变压器中性点直流电流的危害以及抑制措施的研究

摘 要：随着直流输电方式的推广使用，对于传统电网产生了不良影响，其中包括由于直流入地电流使得附近变电站地电位升高，直流侵入中性点接地的变压器，导致变压器中性点直流偏磁现象，使得变压器中性点直流电流过大，变压器噪声与振动加剧，甚至导致变压器局部过热以及绝缘加速老化等问题。

关键词：中性点 直流偏磁 串接电阻 串接电容 正负电补偿

中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）12（c）-0052-02

直流输电方式在输送相同功率时，线路投资较少，对功率和电能的损耗较小，不会产生较大的干扰信号，线路在稳态运行时没有电抗电压和电容电流，不需要进行无功补偿，系统运行稳定可靠。因此，在远距离、大功率的输电方式中，直流输电获得了越来越多的应用。但是直流输电会对交流变电站的正常运行造成一定的不良影响，其中包括使得其换流站附近的中性点接地变压器出现直流偏磁的问题，即变压器的中性线流过的直流分量大大增加，对交流变压器的安全运行形成威胁。该文分析了变压器中性点直流电流过大的危害，并对变压器中性点直流偏磁的抑制措施进行了研究。

1 变压器中性点产生直流电流的原因

1.1 地磁感应电流

太阳离子风和宇宙的其他射线与电磁场相互作用，产生地磁磁暴，这种磁场的变化可以使得地球表面出现电位梯度，最高可以达到每公里上百伏，持续时间可以是几分钟甚至几个小时。如果使用中性点接地变压器正好处于该地区，由于地磁感应电动势会在变压器绕组内部产生地磁感应电流，电流频率在0.001～2 Hz之间，可以近似看作直流，其幅值可达100 A以上。

1.2 高压直流输电

大电流、远距离的高压直流输电系统一般采用大地返回方式，在换流站周边的散流带会有一定的地表电流。与换流站并行运行的交流变电站如果距离不远，则交流变电站的中性点接地变压器会受到干扰。在交流变压器的接地中性线会产生直流电流流入变压器，经过输电线路后在另一端的变压器中性点入地。

2 变压器中性点直流电流的危害

2.1 变压器噪声和振动变大

由于中性点流入直流电流的作用，励磁电流发生严重畸变，出现了较大的谐波电流，同时变压器主磁通也成了周期性变化的不对称磁场，产生了较大的磁通谐波量，从而引发变压器的硅钢片出现伸缩，引起变压器的振动和噪声。变压器铁芯硅钢片的伸缩导致铁芯振动，严重时会使得变压器内部有关器件出现松动，从而引发局部放电甚至绕组脱落等严重后果，对变压器的安全运行形成严重威胁。

2.2 变压器的损耗增加

在中性点流入的直流电流作用下，变压器励磁电流大幅度增加，导致变压器铜耗变大。直流电流的增加可能导致励磁电流进入饱和区，使得变压器的漏磁变大。变压器的漏磁通过油箱、夹件等铁质构件，产生涡流损耗。这部分涡流损耗随着铁芯磁密的增加而增加，可见变压器绕组中的直流分量会导致变压器的损耗增加。

2.3 增加无功功率的损耗

变压器中的励磁电流滞后于系统电流90°，产生无功损耗。一般这一部分损耗较小，然而当直流中性点流过直流电流时，无功功率的损耗会急剧增加，即变压器中性点直流电流增加了系统的无功功率损耗。

3 变压器中性点直流电流的抑制措施

3.1 串联电阻法

根据大地回路直流电流的分布规律，可以发现通过变压器中性点的直流电流，主要与变压器、直流接地极的距离以及接地电阻分布等因素有关。根据这个特点，可以通过在中心线上串联小电阻的办法降低流过中性点直流电流，如图1所示。

由图1可知，流过2台变压器中性点的直流电流与2台变压器中性点之间的地电位差、线路直流电阻、变压器绕组直流电阻以及中性点串接小电阻有关。通过在中性点串接小电阻，能在一定程度上降低直流电流的幅值，降低系统发生谐振的概率。但是采用这种方法，当系统发生短路故障时，故障电流容易将中性点串接电阻烧毁。

3.2 串接电容法

通过在变压器中性点与系统地之间串接电容，以达到隔断直流的目的，如图2所示。

在中性点装设电容后，如果主变高压侧发生接地故障，变压器中性点产生很高的暂态电压，当电容器两端电压达到限值时，通过电流旁路保护动作以限制暂态电压幅值，降低了对中性点串接電容器的容量要求。当系统恢复正常运行后，电流旁路保护装置自动复归，中性点串接电容器重新投入运行。不过使用这种方式提高了中性点的电位，改变了系统结构，继电保护装置定值需重新整定，对绝缘的配合也有一定要求。

3.3 电位补偿法

电位补偿法是通过电流抵消的方式来消除直流偏磁的影响，电位补偿法也就是常说的反向电流法，也就是通过电流反向的方式来消除或减弱电流的作用和影响，故分为正向电位补偿和负向补偿，其等效电路图如图3所示。

其中U0为大地电动势，U为补偿电源电动势。如果将图3内所有点位方向以及电流方向取反，则为负电位补偿法。正负电位补偿法不改变系统的参数，结构比较简单，对直流电流的补偿可以控制，在对变压器中性点直流电流抑制的实际应用中具有较大的优势。

4 结语

变压器中性点流过直流电流，可能引发变压器局部过热、振动、绝缘老化甚至发生变压器烧毁的严重事故。该文简单介绍了变压器中性点流过直流的机理以及对变压器安全运行的危害，并给出了串联电阻法、串接电容法、电位补偿法等变压器中性点直流电流抑制措施，对维护变压器的安全运行起到参考作用。

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