陳英慧 商淼 高紅艷

摘 要：太陽(yáng)風(fēng)暴引起的地磁電流和高壓直流輸電對(duì)變壓器產(chǎn)生了“直流入侵”，使得變壓器產(chǎn)生了直流偏磁現(xiàn)象。直流偏磁現(xiàn)象對(duì)變壓器和電網(wǎng)的運(yùn)行有諸多不利的影響。本文總結(jié)和歸納了直流偏磁的研究方法、研究思路和抑制措施，集中的展示了現(xiàn)有的研究方法，提出了研究中的不足和未來(lái)需要努力的方向，為直流偏磁的研究奠定了一定的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：變壓器；直流偏磁；抑制；研究方法；綜述

1 概述

變壓器直流偏磁現(xiàn)象是直流輸電的直流或者太陽(yáng)風(fēng)暴產(chǎn)生的地磁感應(yīng)電流（GIC）通過(guò)變壓器的中性點(diǎn)進(jìn)入變壓器。變壓器受到直流或者準(zhǔn)直流的“入侵”，其勵(lì)磁電流在半個(gè)周期內(nèi)過(guò)于飽和，而在另外半個(gè)周期內(nèi)嚴(yán)重不飽和，出現(xiàn)了上下半波嚴(yán)重不對(duì)稱的情況。近年來(lái)隨著高壓直流輸電（HVDC）的建設(shè)，單極大地運(yùn)行方式的直流輸電系統(tǒng)會(huì)對(duì)周圍的變電站的變壓器造成影響，從而使得變壓器的直流偏磁現(xiàn)象顯著增多。

直流偏磁會(huì)對(duì)變壓器運(yùn)行造成一系列不利的影響。直流偏磁會(huì)使變壓器勵(lì)磁電流畸變，相關(guān)諧波增加，無(wú)功損耗增大。會(huì)造成變壓器的渦流損耗增大，溫度升高，造成變壓器局部過(guò)熱。由于直流偏磁造成變壓器的漏磁通的增大，使得變壓器繞組的電動(dòng)力變大，進(jìn)而導(dǎo)致變壓器振動(dòng)增大。振動(dòng)的增大也會(huì)導(dǎo)致變壓器噪聲的增加。變壓器的直流偏磁現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)作，甚至?xí)斐纱竺娣e停電事故，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生極其不利的影響。[1-3]

本文對(duì)直流偏磁現(xiàn)象的研究方法給出了全面的闡述，引述了直流偏磁分析的主流的分析方法，并對(duì)上述分析方法進(jìn)行了說(shuō)明和比較。同時(shí)，對(duì)現(xiàn)有的變壓器直流偏磁現(xiàn)象抑制方法給出了較為完整的介紹和歸類，對(duì)今后直流偏磁現(xiàn)象的研究具有一定的指導(dǎo)意義，為直流偏磁現(xiàn)象的研究和抑制奠定了基礎(chǔ)。

2 研究現(xiàn)狀

直流偏磁的研究主要方向有：①變壓器勵(lì)磁電流及其諧波的計(jì)算；②溫升、噪聲、振動(dòng)的計(jì)算；③直流偏磁的抑制方法和措施。

2.1 直流偏磁勵(lì)磁電流及其諧波的計(jì)算

直流偏磁勵(lì)磁電流及其諧波的計(jì)算的研究方法主要分為以下幾類：①有限元方法；②電路-磁路耦合方法；③電路-磁場(chǎng)耦合方法。

2.1.1 有限元分析[4，5]：電路-磁場(chǎng)耦合的分析方法是以端口電壓作為已知變量，以磁矢量和勵(lì)磁電流同時(shí)作為待求得變量，將電路方程和磁場(chǎng)方程聯(lián)立進(jìn)行求解的一種方法。[4]文[4]使用諧波平衡有限元的方法，同時(shí)對(duì)勵(lì)磁電流和變壓器中的磁場(chǎng)進(jìn)行求解。諧波平衡有限元法，計(jì)算精度較高，但原理復(fù)雜，占用資源較多。文[5]基于棱邊有限元的方法計(jì)算了變壓器內(nèi)部的磁場(chǎng)分布，并計(jì)算了直流電流從變壓器不同側(cè)注入的勵(lì)磁電流。

