论文部分内容阅读
【摘 要】随着科技的发展和社会的不断进步，电力行业的生产水平也不断提高，本文主要针对输电过程中直流偏磁对高压设备的运行影响进行分析和研究，并根据存在的问题提出合理化的建议和措施。
【关键词】直流偏磁；高压设备运行；影响；研究探讨；建议措施
直流方式输电过程中，双极两端的中性点接地直流换流站采用了直流输电的接线方式，并被广泛运用在高压直流输电中，提高了输电效率，并增加了企业的输电效益。正常运行时，地回路中没有电流通过，两极的电流也是相等的，但当运行中两极的电流电压不相同，就会产生电压差，这时接地极就会产生电流，形成一个回路。如果变电站的中性点被抬高，那么就会使直流电流此从一个变电站流向另一个变电站，并从另一个变电站流出。所以，为了避免外界对变压器产生的直流偏磁影响，就需要消除电力系统中的直流偏磁影响，保证电力系统的正常运行，提高运行效率。
一、直流偏磁原理
（一）直流偏磁出现的机理
电力系统中变压器的铁芯材料是由硅钢片叠加而成的，硅钢片的尺寸0.3-0.35mm，由于硅钢片的磁化曲线成非线性关系，因此，铁芯的磁通φ和通入磁化线圈的电流i成非线性的关系，于是有φ=f（i）的非线性关系，具体关系如下图b所示。变压器在进行设计时就考虑到了材料的问题，于是采用了铁磁材料，变压器的额定主磁通φ运行如图b中的线性区断点A。如果变压器在正常运行状况下，通入直流电流，那么直流的磁通和激流的磁通就会相互影响，出现叠加的情况，磁电流的曲线就会向下偏移，相对于坐标轴来说就会整体平移一个单位，直流磁通φ0和交流磁通φ相互叠加，总磁通和直流偏磁的磁通密度就会出现增加的情况，而其余的周波磁通密度会出现减小的情况。此时，跟它对应的励磁电流的波形也会出现变动，正负半波就会出现不对称的状况，具体变化可以参照图1所示。
图1 直流电流对变压器励磁电流的影响
出现直流偏磁现象的根本就是由于当变压器每相绕组直流电流变大，这时铁芯会发生饱和现象，使得励磁电流出现畸变，影响整个系统的运行，这就叫做直流偏磁。
（二）为直流偏磁影响的原因
诱发直流偏磁的因素有两个，属于同一个机理引起的，但是对直流偏磁效应的影响是不同的，因此要分情况进行论述：
1）地磁风暴，这种因素是由地磁场之间的相互作用和太阳等离子风的变化状况等导致的，这种磁场的变化可以致使地球表面出现不同程度的电位梯度，该电位梯度的影响巨大，有时可以达到每公里几伏或者上百伏。
2）采用远距离、大容量的输电方式，采用高压直流输电方式HVDC输电方式，并采用大地返回方式，这时在地表的散流带区域就会出现一些地表电流，存在于换流站的周围。在这些换流站周围，如果存在运行着的交流变电站系统，就会受到影响。具体影响体现在交流变压器的接地中性线在励磁电流中出现分流量，在变压器中也就产生了直流电流，之后这些直流电流就会从输电线路的一端流入到另外一端。
（三）直流偏磁对设备的危害
直流偏磁对设备的主要影响有：1）对变压器而言，铁芯磁通会出现饱和状态，振动幅度增大，并出现了大量的谐波，使得励磁电流发生高度畸变。这时也会产生巨大的噪声，并且金属构件会受到损坏，增加了系统运行的无功损耗。2）破坏了整体运行状况，局部会出现过热状态，绝缘性能也会大大降低，使得构件和系统设备的寿命减小，变压设备受损。3）直流偏磁会影响电容器的功能，影响整个系统的功能，在特定的频率下会跟并联的电容器出现谐振现象，谐波电流会被放大，影响了系统的运行效率，降低了电容器的工作质量。
二、消除直流偏磁影响的措施
目前限制直流，消除直流偏磁对高压设备的影响措施主要分为以下几种：
1.串接电容法
通过串接电容法来抑制直流偏磁的影响，主要是通过在变压器的中性点跟系统之间设定一个电容器来隔断直流电流，从而消除直流偏磁对系统设备的影响和作用。下图是具体的串接电容法示意图：
图2 在主变电站的中性点接入电容器和保护装置的示意图
如图2所示：在变电站的中性点接入电容器，构成电容隔直装置，该装置主要由机械旁路开关，电容器跟反并联晶闸管连接而成，设置在地跟变压器中性点之间。如果没有在变压器中性点没有出现超值电流，则机械旁路的开关处于闭合状态，当超值电流出现在变压器的中性点位置时，机械旁路的开关就会自动断开，达到阻隔直流电流的作用。这样就可以有效的避免因直流电流通过而产生直流偏磁的影响，影响整个系统的工作状态。
2.串联电阻法
