變壓器直流偏磁現(xiàn)象的兩種成因及其實(shí)驗(yàn)分析

1、變壓器直流偏磁現(xiàn)象的兩種成因及其實(shí)驗(yàn)分析劉路1，劉瑾21 云南電網(wǎng)公司昆明供電局，云南 昆明 6500112 云南大學(xué)，云南 昆明 650091摘 要：HVDC以單極-大地方式運(yùn)行時(shí)，處于不同地電位的中性點(diǎn)交流變壓器中會(huì)產(chǎn)生直流電流；GIC的頻率很低，相對(duì)于工頻可視為準(zhǔn)直流，故GIC和HVDC都會(huì)引起變壓器的直流偏磁現(xiàn)象。變壓器直流偏磁會(huì)引起變壓器噪聲加劇、無(wú)功損耗和勵(lì)磁電流諧波含量增加等影響，嚴(yán)重時(shí)可造成變壓器絕緣老化甚至損壞。本文通過直流偏磁的模擬實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析了云南交流電網(wǎng)的11個(gè)變電站中變壓器存在直流偏磁的潛在威脅，并闡述了利用云南電網(wǎng)直流偏磁在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行GIC影響研究的必要性和

2、已經(jīng)具備的條件。關(guān)鍵詞：直流偏磁;地磁感應(yīng)電流;高壓直流輸電系統(tǒng)Abstract:The direct cuurent bias is genetated at different ground potential neutral point of transformer when high voltage direct current is in the model ofmonopole-grounded operation.GIC can be seems to be quasi-direct current because of its frequency is lower extrem

3、ly than operating frequency.So both of GIC and HVDC in model of monopole-grounded operation can lead to the phenomenon of direct cuurent bias. The direct cuurent bias of tranformer may cause aggravation ofnoise,reactive power loss,increasing of harmonic wave in field current,even ageing or damaging

4、transformer. It was analyzed that the potential menace of direct current in the transfomers of 11 Yunnan electric substations by the monitoring result ofsimulated experiment.It was also expounded that the nessity and currently available conditions to start GIC research by the on-line monitoring syst

5、em of Yunnan Power Grid.Key words:DC bias;GIC;HVDC systerm一、前言及背景直流偏磁從電力變壓器的物理現(xiàn)象來(lái)分析，是指由于某種非常規(guī)狀態(tài)下的原因所產(chǎn)生的磁勢(shì)，以及由此引發(fā)的一系列電磁效應(yīng)，是電力變壓器的一種非正常工作1。產(chǎn)生的直流偏磁電流主要有兩種來(lái)源：一是太陽(yáng)活動(dòng)產(chǎn)生的地磁感應(yīng)電流（GIC），二是高壓直流輸電系統(tǒng)（HVDC）的單極-大地運(yùn)行。全球關(guān)于GIC對(duì)電網(wǎng)的影響及預(yù)報(bào)的研究始于上世紀(jì)80年代。1989年的特大磁暴在加拿大魁北克、瑞典馬爾默等地區(qū)曾導(dǎo)致過大面積電網(wǎng)停運(yùn)及大量變壓器、線路保護(hù)跳閘事故，事故后長(zhǎng)達(dá)7年的治理和改造，投資費(fèi)用

6、約8.34億加元。近30年來(lái)，由于國(guó)外電力系統(tǒng)與地球和空間科學(xué)研究單位的交流合作，該課題的研究取得了巨大進(jìn)展。國(guó)內(nèi)對(duì)GIC問題的研究尚處于初級(jí)階段，以華北電力大學(xué)劉連光為代表的研究組分別對(duì)GIC和HVDC單極大地運(yùn)行產(chǎn)生的直流偏磁進(jìn)行了仿真計(jì)算和對(duì)比分析，結(jié)果表明：對(duì)于同一臺(tái)變壓器，GIC和HVDC的單極-大地運(yùn)行在變壓器繞組中產(chǎn)生的直流電流相等時(shí)，后者比前者在變壓器中引起的直流偏磁程度大，而前者在幅值上相對(duì)較大，所以，HVDC的單極-大地運(yùn)行對(duì)變壓器的直流偏磁影響是局部的，而磁暴的覆蓋范圍很廣，故GIC對(duì)電網(wǎng)整體的影響遠(yuǎn)大于HVDC。二、直流偏磁的成因（一）太陽(yáng)活動(dòng)產(chǎn)生的地磁感應(yīng)電流太陽(yáng)活動(dòng)

