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摘要：2012年5月5日，某核电站1号机主变压器运行过程中突然振动及声音异常增大，经过外观检查、油色谱分析确定变压器无异常后。分析异音是由外部直流通过中性点接地窜入变压器本体引起的直流偏磁引起的。
关键词：核电；变压器；直流偏磁
1引言
近年来，围绕超高压直流输电单极大地回路运行大电流对于交流电网中中性点接地变压器的影响开展众多研究，包括变压器直流偏磁研究和大地电流对交流电网影响计算方法研究。与此同时，限制变压器中性点直流电流方法和工程应用研究正在经受电网的考验。
2主变压器直流偏磁分析
2012年5月5日 11时06分左右，#1主变B相运行过程中突然声音增大，同时对主变A相及C相进行检查，声音全部增大。十分钟后声音逐渐趋于正常。此阶段检查没有发现油温及油枕油位有明显变化（见表1）。就地测量变压器各接地电流情况，发现中性点直流分量较大（见表2）。
12时04分左右，B相声音再次增大（与前次比较小得多，大约持续10秒左右，到变压器本体处检查声音消失。后续检查500KV故障录波屏无启动信号。变压器油色谱、耐压、介损参数全部合格，与上次数据相比无明显变化。
1.1产生直流偏磁原理
变压器在交流过励磁下，铁芯磁通密度增加，励磁电流畸变增加，
变压器在直流偏磁下，直流与交流磁通相叠加，与直流偏磁方向一致的半个周波的铁心饱和程度增加，另外半个周波的饱和程度减小，对应的励磁电流波形呈现正负半波不对称的形状[ 1]，如图1所示。正负半波不对称的励磁电流，不仅含有几次谐波还含有偶次谐波。直流偏磁引起半个周波内的铁芯过饱和，导致磁致伸缩加剧，噪声增加[ 2]。
图（a）：直流分量，使磁通曲线向上偏移；图（b）：部分磁通工作在铁心饱和状态；图（c）：励磁电流产生谐波。
图1 变压器直流偏磁基本原理
1.1 产生直流偏磁原因分析
直流输电系统正常运行为双极运行方式，构成双极-大地的输电回路，流经接地极的电流基本为零，如图2所示。但在调试或者发生换相故障后，不可避免的要从双极运行方式切换到单极运行方式，此时输电系统将利用大地作为回流电路，系统中高达几千安培的电流从直流接地极注入大地，将造成接地极周围变电站接地网地电位的变化。直流电流经整流器高压端流出，通过直流线路到逆变器，从逆变器高压端到接地极，再经大地流回到整流器的接地极，构成直流系统的输电回路[ 3]。
若两个变电站接地网之间存在电位差，电流将有一部分流经变压器中性点、变压器绕组及输电线路，在中性点接地变压器上流过直流分量，从而引起变压器直流偏磁。
图2直流系统双极运行对交流输电影响
东北地区附近相关的直流变换站，伊敏换流站500KV终端送到辽宁鞍山穆家电站，通过地图来测量直线距离大约为160公里，目前山东省有600KV换电站。相关资料表示500KV直流对变压器直接接地系统在以土壤电阻率来计算200公里内可能产生影响，如有水质介入的情况下按5倍电阻率来计算其距离。
交流系统变压器地电位大小与该变压器和接地极之间的距离有关，同时和直流输送电流大小、土壤电阻率相关，其计算公式为U= pI/2Πr。其中，p 指土壤电阻率，I 指输送电流，r 指变压器与接地极的距离。可见，地电位与土壤电阻率和输送电流成正比，与距离成反比。
1.2 直流偏磁影响
1、 当直流输电系统以单极大地方式运行时，只要有较少的直流流过单相变压器中性点，就可能引起变压器磁通饱合，造成变压器损耗增加、温升增加、进而引起变压器顶层油温和绕组温度增加，导致局部过热[ 4-6]。
2、 直流偏磁使变压器铁心磁通饱和， 谐波分量增加，导致磁滞伸缩加剧，噪声增大[7]。噪声频谱分析显示既有偶次谐波也有奇次谐波。
3、 直流偏磁使变压器励磁电流畸变，引起铁心磁滞伸缩加剧，导致绕组电动力增加，在一定程度上使变压器振动加剧。
4、 直流偏磁对电网也会造成不良影响，直流偏磁严重时会引起变压器磁路饱和，励磁电流增加，无功消耗增大，造成无功补偿装置过载或系统电压下降[ 8-9]。