2.1.2 電路-磁路耦合分析，該方法是將變壓器等效成相對(duì)應(yīng)的電路和磁路模型，通過(guò)聯(lián)立電路磁路方程，求解變壓器的勵(lì)磁電流，進(jìn)而分析勵(lì)磁電流中的諧波成分。這種方法相對(duì)于磁場(chǎng)的研究方法更為簡(jiǎn)單，但是受限于B-H曲線的擬合，對(duì)于勵(lì)磁電流的計(jì)算有一些誤差。文[6]在電路-磁路耦合分析方法的基礎(chǔ)上改進(jìn)了磁路中的磁阻，考慮了渦流效應(yīng)，同時(shí)也建立了氣隙的磁路模型。文[7]考慮了變壓器漏磁場(chǎng)和磁滯效應(yīng)，改進(jìn)了電路-磁路耦合分析方法，更好地體現(xiàn)了變壓器勵(lì)磁電流的畸變。文[8]建立了三相三柱式變壓器的電路磁路耦合模型，通過(guò)J-A理論擬合變壓器的磁滯回線，研究了變壓器的勵(lì)磁電流及其諧波的特征，提高了電路-磁路耦合模型的計(jì)算精度。

2.1.3 上述電路-磁路耦合分析方法和電路-磁場(chǎng)耦合分析方法受制于變壓器磁滯回線擬合，以及變壓器磁滯回線本身極易受到的直流的影響，如何能更準(zhǔn)確的描述磁滯回線成為了關(guān)鍵。文[9]使用人工魚群和蛙跳的算法來(lái)擬合磁滯回線的參數(shù)取得了較好的效果。文[10]從能量平衡的角度出發(fā)，同時(shí)考慮了變壓器的渦流損耗和其它的異常損耗建立的變壓器的磁滯的動(dòng)態(tài)損耗模型。該模型能夠很好的反映直流偏磁下的變壓器的磁滯損耗。

2.2 溫升、噪聲、振動(dòng)的計(jì)算

變壓器受直流偏磁影響，半個(gè)周期內(nèi)工作在過(guò)于飽和狀態(tài)，此時(shí)漏磁場(chǎng)比正常工作狀態(tài)大很多，漏磁場(chǎng)在金屬構(gòu)件中形成渦流損耗，造成變壓器局部過(guò)熱。直流偏磁情況下，變壓器磁滯伸縮過(guò)大，變壓器漏磁場(chǎng)造成變壓器鐵心的電動(dòng)力過(guò)大使得變壓器溫升和噪聲增大。文[11]計(jì)算了不同直流偏磁情況下的漏磁場(chǎng)的分布和雜散損耗。文[12]通過(guò)測(cè)量不同磁通密度情況下的磁滯曲線族，應(yīng)用平均磁滯曲線來(lái)研究變壓器的磁致伸縮特性，并且將其應(yīng)用到變壓器的振動(dòng)有限元的計(jì)算上。文[13]利用能量守恒的原理，分析了變壓器直流偏磁情況下的磁滯變化情況和振動(dòng)特性。

2.3 直流偏磁現(xiàn)象的抑制

變壓器直流偏磁的抑制方法，主要有反向注入電流法，施加反向電壓，中性點(diǎn)串聯(lián)電阻，中性點(diǎn)串聯(lián)電容的方法。同時(shí)，優(yōu)化電網(wǎng)的連接方式也是抑制變壓器直流偏磁現(xiàn)象的一種很好的方法。

文[14]通過(guò)變壓器噪聲的限值確定了變壓器直流通過(guò)的限值，通過(guò)研究提出了兩臺(tái)變壓器同時(shí)接地時(shí)抑制直流偏磁的一個(gè)非常有效的辦法。文[15]通過(guò)補(bǔ)償直流偏磁，在存在電位差的兩地通過(guò)提高或者降低某地的地網(wǎng)電位，進(jìn)而降低兩地的電位差達(dá)到抑制直流偏磁的目的，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電位補(bǔ)償法對(duì)于直流偏磁抑制有很好的效果。文[16]研究了復(fù)雜工況下的直流偏磁的抑制方法，通過(guò)比較不同的直流偏磁的抑制方法，提出了使用反向注入電流的方法來(lái)抵消直流偏磁的磁勢(shì)，達(dá)到了很好的抑制直流偏磁的效果。文[17]通過(guò)使用電容和電阻組成直流抑制的設(shè)備，通過(guò)分析220kV下的故障電流，提出了采用降低阻容來(lái)抑制工頻的交流阻抗，達(dá)到抑制直流偏磁的目的。

