流在大地中的分布实现了对直流偏磁的有效治理。然而，该方法只适用于HVDC型直流偏磁，无法对GIC型直流偏磁产生治理作用。文献[8]提出了一种基于多直流功率支援的直流偏磁治理策略，该策略利用同一输电断面内多条直流输电线路可进行功率支援的特点在中性点主动生成反向不平衡电流。然而，考虑到GIC型电流的时变性，该方法同样只适用于大小恒定的HVDC型直流偏磁。特别是在极端场景下若不加选择地选取偏磁治理策略甚至可能增大故障发生的概率，如文献[9]指出在GIC型直流偏磁下采用中性点串联电容法治理接地极电流，会使包括换流站在内的一些站点的GIC电流增大，进而增大了变压器故障概率以及地磁暴引发电网灾害的风险。

事实上，与HVDC型直流偏磁相比，GIC型直流偏磁具有显著的随机性与时变性[10]，特别是当其长时间作用于电网后，其所诱发直流偏磁的程度与方向将与HVDC型直流偏磁产生显著区别，因此简单地将两者完全等效处理并不合理[11]。此外，目前偏磁治理相关的规章制度均以HVDC型直流偏磁为研究或者规范对象，尚无针对GIC型直流偏磁的治理标准。若在治理GIC型直流偏磁的过程中套用HVDC型直流偏磁的相关标准，很可能会出现治理过剩甚至治理不达标的现象，在经济性或者可靠性上不满足需求[12]。

综上，目前鲜有文献或导则针对两类偏磁电流对电网中一/二次设备的影响开展研究或者加以区分，也并未提出兼顾两类偏磁电流差异性的偏磁治理策略，因此这种单一化的偏磁治理手段对现场运行的指导作用较为有限。事实上，若能深入探究HVDC型与GIC型直流偏磁对电网一/二次设备正常运行造成的差异，将有助于研究能同时适用于不同类型直流偏磁的协同式治理策略，从而更好地消除直流偏磁带来的不利影响。

为此，本文对HVDC型直流偏磁与GIC型直流偏磁的差异性开展了研究，以运行变压器为对象，研究不同类型的直流偏磁对变压器一次设备以及相关二次设备的影响差异。首先，介绍了两种典型直流偏磁现象的产生机理，并针对两种偏磁现象的特性进行归纳对比。进一步地，分别针对变压器以及保护用电流互感器，研究对比了HVDC型/GIC型直流偏磁在诱发不同电气设备磁饱和过程中的差异性，总结了两种直流偏磁对电网一/二次设备正常运行造成的不利影响，并对两种直流偏磁类型的危害程度进行了讨论。最后，基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了不同直流偏磁的等效模型，仿真验证了理论分析的正确性。

1 不同类型直流偏磁的产生机理分析

HVDC型直流偏磁是由直流输电系统的不平衡运行方式导致的。目前直流输电系统的运行方式主要分为以下三种，分别是双极平衡运行、单极-金属回线运行以及单极-大地回线运行，其中将单极-金属回线运行和单极-大地回线统称为不平衡运行方式。若直流输电工程线路发生单极故障或进行检修，此时直流输电系统由双极平衡运行方式转变为不平衡运行方式，特别是当线路处于低损耗、高经济性的单极-大地回线运行方式时，由接地极流入大地的电流幅值可高达数千安培，在周边将形成显著的不平衡电流[13]。进一步地，不平衡电流在接地极周围形成了一个恒定的电流场，当周边任意两台变压器之间存在输电线路连接时，就会形成由变压器接地装置、绕组、输电线路和大地构成的直流通路，最终诱发HVDC型直流偏磁，其原理如图1所示。研究表明，HVDC型直流偏磁常发生在直流工程落点周边50 km范围内，且持续时间等同于线路检修时间或故障切除时间，往往不长于3 h[14]。