5、 直流偏磁严重时使变压器成为交流系统的谐波源，谐波流入系统后会引起系统电压波形畸变，可能引起继电保护误动作。
2.直流偏磁抑制措施
目前国内抑制变器中性点直流偏磁的措施主要有：交流线路上装设串联电容器；变压器中性点串联小电阻接地；变压器中性点串联电容器接地；中性点反向电流注入抑制方法[10]，等。以上措施在应用中都存在着不同程度的问题。其中的反向电流注入抑制方法，在变压器中性点注入反向的直流电流，以消除偏磁电流对变压器影响，该方法不改动变压器的原有接线，利于运行安全，但是中性点注入直流电流的监测是个技术难点。电网电压谐波一般为奇次谐波，而直流偏磁状态下的变压器是电网电压偶次谐波的主要来源，且与中性点注入直流的大小有对应关系，考虑到交流电压的在线监测技术已较为成熟，则可通过检测变压器输出电压的偶次谐波来确定反向注入电流的大小，实现起来较为容易。需要在变压器周围敷设反向注入接地极，土建工程较大。通过调研了解到反向注入的效率很低，只有20%左右的注入电流流入变压器中性点，抵消变压器中性点的直流，其它80%的注入电流不知去向，有可能对周围其它设备造成新的直流“污染”。
目前国内没有对变压器直流偏磁承受能力的国家标准规定，只是变压器厂商提供主变压器能承受正负10A直流值。根据厂家经验：单相变压器组成的三相五柱式变压器，其耐受直流偏磁的能力较小。三相三柱式变压器，直流磁通相互抵销，不易使铁芯饱和，通过直流电流的能力要大一些。
3.结论
变压器发生直流偏磁，会影响变压器的安全运行，进而影响系统电能质量。对变压器制造商而言， 因国内对变压器直流偏磁承受能力尚无明确标准规定， 所以解决问题的关键是正确提出变压器允许通过的直流电流水平限值；对电力公司而言，在选择接地极址时，应论证直流接地极电流是否对交流电力变压器产生磁饱和影响，并应根据系统的运行方式采取适当的抑制措施，限制变压器中性点的直流水平。
参考文献
[1] 李长益.直流单极运行对交流变压器的影响[J].华东电力，2005，33（1）：36-39.
[2] 马志强.变压器直流偏磁的原理性仿真[J].广东电力，2004，17（2）：5-9.
[3 ] 叶杰宏，直流单极运行对500 kV交流变压器的影响：广东电网公司惠州市供电
关键词：核电；变压器；直流偏磁
1引言
近年来，围绕超高压直流输电单极大地回路运行大电流对于交流电网中中性点接地变压器的影响开展众多研究，包括变压器直流偏磁研究和大地电流对交流电网影响计算方法研究。与此同时，限制变压器中性点直流电流方法和工程应用研究正在经受电网的考验。
2主变压器直流偏磁分析
2012年5月5日 11时06分左右，#1主变B相运行过程中突然声音增大，同时对主变A相及C相进行检查，声音全部增大。十分钟后声音逐渐趋于正常。此阶段检查没有发现油温及油枕油位有明显变化（见表1）。就地测量变压器各接地电流情况，发现中性点直流分量较大（见表2）。
12时04分左右，B相声音再次增大（与前次比较小得多，大约持续10秒左右，到变压器本体处检查声音消失。后续检查500KV故障录波屏无启动信号。变压器油色谱、耐压、介损参数全部合格，与上次数据相比无明显变化。
1.1产生直流偏磁原理
变压器在交流过励磁下，铁芯磁通密度增加，励磁电流畸变增加，
变压器在直流偏磁下，直流与交流磁通相叠加，与直流偏磁方向一致的半个周波的铁心饱和程度增加，另外半个周波的饱和程度减小，对应的励磁电流波形呈现正负半波不对称的形状[ 1]，如图1所示。正负半波不对称的励磁电流，不仅含有几次谐波还含有偶次谐波。直流偏磁引起半个周波内的铁芯过饱和，导致磁致伸缩加剧，噪声增加[ 2]。
图（a）：直流分量，使磁通曲线向上偏移；图（b）：部分磁通工作在铁心饱和状态；图（c）：励磁电流产生谐波。
图1 变压器直流偏磁基本原理
1.1 产生直流偏磁原因分析
直流输电系统正常运行为双极运行方式，构成双极-大地的输电回路，流经接地极的电流基本为零，如图2所示。但在调试或者发生换相故障后，不可避免的要从双极运行方式切换到单极运行方式，此时输电系统将利用大地作为回流电路，系统中高达几千安培的电流从直流接地极注入大地，将造成接地极周围变电站接地网地电位的变化。直流电流经整流器高压端流出，通过直流线路到逆变器，从逆变器高压端到接地极，再经大地流回到整流器的接地极，构成直流系统的输电回路[ 3]。