7、，尤其是耀斑爆發(fā)拋射出的高溫等離子體以每秒數(shù)百公里的速度襲向地球，在地球磁層的阻擋下，有小部分離子體流進(jìn)入近地空間，由此導(dǎo)致的地磁場(chǎng)短時(shí)間內(nèi)的急劇變化會(huì)生成地面感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（ESP），ESP在輸電線、中性點(diǎn)接地變壓器和大地回路中產(chǎn)生地磁感應(yīng)電流（GIC）。由于GIC的頻率很低（0.001Hz0.1Hz），與工頻相比可視為準(zhǔn)直流，較大的GIC電流可導(dǎo)致變壓器直流偏磁現(xiàn)象。（二）直流系統(tǒng)單極-大地運(yùn)行方式當(dāng)交、直流系統(tǒng)在同一個(gè)區(qū)域同時(shí)運(yùn)行的時(shí)候，尤其是在HVDC系統(tǒng)單極大地回路方式運(yùn)行時(shí)，由于大地并非絕對(duì)意義上的零電阻導(dǎo)體，必然導(dǎo)致各個(gè)接地點(diǎn)之間存在一定的電位差。這樣的電位差將使得從變壓器一次側(cè)的中

8、性點(diǎn)向變壓器注入一定的直流電流。侵入交流系統(tǒng)的直流電流的大小除了與直流換流站與交流變電站之間的距離、交流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)外，還與電流流經(jīng)的土壤電阻率密切相關(guān)，電阻率越高的地方更容易產(chǎn)生高的電位差，對(duì)應(yīng)的入侵直流電流也就越大。（三）直流偏磁對(duì)變壓器影響程度的制約因素GIC和HVDC對(duì)變壓器的影響程度的大小取決于變壓器直流偏磁程度的大小，而影響變壓器直流偏磁程度的兩個(gè)主要因素是變壓器鐵心結(jié)構(gòu)和變壓器繞組連接形式。直流偏磁對(duì)三相變壓器組的影響最大，其次是三相五柱變壓器，對(duì)三相三柱變壓器的影響程度最小。由于GIC和HVDC引起的直流磁通在變壓器鐵心中的磁路完全相同，所以GIC和HVDC對(duì)相同鐵心結(jié)

9、構(gòu)變壓器的影響程度是相同的。雖然GIC和HVDC單極-大地運(yùn)行都能引起變壓器的直流偏磁，但就變壓器中產(chǎn)生的直流電流而言，GIC的時(shí)間變化率比HVDC單極-大地運(yùn)行在變壓器中產(chǎn)生的電流隨時(shí)間的變化率大得多。接地方式是影響GIC的主要因素。例如，1989年魁北克電網(wǎng)大停電事故的事故數(shù)據(jù)顯示，瑟堡哥茅變電站的故障錄波器記錄到在SVC跳閘前系統(tǒng)中含有大量諧波，其中SVC電抗器、電容器支路2次諧波電流含量分別為9和38，3次諧波電流含量分別為12和24。由于3次和3倍次諧波電流屬于零序性質(zhì)，但該系統(tǒng)中自耦變壓器的一側(cè)沒有角接繞組，因此對(duì)3次和3倍次諧波沒有抑制作用，諧波可順利進(jìn)入變壓器16kV側(cè)系統(tǒng)。因

10、此 2可以推斷，自耦變壓器是魁北克系統(tǒng)遭受GIC侵襲時(shí)危害增大的主要原因之一。三、直流偏磁實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析（一）國(guó)內(nèi)電網(wǎng)GIC監(jiān)測(cè)實(shí)例2006年12月磁暴影響廣東電網(wǎng)事件。根據(jù)文獻(xiàn)2，由于提前得知2006年12月14至16日將有強(qiáng)磁暴發(fā)生的信息，劉連光教授的課題組獲得了廣東嶺澳電站和廣東電網(wǎng)天、仙溪、唐美等7個(gè)變電站的數(shù)據(jù)。嶺澳1號(hào)變壓器GIC的監(jiān)測(cè)裝置捕獲到16.6A的峰值電流，同時(shí)監(jiān)測(cè)到在磁暴發(fā)生前(地磁水平分量平緩段)變壓器中性點(diǎn)出現(xiàn)了一些尖峰電流。廣東電網(wǎng)仰天、仙溪、唐美、三水、羅洞、雷崗和九潭7個(gè)變電站在磁暴發(fā)生前也存在類似的尖峰電流。2003年10月廣西北海某220kV主變異常事