图1 接地极和变电站系统形成的闭合回路原理图

除直流输电工程引起的HVDC型直流偏磁外，由太阳风和射线流袭击地球产生的磁暴会与地球本身磁场相互作用，进而在距离地球表面数百公里处形成了一个环绕地球的极电流，并对地磁场产生扰动现象，形成地磁暴。考虑到土壤具备显著的导电能力，当地磁暴发生时，会在土壤中形成一个低频(一般在0.1 Hz以下)且具有一定持续时间的地磁感应电流，并由此在大地表面诱发电位梯度，将其称为地表电势，其数值大小通常处于1~10 V/km[15]。与HVDC型直流偏磁的机理类似，由地磁感应电流产生的地表电势最终在周边互相连接的接地变压器之间诱发直流偏磁现象，即GIC型直流偏磁。考虑到GIC型直流偏磁的产生机理，其常发生在地面电导率较小的地区，东西走向、处于高纬度地区的输电线路尤其容易受到GIC型直流偏磁的影响[16]。此外，GIC型直流偏磁的持续时间与太阳磁暴的持续时间相关，具有极大的不确定性，一般持续几个小时至几天不等[17]。

经归纳可知，HVDC型与GIC型直流偏磁在生成机理上存在以下不同之处：

1) 不同直流偏磁类型的等效电流存在差异。在直流输电系统模式以及交流电网接地拓扑未改变的前提下，HVDC型偏磁电流大小恒定，而GIC型偏磁电流是一种频率较小(0.1 Hz以下)、幅值波动的交流电流。

2) 不同直流偏磁类型的影响区域存在差异。HVDC型直流偏磁主要影响直流接地极周边的交流电力系统网络，其影响半径由土壤电阻率、交流电网的拓扑结构以及接地极入地电流的大小共同决定，一般在接地极周边50 km范围内。相比于HVDC型直流偏磁，GIC型直流偏磁是由全球性的地磁场变化导致的，常见于高纬度地区，具有极大的影响范围。

3) 不同直流偏磁类型的作用时间存在差异。HVDC型直流偏磁是直流输电工程不平衡运行导致的，该现象主要发生在直流输电工程建设初期以及发生故障的情况下，因此其持续时间一般较短且可控。与之相反的是，太阳磁暴的发生比较突然，且持续时间一般长达几个小时甚至几天，因此GIC型直流偏磁的持续时间更长且难以预测。

2 不同类型直流偏磁对电网一次设备影响的差异化分析

除研究机理差异外，还应探究不同类型的直流偏磁对电网一次设备运行产生的影响。研究表明，目前直流偏磁对电网一次设备的影响主要集中在对电力变压器的不利影响上，一旦偏磁电流侵入变压器中性点绕组，将会造成变压器噪声增大、振动加剧等不良后果[18]。因此，直流偏磁电流的存在将对变压器本体产生严重损害，且直流电流越大，对变压器本体的损害越严重[19]。然而，上述研究主要集中在HVDC型直流偏磁对变压器的影响上，GIC型直流偏磁作为一种常见的直流偏磁现象，却鲜有人研究HVDC型直流偏磁与GIC型直流偏磁对变压器影响的差异性。事实上，若能获得两者对一次设备的影响差异，则对不同类型偏磁电流治理的统一标准制定具有重要作用。为此，本节主要研究不同直流偏磁对变压器的影响差异。

图2 直流偏磁影响下的接地变压器等效模型

考虑到变压器的三相对称性，接下来分析均以A相为例，其余相同理，不赘述。根据图2列写电压、电流以及磁链方程，如式(1)—式(3)所示。

上述定性分析证明了同等条件下HVDC型直流偏磁对变压器本体的影响大于GIC型直流偏磁。事实上，还可以通过仿真定量研究直流偏磁对变压器本体的影响。为此，本文第5节选择励磁电流和磁通大小作为评价指标进一步进行了相关仿真验证。其中，励磁电流大小和励磁谐波含量直接反映了变压器的饱和程度，数值越大，变压器饱和程度越深，并进一步引起变压器振动加剧、噪声增大、发热增加等严重后果；类似地，磁通大小也反映了变压器铁心的饱和程度。