若两个变电站接地网之间存在电位差，电流将有一部分流经变压器中性点、变压器绕组及输电线路，在中性点接地变压器上流过直流分量，从而引起变压器直流偏磁。
图2直流系统双极运行对交流输电影响
东北地区附近相关的直流变换站，伊敏换流站500KV终端送到辽宁鞍山穆家电站，通过地图来测量直线距离大约为160公里，目前山东省有600KV换电站。相关资料表示500KV直流对变压器直接接地系统在以土壤电阻率来计算200公里内可能产生影响，如有水质介入的情况下按5倍电阻率来计算其距离。
交流系统变压器地电位大小与该变压器和接地极之间的距离有关，同时和直流输送电流大小、土壤电阻率相关，其计算公式为U= pI/2Πr。其中，p 指土壤电阻率，I 指输送电流，r 指变压器与接地极的距离。可见，地电位与土壤电阻率和输送电流成正比，与距离成反比。
1.2 直流偏磁影响
1、 当直流输电系统以单极大地方式运行时，只要有较少的直流流过单相变压器中性点，就可能引起变压器磁通饱合，造成变压器损耗增加、温升增加、进而引起变压器顶层油温和绕组温度增加，导致局部过热[ 4-6]。
2、 直流偏磁使变压器铁心磁通饱和， 谐波分量增加，导致磁滞伸缩加剧，噪声增大[7]。噪声频谱分析显示既有偶次谐波也有奇次谐波。
3、 直流偏磁使变压器励磁电流畸变，引起铁心磁滞伸缩加剧，导致绕组电动力增加，在一定程度上使变压器振动加剧。
4、 直流偏磁对电网也会造成不良影响，直流偏磁严重时会引起变压器磁路饱和，励磁电流增加，无功消耗增大，造成无功补偿装置过载或系统电压下降[ 8-9]。
5、 直流偏磁严重时使变压器成为交流系统的谐波源，谐波流入系统后会引起系统电压波形畸变，可能引起继电保护误动作。
2.直流偏磁抑制措施
目前国内抑制变器中性点直流偏磁的措施主要有：交流线路上装设串联电容器；变压器中性点串联小电阻接地；变压器中性点串联电容器接地；中性点反向电流注入抑制方法[10]，等。以上措施在应用中都存在着不同程度的问题。其中的反向电流注入抑制方法，在变压器中性点注入反向的直流电流，以消除偏磁电流对变压器影响，该方法不改动变压器的原有接线，利于运行安全，但是中性点注入直流电流的监测是个技术难点。电网电压谐波一般为奇次谐波，而直流偏磁状态下的变压器是电网电压偶次谐波的主要来源，且与中性点注入直流的大小有对应关系，考虑到交流电压的在线监测技术已较为成熟，则可通过检测变压器输出电压的偶次谐波来确定反向注入电流的大小，实现起来较为容易。需要在变压器周围敷设反向注入接地极，土建工程较大。通过调研了解到反向注入的效率很低，只有20%左右的注入电流流入变压器中性点，抵消变压器中性点的直流，其它80%的注入电流不知去向，有可能对周围其它设备造成新的直流“污染”。
目前国内没有对变压器直流偏磁承受能力的国家标准规定，只是变压器厂商提供主变压器能承受正负10A直流值。根据厂家经验：单相变压器组成的三相五柱式变压器，其耐受直流偏磁的能力较小。三相三柱式变压器，直流磁通相互抵销，不易使铁芯饱和，通过直流电流的能力要大一些。
3.结论
变压器发生直流偏磁，会影响变压器的安全运行，进而影响系统电能质量。对变压器制造商而言， 因国内对变压器直流偏磁承受能力尚无明确标准规定， 所以解决问题的关键是正确提出变压器允许通过的直流电流水平限值；对电力公司而言，在选择接地极址时，应论证直流接地极电流是否对交流电力变压器产生磁饱和影响，并应根据系统的运行方式采取适当的抑制措施，限制变压器中性点的直流水平。
参考文献
[1] 李长益.直流单极运行对交流变压器的影响[J].华东电力，2005，33（1）：36-39.
[2] 马志强.变压器直流偏磁的原理性仿真[J].广东电力，2004，17（2）：5-9.
[3 ] 叶杰宏，直流单极运行对500 kV交流变压器的影响：广东电网公司惠州市供电