11、件。2003年10月底至11月中旬期間發(fā)生過罕見的特大磁暴3。同一時(shí)間，位于中低緯度的廣西電網(wǎng)有跡象表4明同樣受到了這次磁暴的影響。文獻(xiàn)對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了描述，2003年10月對(duì)廣西北海某220kV變電站2號(hào)主變連續(xù)3次發(fā)出沉重的“嗡嗡”聲，持續(xù)時(shí)間1.5分鐘左右后自動(dòng)消失。第一次時(shí)刻為4時(shí)20分，第二次時(shí)間為9時(shí)20分，第三次時(shí)間為10時(shí)20分。三次噪聲異常發(fā)生后，經(jīng)檢查，主變?nèi)齻?cè)開關(guān)、CT、避雷器、刀閘，以及保護(hù)和信號(hào)等均未發(fā)現(xiàn)任何異常。11月5日18時(shí)，主變?cè)肼曈猩僭S異常，比正常響聲大一點(diǎn)，2分鐘左右消失。11月20日20時(shí)38分，主變有較為沉重的“嗡嗡”聲，經(jīng)全面檢查未發(fā)現(xiàn)異常。2004年

12、12月對(duì)主變進(jìn)行了吊罩大修，認(rèn)為噪聲異常是繞組墊塊、絕緣支架等部件松動(dòng)引起的。由于文獻(xiàn)4對(duì)北海主變?cè)肼暜惓，F(xiàn)象的描述是不連續(xù)的，以及主變31日和11月20日較大異常與強(qiáng)磁暴發(fā)生時(shí)間完全吻合，11月5日較小異常與中強(qiáng)磁暴發(fā)生時(shí)間吻合；因此，可確定GIC是導(dǎo)致北海主變?cè)肼暜惓５闹饕?，主變個(gè)別部件松動(dòng)是直流偏磁所致5。（二）直流系統(tǒng)單極-大地方式直流偏磁電流對(duì)的模擬監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn) 為深入研究±800kV云廣直流輸電工程對(duì)云南交流輸電網(wǎng)的影響，云南電網(wǎng)公司成立了專門的測(cè)試項(xiàng)目組。測(cè)試項(xiàng)目組針對(duì)2009年7月11日，單極大地運(yùn)行各種工況下，重點(diǎn)對(duì)接地極附近11座變電站進(jìn)行偏磁和電能質(zhì)量（諧波電壓

13、和二次諧波電流）測(cè)試。偏磁實(shí)驗(yàn)中，分別測(cè)試了單極大地運(yùn)行輸送功率300MW、400MW、500MW、600MW及750MW不同工況、不同時(shí)段的數(shù)據(jù)。表1為750MW工況下的被測(cè)變電站變壓器中性點(diǎn)電流測(cè)量值。站名 和平 祿豐 獅山 三岔 虹橋 轎子山測(cè)量值0.022站名 草鋪測(cè)量值0.634 0.201*廠口 2.24 0.02 東郊 0.302 0.2302嵩明 2.05 0.029*新村 3.40 0.188*表1 750MW工況下的測(cè)量結(jié)果匯總 注：帶*號(hào)數(shù)據(jù)為無(wú)背景噪聲測(cè)試的數(shù)據(jù)通過仿真計(jì)算，當(dāng)云廣直流滿載單極大地運(yùn)行方式下（3125A直流電流入地），被監(jiān)測(cè)變電站的主變中性點(diǎn)直流電流值可

14、能達(dá)到表2所示的數(shù)值。站名 和平 祿豐 獅山 三岔 虹橋 轎子山測(cè)量值站名測(cè)量值0.27 草鋪 1.12 0.42 廠口 4.22 0.63 東郊 0.05 0.52 嵩明 3.67 0.18 新村 5.90 0.20表2 單極3125A情況下中性點(diǎn)電流計(jì)算值500kV廠口變電站：根據(jù)我國(guó)高壓直流接地極技術(shù)導(dǎo)則（DL4371991）中規(guī)定通過變壓器繞組中直流電流不大于額定電流的0.7%。廠口變電站有2臺(tái)主變，單臺(tái)容量為750MW，故單臺(tái)主變能承受的直流電流為6.0612A。根據(jù)表2，廠口變電站的主變中性點(diǎn)直流電流會(huì)達(dá)到4.22A，接近主變能夠承受的直流電流臨界值，存在直流偏磁的危險(xiǎn)。需要引起特

