电力变压器直流偏磁治理及测试分析

刘明群，徐志，覃日升

（云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

变压器中性点流入直流电流时，将使变压器工作点偏移而出现直流偏磁现象，导致变压器噪声增大、振动加剧、继电保护误动作及变压器损耗增加等严重后果。一般影响接地变压器偏磁的原因有地磁扰动引起的地磁感应电流、直流输电工程的单极大地运行，引起这种的直流偏磁基本是暂时性的，另外一种影响因素是地铁运行，地铁运行对附近接地变压器影响是持续性的，其造成的安全隐患更大，本文对直流偏磁产生的原因和机理进行分析，进行治理后监测结果表明治理效果良好，为后续类似的直流偏磁现象治理提供了技术指导。

1 直流偏磁电流产生现象及原因

某电站变压器投运后一直正常运行，最近运行人员发现，在变压器负荷无变化情况下，噪声水平、变压器的油温和振动均有上升。运行人员对变压器中性点流过的直流电流进行连续监测，日夜间直流电流呈现周期性变化，对新投运地铁线路15 km范围内的4座变电站的接地变压器进行监测，得到监测数据如表1所示。

表1 地铁线路附近接地变压器中性点直流电流测量表

根据监测数据，地铁运行时接地变压器中性点直流电流、噪声水平和振动幅度均增加，分析表明接地变压器异常变化与新投运的地铁线路运行直接相关。

一般来说，交流变压器产生直流偏磁的原因有：

1）地磁扰动引起的地磁感应电流，地磁场由地球内部稳定的磁场和地球外部变化的磁场两部分组成，通常太阳风、地震、火山爆等自然现象会引起地球外部磁场发生剧烈变化。地球是一个导电体，地磁场发生剧烈扰动时，变化的磁场会在地表两点间产生一个电势，感应作用在两变压器中性点端，将在变压器绕组及线路中产生感应电流。

2）直流输电产生的地中直流一般的直流输电工程运行在双极大地运行方式，当发生单极故障或双极不平衡运行时，大地中会流过较大的直流电流，在两极的接地极之间接地变压器间会流过一定的直流电流，特别是距离换流站接地极址较近的接地变压器，此种状态一般只会偶尔出现。

3）地铁牵引供电系统引起的直流电流。地铁供电系统采用直流供电方式，分为单边供电系统和双边供电系统。由于机车下走行轨与地不是完全绝缘，部分电流分量将流入大地，由于入地电流的作用，会在牵引站附近产生电位分布。与直流输电接地极类似，在地铁线路平行线附近的两台接地变压器将会对地铁的电流形成分流，使得交流变压器产生直流偏磁。

直流电流流入变压器绕组后，变压器励磁电流波形发生变化，引起直流偏磁变压器的励磁特性曲线变化。图1浅线为无直流电流时的磁通曲线，黑线为有直流电流时的磁通曲线；图1右上为变压器典型的励磁曲线；图1右下浅线为无直流电流时的励磁电流曲线，黑线为有直流电流时发生畸变的励磁电流曲线。直流电流在绕组中引起直流磁通，引起变压器主磁通曲线整体上移，使变压器主磁通在正半轴增大，导致变压器正半轴工作点进入励磁曲线饱和区，同时使励磁电流在正半轴发生畸变，产生直流偏磁。通常情况下流入直流电流越大，励磁电流畸变程度就越大。当直流电流到达一定程度时，铁芯磁通不会继续随直流电流的增加而增加，表明铁芯内部已经达到半周磁饱和。

图1 直流偏磁引起励磁电流特性曲线变化示意图

变压器发生直流偏磁时，励磁电流发生畸变，产生大量谐波，造成变压器无功损耗、金属构件损耗增加，导致局部过热，引起温度升高。同时变压器因铁芯磁通饱和，谐波分量增加，导致磁滞伸缩加剧，噪声增大。另外漏磁通增加会导致绕组电动力增加，使变压器振动加剧。

2 变压器加装隔直装置及测试

电容隔直的方法是在变压器中性点串联1个电容设备，利用电容的隔直通交特性彻底阻断直流电流进入变压器绕组，原理示意图如图2所示。正常运行时，电容处于旁路状态，当直流偏磁产生影响时，投入电容器，阻隔直流电流流入变压器。利用电容隔直隔直方法会增加附近其他变压器的直流电流。

图2 隔直装置接线图

加装隔直装置后，直流偏磁电流减少明显，剩余的直流电流可忽略不计，变压器噪声水平下降。以下直流偏磁电流对变压器影响进行更为精确的振动测试，通过安装在设备表面的一个或多个振动传感器来获取振动信号，将振动信号经过时域（或频域）分析，获得信号的特征信息，再通过相应诊断方法获得设备的工作状况。选取测点位置的主要原则是振动测试数据具有代表性和振动幅值相对较大的位置。对于三相一体式电力变压器12个加速度振动测量点分别设置在A、B、C三相高压侧上部及下端部各三个测点（6个测点）；A、B、C三相低压侧上端部及下端部各三个测点（6个测点），共12个测点。测试系统的振动测点布置示意图如图3所示。图4~图9给出了变压器A、B、C三相高低压侧的连续振荡监测波形及频谱图。连续振动监测波形表明加装隔直装置后，变压器A、B、C三相高低压侧振动幅度都有明显下降，具体数值见表2。振动频谱图表明，加装隔直装置后，特征振荡频率减少，振荡幅值减小，对振荡整体影响可以忽略不计，根据监测统计数据表明，不论高压侧还是低压侧，上端部测振动值大于下端部。

图3 振动测点布置示意图

图4 加装隔直装置前变压器A相振动波形频谱图

图5 加装隔直装置后变压器A相振动波形频谱图

图6 加装隔直装置前变压器B相振动波形频谱图

图7 加装隔直装置后变压器B相振动波形频谱图

图8 加装隔直装置前变压器C相振动波形频谱图

图9 加装隔直装置后变压器C相振动波形频谱图

表2 加装隔直装置后地铁线路附近接地变压器中性点直流电流测量

接地变压器中性点加装隔直装置前后，振动波形及频谱对比如图4、图5所示，可以明显看到，加装隔直装置后，变压器振动幅值由4.0 μm下降到2.0 μm，最大振动幅值减少近二分之一，同时对加装隔直装置后的通过变压器中性点的直流电流几乎为零，同时对变压器的油温、噪声进行测试，测试结果如表2所示，表明加装隔直装置后消除了直流偏磁带来的影响。

3 结束语

随着城市地铁线路建设规模越来越大，运行期间产生的直流电流不可避免流入附近的接地变压器，造成变压器噪声、温度和振动幅值上升，长期运行存在安全隐患，通过加装隔直装置取得了良好效果，需要指出加装隔直装置变压器可以消除直流电流，但直流电流不会消失，流入附近其它接地变压器，接地变压器流入直流电流随距离地铁线路越远越小，地铁线路规划和变电站规划建设时需要统一规划，避免相互影响。