通过串联电阻法来解决直流偏磁的影响主要通过在串联的方式在中性线上串接小电阻，以此来减小中性点中的直流电流，因为在变电站的中性点中电流跟变压器、直流接地极的距离和分布状态等关系密切，并同时受架空线路特性的影响和作用。所以才去串联电阻法进行直流电流的消除。在电力系统的运行过程中会受到不平衡交流电流的作用和影响，一般大小为数安培；当在系统中接入中性点的电阻时，就可以减小故障电流的大小和幅度，也给变压器的中性点带来了高的对地电位。因此，通过接入电阻不仅可以抑制直流偏磁的影响还会降低系统谐振出现的概率。缺点是，当出现故障短路时，次电阻就很容易被烧毁，或者出现雷击现象，因此要根据具体的实际情况来设置电阻，避免不利影响的出现。
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者减弱电流的作用和影响。这种方式也分为正向电位补偿和负向电位补偿，不但会保护自动装置、继电、绝缘配合的运行，还不会改变系统的各项参数，维护了系统整体稳定性。该方式结构简单，成本投入低，有利于工作的开展，提高了措施执行的效率。
三、结束语
安装直流电流平衡装置后，使得有些电源控制器不可靠，出现了换流站单极运行，补充的反向电流出现急停现象，而且恢复不了，于是要通过工作人员手动恢复。直流式的输电方式可以提高输电效率和输电质量，但是由于各种因素的出现在直流输电过程中会常规电网和电网中的设备造成一定程度的影响，为了避免外界对变压器产生的直流偏磁影响，就需要消除电力系统中的直流偏磁影响，保证电力系统的正常运行，提高运行效率。具体可以根据具体情况，分析整体电路系统，然后选择反向电流法、接入电容法和串接电阻法等方式来消除或者减小直流偏磁对高压设备的影响，增强整个电路系统的稳定性和可靠性。
参考文献：
[1]张婕. 特高压变压器涌流识别及直流偏磁对其影响研究[D].华北电力大学，2012.
[2]杜峰，张英. 直流偏磁对变压器的影响及抑制措施[J]. 变压器，2008，07：11-13.
[3]孙建涛，李金忠，张书琦，刘锐，汤浩，高飞，吴超，邓俊宇. 单相单柱旁轭变压器直流偏磁运行性能测试与分析[J]. 电网技术，2013，07：2041-2046.
[4]赵小军. 基于谐波平衡有限元法的变压器直流偏磁特性研究[D].华北电力大学（北京），2011.
【关键词】直流偏磁；高压设备运行；影响；研究探讨；建议措施
直流方式输电过程中，双极两端的中性点接地直流换流站采用了直流输电的接线方式，并被广泛运用在高压直流输电中，提高了输电效率，并增加了企业的输电效益。正常运行时，地回路中没有电流通过，两极的电流也是相等的，但当运行中两极的电流电压不相同，就会产生电压差，这时接地极就会产生电流，形成一个回路。如果变电站的中性点被抬高，那么就会使直流电流此从一个变电站流向另一个变电站，并从另一个变电站流出。所以，为了避免外界对变压器产生的直流偏磁影响，就需要消除电力系统中的直流偏磁影响，保证电力系统的正常运行，提高运行效率。
一、直流偏磁原理
（一）直流偏磁出现的机理
电力系统中变压器的铁芯材料是由硅钢片叠加而成的，硅钢片的尺寸0.3-0.35mm，由于硅钢片的磁化曲线成非线性关系，因此，铁芯的磁通φ和通入磁化线圈的电流i成非线性的关系，于是有φ=f（i）的非线性关系，具体关系如下图b所示。变压器在进行设计时就考虑到了材料的问题，于是采用了铁磁材料，变压器的额定主磁通φ运行如图b中的线性区断点A。如果变压器在正常运行状况下，通入直流电流，那么直流的磁通和激流的磁通就会相互影响，出现叠加的情况，磁电流的曲线就会向下偏移，相对于坐标轴来说就会整体平移一个单位，直流磁通φ0和交流磁通φ相互叠加，总磁通和直流偏磁的磁通密度就会出现增加的情况，而其余的周波磁通密度会出现减小的情况。此时，跟它对应的励磁电流的波形也会出现变动，正负半波就会出现不对称的状况，具体变化可以参照图1所示。
图1 直流电流对变压器励磁电流的影响
出现直流偏磁现象的根本就是由于当变压器每相绕组直流电流变大，这时铁芯会发生饱和现象，使得励磁电流出现畸变，影响整个系统的运行，这就叫做直流偏磁。
（二）为直流偏磁影响的原因
诱发直流偏磁的因素有两个，属于同一个机理引起的，但是对直流偏磁效应的影响是不同的，因此要分情况进行论述：