15、別注意的是，廠口站500kV主變壓器屬自耦變壓器。自耦變壓器中性點(diǎn)流過的直流電流僅為公共繞組的偏磁電流，其大小與串接繞組上流過的直流電流不同。目前尚未有方法可以測(cè)量串接繞組上流過的直流電流。在3125A直流電流入地的情況下，廠口站500kV自耦變壓器串接繞組上流過的總直流電流將大于4.22A。串接繞組電流方向與中性點(diǎn)直流方向相同，只不過幅值更大，會(huì)加劇主變直流偏磁現(xiàn)象。220kV嵩明變電站：按變壓器繞組中直流電流不大于額定電流的0.7%計(jì)算，嵩明變電站有兩臺(tái)主變，單臺(tái)主變?nèi)萘繛?80MW，故單臺(tái)主變能承受的直流電流為3.306A。根據(jù)表2，嵩明變電站的主變中性點(diǎn)直流電流會(huì)達(dá)到3.67A，接近主

16、變能夠承受的直流電流臨界值，存在直流偏磁風(fēng)險(xiǎn)。220kV新村變電站：按變壓器繞組中直流電流不大于額定電流的0.7%計(jì)算，新村變電站有兩臺(tái)主變，單臺(tái)主變?nèi)萘繛?50MW，故單臺(tái)主變能承受的直流電流為2.756A，新村變電站的直流電流均超標(biāo)，需要引起重視。根據(jù)表2，新村變電站的主變中性點(diǎn)直流電流會(huì)達(dá)到5.9A，接近主變能夠承受的直流電流臨界值，存在直流偏磁風(fēng)險(xiǎn)。其他變電站：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)表明，±800kV云廣直流輸電工程對(duì)云南電網(wǎng)絕大部分220kV和500kV變電站無(wú)特別明顯影響。四、云南電網(wǎng)開展GIC影響研究的必要性及已具備的條件云南電網(wǎng)地處高原，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在設(shè)備的日常運(yùn)行中還尚未考

17、慮到GIC的負(fù)面影響，對(duì)GIC的實(shí)際監(jiān)測(cè)研究也是個(gè)空白，具體從事電力設(shè)備維護(hù)和檢修的單位或人員對(duì)GIC的原理不熟悉，往往將電力設(shè)備的異常擾動(dòng)完全歸咎于其他因素。加之，當(dāng)前±800云廣千伏直流輸電工程已經(jīng)雙極投入運(yùn)行，500千伏交流骨干電網(wǎng)同時(shí)肩負(fù)著“西電東送”的重任，云南電網(wǎng)正處于交、直流輸電方式同步運(yùn)行的復(fù)雜模式。因此，深入地探討GIC的產(chǎn)生機(jī)理、相關(guān)因素和建立適用于特定地區(qū)的GIC實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)模型對(duì)云南電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行有著極其重要 4的意義。同時(shí)，通過可獲得的空間天氣在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反演得到的GIC和地磁場(chǎng)分量變化率，一方面為進(jìn)一步驗(yàn)證和完善GIC的理論計(jì)算模型提供依據(jù)，另一方面也

18、為將來(lái)建立GIC的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)模型提供有效數(shù)據(jù)。昆明電網(wǎng)公司電力研究院已經(jīng)開展了HVDC系統(tǒng)單極-大地方式下，對(duì)網(wǎng)內(nèi)交流主變壓器影響的研究工作，并在新村、嵩明等多個(gè)變電站主變壓器中性點(diǎn)加裝了自行研發(fā)的“變壓器偏磁直流監(jiān)控裝置”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主變壓器中性點(diǎn)直流偏磁實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和收集。采集到的數(shù)據(jù)對(duì)GIC研究也有非常重要的參考價(jià)值，如果可以做到數(shù)據(jù)共享，將對(duì)云南電網(wǎng)GIC的研究提供了重要有利的條件。與此同時(shí)，近兩年國(guó)外對(duì)于GIC研究的焦點(diǎn)由傳統(tǒng)地局限在高緯度發(fā)達(dá)國(guó)家擴(kuò)展到了中低緯度的發(fā)展中國(guó)家，國(guó)際研究背景的大幅度擴(kuò)展對(duì)國(guó)內(nèi)GIC的研究提供了非常有利的條件。五、結(jié)論及展望地磁感應(yīng)電流和高壓直流輸電系統(tǒng)單極大地方式運(yùn)行都會(huì)引起變壓器直流偏磁。隨著太陽(yáng)磁暴活動(dòng)高峰期日益臨近，加之東西向超高壓、長(zhǎng)距離的輸電線路日益增加，由GIC引起的直流偏磁對(duì)交流中性點(diǎn)接地系統(tǒng)的電力變壓器影