3 結(jié)論

變壓器直流偏磁現(xiàn)象的研究不足：①大型變壓器的直流偏磁的研究和抑制方法不足。②對(duì)變壓器直流偏磁的溫升、噪聲、振動(dòng)的理論性研究不足，還沒(méi)有文獻(xiàn)給出一個(gè)理論上研究溫升、噪聲、振動(dòng)的方法。③行業(yè)當(dāng)中缺少一個(gè)變壓器耐受直流偏磁和相關(guān)試驗(yàn)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，缺乏相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，并且基于溫度、振動(dòng)的研究，給出一個(gè)變壓器耐受直流偏磁能力的分析的相關(guān)研究很少。對(duì)注入的直流的限值、抑制的方法還未達(dá)成相關(guān)的共識(shí)。

變壓器直流偏磁現(xiàn)象研究取得的成就：①變壓器的直流偏磁現(xiàn)象會(huì)對(duì)變壓器本身和附近的電網(wǎng)帶來(lái)一定的危害，關(guān)于變壓器的直流偏磁現(xiàn)象已經(jīng)引起了變壓器制造公司、電網(wǎng)等相關(guān)單位的高度重視。

②變壓器直流偏磁現(xiàn)象的研究，研究方法集中在有限元的分析和實(shí)驗(yàn)的研究，變壓器直流偏磁現(xiàn)象屬于一個(gè)渦旋場(chǎng)的問(wèn)題，同時(shí)還涉及到鐵心的磁滯損耗，對(duì)于直流偏磁現(xiàn)象的上述的情況有越來(lái)越多的機(jī)構(gòu)和單位注意到了相關(guān)的問(wèn)題，并提出了相關(guān)的計(jì)算模型。

③變壓器的直流偏磁現(xiàn)象可以通過(guò)不同的方法進(jìn)行抑制，同時(shí)也可以改變電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式來(lái)降低直流偏磁對(duì)變壓器的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚纓英.大型電力變壓器直流偏磁現(xiàn)象的研究[D].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電力系，2000.

[2]馬玉龍.高壓直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性分析[D].華北電力大學(xué)電力系，2006.

[3]王倩.直流輸電及磁暴引起的變壓器直流問(wèn)題的分析[M].華北電力大學(xué)電力系，2006.

[4]趙小軍，李琳，等.應(yīng)用諧波平衡有限元法的變壓器直流偏磁現(xiàn)象的分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（21）：103-108.

[5]潘超，王澤忠，等.基于瞬態(tài)場(chǎng)路耦合模型的變壓器直流偏磁計(jì)算[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（5）：174-181.

[6]李泓志，崔翔，等.大型電力變壓器直流偏磁分析的磁路建模與應(yīng)用[J].高電壓技術(shù)，2010，36（4）：1068-1076.

[7]胡洋，李慧奇.基于實(shí)驗(yàn)的變壓器直流偏磁特性分析[J].電氣技術(shù)，2014，34（11）：58-61.

[8]張龍偉，吳廣寧.基于Jiles-Atherton 磁滯理論三相三柱變壓器直流偏磁的電磁混合模型[J].華東電力，2013，41（4）：741-743.

[9]耿超，王豐華，等.基于人工魚群與蛙跳混合算法的變壓器Jiles-Atherton模型參數(shù)識(shí)別[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35（18）：4799-4807.

[10]曹林，何金良，張波.直流偏磁狀態(tài)下電力變壓器鐵芯動(dòng)態(tài)磁滯損耗模型及驗(yàn)證[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（24）：141-146.

[11]趙志剛，程志光，等.基于漏磁通補(bǔ)償?shù)膶?dǎo)磁鋼板直流偏磁雜散損耗特性模擬[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（8）：38-44.

[12]王佳音，白保東，等.直流偏磁對(duì)變壓器振動(dòng)噪聲的影響[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（8）：56-61.

[13]高沛，王豐華，等.直流偏磁下電力變壓器的振動(dòng)特性[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014，38（6）：1536-1541.

[14]劉鵬，郭倩雯，等.抗直流偏磁的變壓器中性點(diǎn)接地方式探討[J].高電壓技術(shù)，2015，41（3），794-799.

[15]杜忠東，董曉輝，等.直流電位補(bǔ)償法抑制變壓器直流偏磁的研究[J].高電壓技術(shù)，2006，32（8）：69-72.

[16]全江濤，童歆，等.復(fù)雜運(yùn)行工況下變壓器直流偏磁的抑制[J].高電壓技術(shù)，2015，41（7）：2464-2472.

[17]梅桂華，梁文進(jìn)，等.變壓器直流偏磁電流阻容抑制裝置的開(kāi)發(fā)應(yīng)用[J].高電壓技術(shù)，2009，35（10）：2581-2585.

基金項(xiàng)目：

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（2014MS158）。