3 不同类型直流偏磁对电网二次设备影响的差异化分析

除对一次设备的不利影响外，直流偏磁还会对电力系统二次设备的正常工作产生威胁。研究表明，长时间的直流偏磁会诱发磁饱和，影响测量元件的准确性，严重时甚至可能导致继电保护器件的误动拒动，危害电网的可靠运行[21-22]。为此，本节主要对比研究不同直流偏磁对电网内部测量元件的影响。

截至目前，铁磁式电流互感器仍是我国国内最常见、也是使用最广泛的磁路闭合式电流互感器，该设备主要是利用电磁感应的基本原理将电网一次侧大电流按绕组匝比转变为二次侧小电流，为电力系统中测量、控制、保护环节提供了重要支撑。事实上，电流互感器已经成为关联电网一次侧和二次侧的重要联络设备[23-24]。从功能角度出发，可以将电流互感器大致分为测量用电流互感器和保护用电流互感器两大类。其中，测量用电流互感器主要工作于电网处于正常工作状态的场合，保护用电流互感器则主要是在线路中出现数值较大的故障电流时才开始工作。

图3 电流互感器的简化等效模型原理图

结合上述电路图，分别对未发生直流偏磁、发生HVDC型直流偏磁以及发生GIC型直流偏磁这3种情况进行分析。

3.1 未发生直流偏磁

根据基尔霍夫电流定律，保护用CT正常工作时均满足式(6)所示等式。

气相色谱法同时测定麝香追风止痛膏中5种挥发性成分的含量 …………………………………………… 黄传俊等（14）：1931

3.2 HVDC型直流偏磁对CT的影响分析

可以看出，相比于未发生直流偏磁的情况，发生HVDC型直流偏磁时励磁绕组的电流始终存在一个直流偏置，其将对铁心磁通的工作点产生偏置影响，且偏置量恒定。当直流偏磁偏置方向与故障电流非周期性直流分量方向相同时，将导致CT更容易发生暂态饱和且饱和程度更深，进而可能对变压器保护产生不良影响。

3.3 GIC型直流偏磁对CT的影响分析

综上，在相同电流大小下，HVDC型直流偏磁对CT饱和的影响程度大于GIC型直流偏磁对CT饱和的影响程度，因此HVDC型直流偏磁更容易诱发继电保护误动。然而，值得注意的是，实际中GIC型直流偏磁的幅值往往大于HVDC型直流偏磁，且GIC型直流偏磁的变化更为复杂，因此在实际应用中应结合现场数据进行进一步分析。

4 仿真验证

4.1 偏磁电流对变压器偏磁程度的影响研究

首先，探究不同类型的偏磁电流对变压器本体的影响，为此，构建如图2所示的仿真模型，部分重要参数如表1所示。

表1 仿真模型的元器件参数

表2 不同类型直流偏磁对变压器本体的影响

4.2 不同偏磁电流诱发CT饱和以及对保护影响的差异性验证

结合第3节分析可知，直流偏磁易导致CT的传变特性发生畸变，进而造成以变压器差动保护为代表的继电保护的可靠性显著降低。事实上，为缓解CT磁饱和对变压器差动保护正常运行造成的潜在威胁，现已提出了多种有效解决方法，包括时差法、二次谐波制动法和附加制动区法等。但在设计这些方法的时候并没有考虑直流偏磁的影响，因此这些方法在直流偏磁场景下的适用性有待验证。

为此，本节选取时差法和二次谐波制动法作为研究对象，探讨不同类型的直流偏磁对上述CT饱和识别判据的影响差异。

1) 不同偏磁对时差法的影响差异分析

时差法的原理为：由于电感电流不能突变，因此在故障发生后的短时间内(3~5 ms)CT不会发生饱和，其具有正常的传变特性。因此，当CT饱和与故障发生之间的时差大于门槛值时，应将差动保护闭锁。