1）地磁风暴，这种因素是由地磁场之间的相互作用和太阳等离子风的变化状况等导致的，这种磁场的变化可以致使地球表面出现不同程度的电位梯度，该电位梯度的影响巨大，有时可以达到每公里几伏或者上百伏。
2）采用远距离、大容量的输电方式，采用高压直流输电方式HVDC输电方式，并采用大地返回方式，这时在地表的散流带区域就会出现一些地表电流，存在于换流站的周围。在这些换流站周围，如果存在运行着的交流变电站系统，就会受到影响。具体影响体现在交流变压器的接地中性线在励磁电流中出现分流量，在变压器中也就产生了直流电流，之后这些直流电流就会从输电线路的一端流入到另外一端。
（三）直流偏磁对设备的危害
直流偏磁对设备的主要影响有：1）对变压器而言，铁芯磁通会出现饱和状态，振动幅度增大，并出现了大量的谐波，使得励磁电流发生高度畸变。这时也会产生巨大的噪声，并且金属构件会受到损坏，增加了系统运行的无功损耗。2）破坏了整体运行状况，局部会出现过热状态，绝缘性能也会大大降低，使得构件和系统设备的寿命减小，变压设备受损。3）直流偏磁会影响电容器的功能，影响整个系统的功能，在特定的频率下会跟并联的电容器出现谐振现象，谐波电流会被放大，影响了系统的运行效率，降低了电容器的工作质量。
二、消除直流偏磁影响的措施
目前限制直流，消除直流偏磁对高压设备的影响措施主要分为以下几种：
1.串接电容法
通过串接电容法来抑制直流偏磁的影响，主要是通过在变压器的中性点跟系统之间设定一个电容器来隔断直流电流，从而消除直流偏磁对系统设备的影响和作用。下图是具体的串接电容法示意图：
图2 在主变电站的中性点接入电容器和保护装置的示意图
如图2所示：在变电站的中性点接入电容器，构成电容隔直装置，该装置主要由机械旁路开关，电容器跟反并联晶闸管连接而成，设置在地跟变压器中性点之间。如果没有在变压器中性点没有出现超值电流，则机械旁路的开关处于闭合状态，当超值电流出现在变压器的中性点位置时，机械旁路的开关就会自动断开，达到阻隔直流电流的作用。这样就可以有效的避免因直流电流通过而产生直流偏磁的影响，影响整个系统的工作状态。
2.串联电阻法
通过串联电阻法来解决直流偏磁的影响主要通过在串联的方式在中性线上串接小电阻，以此来减小中性点中的直流电流，因为在变电站的中性点中电流跟变压器、直流接地极的距离和分布状态等关系密切，并同时受架空线路特性的影响和作用。所以才去串联电阻法进行直流电流的消除。在电力系统的运行过程中会受到不平衡交流电流的作用和影响，一般大小为数安培；当在系统中接入中性点的电阻时，就可以减小故障电流的大小和幅度，也给变压器的中性点带来了高的对地电位。因此，通过接入电阻不仅可以抑制直流偏磁的影响还会降低系统谐振出现的概率。缺点是，当出现故障短路时，次电阻就很容易被烧毁，或者出现雷击现象，因此要根据具体的实际情况来设置电阻，避免不利影响的出现。
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者减弱电流的作用和影响。这种方式也分为正向电位补偿和负向电位补偿，不但会保护自动装置、继电、绝缘配合的运行，还不会改变系统的各项参数，维护了系统整体稳定性。该方式结构简单，成本投入低，有利于工作的开展，提高了措施执行的效率。
三、结束语
安装直流电流平衡装置后，使得有些电源控制器不可靠，出现了换流站单极运行，补充的反向电流出现急停现象，而且恢复不了，于是要通过工作人员手动恢复。直流式的输电方式可以提高输电效率和输电质量，但是由于各种因素的出现在直流输电过程中会常规电网和电网中的设备造成一定程度的影响，为了避免外界对变压器产生的直流偏磁影响，就需要消除电力系统中的直流偏磁影响，保证电力系统的正常运行，提高运行效率。具体可以根据具体情况，分析整体电路系统，然后选择反向电流法、接入电容法和串接电阻法等方式来消除或者减小直流偏磁对高压设备的影响，增强整个电路系统的稳定性和可靠性。
参考文献：
[1]张婕. 特高压变压器涌流识别及直流偏磁对其影响研究[D].华北电力大学，2012.
[2]杜峰，张英. 直流偏磁对变压器的影响及抑制措施[J]. 变压器，2008，07：11-13.
[3]孙建涛，李金忠，张书琦，刘锐，汤浩，高飞，吴超，邓俊宇. 单相单柱旁轭变压器直流偏磁运行性能测试与分析[J]. 电网技术，2013，07：2041-2046.
[4]赵小军. 基于谐波平衡有限元法的变压器直流偏磁特性研究[D].华北电力大学（北京），2011.