为探究直流偏磁对上述方法的影响，本节搭建了图4所示模型，研究发生外部相间短路故障时CT的饱和特性。其中，元器件的部分重要参数如表3所示，线路参数如前文所述，在此不赘述。

图4 直流偏磁影响下的含变压器的典型电路

表3 仿真模型中部分元器件参数及仿真条件参数

仿真对比变压器T1一次侧保护用CT的电流波形，观察二次侧电流畸变程度，仿真结果如图5所示。图5(a)为未发生直流偏磁时的电流波形，图5(b)为发生HVDC型直流偏磁时的电流波形，图5(c)为发生GIC型直流偏磁时的电流波形。

由图5可知，在不同偏磁类型下，当0.2 s发生区外单相金属性接地故障时，变压器星型侧保护用CT均会发生饱和进而导致其二次侧电流发生明显畸变。在未发生偏磁、发生HVDC型偏磁、发生GIC型偏磁这三种情形下的起始饱和时间分别为0.2044 s、0.2031 s以及0.2043 s。可以看出，发生外部相间短路故障后，CT在未发生偏磁时的起始饱和时间与发生GIC型直流偏磁时的起始饱和时间近似相同，而在发生HVDC型直流偏磁时CT的起始饱和时间明显小于前两者，其差值约为1.2 ms。

图5 不同偏磁类型下电流互感器的起始饱和时间

上述数据说明了HVDC型直流偏磁加速了CT的起始饱和过程，使得故障后CT线性传变的时间缩短，而GIC型直流偏磁对CT的起始饱和过程几乎不产生任何影响。因此，HVDC型直流偏磁会对传统时差法判据的判别准确性产生不良影响，而GIC型直流偏磁则几乎不会对时差法产生影响。

2) 不同偏磁对二次谐波制动法的影响差异分析

二次谐波制动法的原理为：CT饱和时将产生大量的谐波电流，其中若CT处于暂态饱和时，谐波以2次谐波为主；若CT处于稳态饱和时，谐波以3次谐波为主。由于区外故障CT保护一般均为暂态饱和，因此也常利用二次谐波含量构造CT闭锁判据，即当差流中二次谐波含量大于门槛值时，差动保护闭锁。结合现场工程实际，后文仿真中选取二次谐波含量门槛值为15%。

(1) 无直流偏磁发生

无直流偏磁发生时，流入变压器中性点的电流大小为0 A，此时变压器T1两侧差动电流的波形及对应的二次谐波含量波形如图6所示。

图6 无偏磁情况下变压器二次谐波制动法结果

由图6可知，发生区外故障后，由于CT饱和，差动电流显著增大且含有大量二次谐波分量，在2.02 s的二次谐波含量为41.7%，大于门槛值15%，差动保护闭锁；2.576 s时二次谐波含量减至门槛值15%以下，差动保护开放，但由于此时差动电流标幺值为0.24 p.u.，已小于制动电流0.62 p.u.，差动保护不会误动。综上，无偏磁情况下变压器差动保护不会误动。

(2) 发生HVDC型直流偏磁

当发生HVDC型直流偏磁时，设置流入变压器中性点的电流大小为10 A，此时变压器T1两侧差动电流的波形及对应的二次谐波含量波形如图7所示。

由图7可知，在HVDC型直流偏磁下，发生区外故障后，由于CT饱和，差动电流显著增大且含有大量二次谐波分量，在2.02 s时刻二次谐波含量为19.4%，大于门槛值15%，差动保护闭锁。此外，故障后二次谐波含量始终大于15%，因此差动保护始终闭锁，HVDC型偏磁下变压器差动保护不会误动。

图7 HVDC型直流偏磁下变压器的差动电流大小和二次谐波含量曲线

(3) 发生轻度GIC型直流偏磁

由图8可知，在幅值较小的GIC型直流偏磁下，发生区外故障后，差动电流显著增大且含有大量二次谐波分量，在2.02 s时刻的二次谐波含量为33.5%，大于门槛值15%，差动保护闭锁。此外，故障后二次谐波含量同样始终大于15%，差动保护始终闭锁，幅值较小的GIC型直流偏磁下变压器差动保护不会误动。

(4) 发生重度GIC型直流偏磁

图9 重度GIC型直流偏磁下变压器的差动电流大小和二次谐波含量曲线

由图9可知，在幅值较大的GIC型直流偏磁下，CT饱和时间迅速提前，饱和程度显著加深，其测量得到的二次电流相对于一次侧发生更明显的畸变。此时一旦发生区外故障，该CT测量的差动电流为传变误差电流，该电流波形中的间断角明显减小，进而造成其二次谐波含量显著减少，在2.02 s时的二次谐波含量仅为8.14%，小于门槛值15%，差动保护开放；此时差动电流数值远大于制动电流0.71 p.u.，差动保护误动作。因此，幅值较大的GIC型直流偏磁下变压器差动保护可能发生误动。

5 结论

本文分析了HVDC型和GIC型直流偏磁在各个方面的差异性，并在PSCAD中搭建了等效仿真模型进行验证，最终形成了以下结论：

1) 当HVDC型直流偏磁和GIC型直流偏磁在变压器中性点产生相同大小的偏磁电流时，相比于GIC型直流偏磁，HVDC型直流偏磁诱发的变压器直流偏磁程度更为严重，将对变压器本体造成更大威胁。

2) 在偏磁电流大小相同及作用时间一致的前提下，HVDC型直流偏磁对CT造成的影响比GIC型直流偏磁更为严重。值得注意的是，考虑到GIC型直流偏磁的严重程度以及持续时间波动较大，因此在实际过程中GIC型直流偏磁对CT的影响更为复杂，需要结合现场情况讨论。

3) 针对现有的CT饱和应对策略，HVDC型直流偏磁加速了CT的起始饱和过程，使得时差法失效，而严重的GIC型直流偏磁会显著降低故障后差动电流的二次谐波含量，最终导致二次谐波分析法失效。

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Difference analysis of HVDC/GIC type DC bias

MA Shumin1, XIA Shaolian2, XIONG Wei2, LIN Xiangning1, LI Zhengtian1, ZHENG Yuchao1, WU Yuqi1, XU Haibo3

(1.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. Central China Branch, State Grid Corporation of China,Wuhan 430074, China; 3. EAST GROUP CO., LTD., Dongguan 523808, China)

Considering that geomagnetically induced current (GIC) has low frequency, it has been approximately equivalent to the imbalance current induced by high voltage direct current (HVDC). However, compared with the HVDC-type DC bias, the GIC-type DC bias has significant randomness and time-varying, so it is not reasonable to simply treat the two as completely equivalent, and they should be distinguished in specific scenarios.For this reason, first, the differences in the induced causes and characteristics of the two types of DC biases are analyzed theoretically. Second, by studying the adverse effects of DC magnetic bias on transformer body and current transformer, the differences of the influences of the two types of DC magnetic bias on primary/secondary equipment of power grid are further explored to provide effective reference for subsequent magnetic bias treatment.Finally, an equivalent simulation model is built based on the PSCAD/EMTDC simulation platform, and the correctness of the theoretical analysis is verified by simulation.

HVDC type DC bias; GIC type DC bias; transformer saturation; CT saturation; transformer differential protection

10.19783/j.cnki.pspc.220559

国家自然科学基金面上项目资助(51877088)；东莞市引进创新科研团队计划项目资助(201536000200036)

This work is supported by the General Project of National Natural Science Foundation of China (No. 51877088).

2022-04-19；

2022-06-01

马书民(1998—)，男，硕士研究生，研究方向为直流系统保护与控制；E-mail: 1007057798@qq.com

夏少连(1967—)，男，高级工程师，从事电网调度运行控制和电力市场相关研究；E-mail: xsl2185@163.com

熊 玮(1986—)，男，高级工程师，从事电网调度运行控制、源网荷储、电力市场及电网人工智能调控技术方面的研究。E-mail: xiongw86@126.com

(编辑 魏小丽)