摘 要：由于“西电东送”的需要、工业和城市的发展，高压直流换流站、金属冶炼厂和轨道交通系统逐渐增多，导致直流偏磁与变压器振动等问题日趋严重。系统分析了直流偏磁产生的原因，直流偏磁对电力变压器的影响，以及直流偏磁的抑制方法。

关键词：直流偏磁；电力变压器；高压直流输电

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.159

0 引言

直流偏磁是指直流电流注入变压器绕组中，导致变压器磁通中产生直流分量而导致的一系列电磁效应。近年来，随着高压直流换流站、金属冶炼厂和轨道交通系统逐渐增多，直流偏磁导致的变压器振动等现象逐渐增加且日趋严重。

1 直流偏磁产生原因

1.1 地磁暴

当太阳发生耀斑等剧烈活动时，太阳产生高温等离子体高速向地球运动，导致地磁场发生剧烈变化，使大地表面产生低频（0.001～1Hz）感应电动势（ESP），处于不同电位梯度的接地变压器通过输电线和大地形成回路，回路中流过感应电流（GIC），由于感应电流频率较低，相对于工频来说接近于直流，因此可使变压器产生直流偏磁现象。

1.2 高压直流输电

高压直流输电（HVDC）系统由于具有造价低、损耗小、稳定性高等优点，在远距离、大功率输电中得到越来越广泛的应用。当系统以单极大地回线方式或双极不平衡方式运行时，可能高达上千安的直流电流将通过换流站接地极流入大地，直流电流回路上的大地将产生电位梯度。如果两个变电站均有变压器中性点接地并且其直流地电位有差异，直流电流将以变压器、大地和输电线为回路，从电位高的变压器中性点流出，从电位低的变压器中性点流进。

1.3 直流杂散电流

杂散电流是指在设计或规定回路以外流动的电流。直流杂散电流主要来源于轨道交通等直流电气化铁路、冶炼厂等直流电解系统和直流电焊系統等直流负荷。直流杂散电流的流动导致回路上的大地产生电位梯度，不同电位梯度上的接地变压器中性点将流过直流电流。

2 直流偏磁对变压器的影响

2.1 振动和噪音加剧

当变压器中性点流入或流出直流电流时，直流电流将在铁芯中产生直流磁通，直流磁通与交流磁通叠加，使得一个半周的磁通大大增加，铁芯饱和，而另外一个半周磁通减小。由于励磁电流与磁通间的非线性关系，磁通的增加将使励磁电流波形畸变，出现“尖顶波”，因而电流中将出现直流分量、奇次谐波与偶次谐波。磁通和电流的增加将使变压器振动和噪音加剧，严重时可能导致部件松动，甚至导致放电、短路等严重后果。

（1）铁芯硅钢片磁致伸缩。由于S=（B2），其中S为硅钢片应变，B为磁感应强度。因此磁通的增加将使得硅钢片磁致伸缩加强，铁芯振动加剧。同时从公式也可以看出磁致伸缩引起的振动周期是2倍工频，即100Hz。

（2）硅钢片接缝处、叠片间电磁吸引力。硅钢片接缝处、叠片间由于存在漏磁通引起的电磁吸引力，随着漏磁通的增加而使铁芯振动加剧。但随着变压器制造工艺的进步、铁心叠压方式的改进和铁心柱、铁扼采用无纬环氧玻璃粘带绑扎，使得硅钢片接缝处、叠片间电磁吸引力引起的振动较小[1]。

（3）绕组电动力。在漏磁通的作用下，流过电流的变压器绕组将承受电动力的作用。漏磁通的增加将使绕组承受电动力增加，绕组及其相连的变压器部件振动加剧。

2.2 变压器损耗增加、温度升高

直流偏磁时励磁电流增加，导致铜损增加。磁通密度的增加将导致磁滞损耗和涡流损耗的增加，同时引起绕组、铁芯和附件等发热。温度的升高可能使得变压器效率降低、热老化加速和寿命降低。

3 变压器直流偏磁的抑制方法

变压器直流偏磁的抑制措施分为外部措施和内部措施。

3.1 外部措施

（1）交流线路上串联电容。直流电流通过接地变、大地和交流线路构成回路，利用电容“通交隔直”的特性，在交流线路中串联电容可以隔断直流电流的流通。但是串联电容后改变了线路的阻抗值，系统继电保护及自动化装置的整定值需要重新校核。由于系统中存在自耦变压器，直流分流可以流入另一个电压等级，所以需要在各个电压等级的每回出线上装设串联电容，成本较高。

（2）变压器中性点串接电容。同样利用电容“通交隔直”的特性，在变压器中性点与地之间串接电容也可抑制直流偏磁现象。该方法同样能完全阻隔直流分量在变压器中的流动，但该方法改变了系统零序阻抗，继电保护整定值需要重新校核。同时，系统发生单相接地故障时，中性点可能产生较高的暂态电压。因此需要在电容两端并联电流旁路保护装置，以降低暂态电压保护电容。

（3）变压器中性点串联小电阻接地。存在直流电位差的两个变电站，当变压器中性点串联小电阻接地时，直流电流更多经过大地通路流过，流过变压器直流电流减小。但该方法只能减小直流电流，无法隔断所有直流电流；中性点电阻的串入改变了系统零序阻抗，继电保护的相关整定值需要重新计算；同时如果系统运行方式改变，电阻值需要重新选择[2]。

3.2 内部措施

（1）变压器中性点注入反向直流电流。通过监测中性点的直流电流，利用补偿接地极往中性点注入大小相同方向相反的直流电流，使得流进变压器的直流电流为零。该方法不影响零序阻抗等系统参数，但结构复杂，适合于直流电流稳定的情况。

（2）自激补偿法。自激补偿法的原理是变压器生产时增加一个附加绕组，通过检测变压器中直流磁通的大小和方向，使得附加绕组产生大小相同方向相反的直流磁通。使得变压器中直流磁通为零。但该方法需要改变变压器结构，增加变压器设计与制造成本[3]。

4 结论

近年来，随着高压直流换流站、金属冶炼厂和轨道交通系统逐渐增多，直流偏磁导致的变压器振动等现象日趋严重。本文分析了直流偏磁的原因，主要有地磁暴、高压直流输电和直流杂散电流；从铁芯磁致伸缩、硅钢片间电磁吸引力和绕组电动力的角度分析直流偏磁对电力变压器的影响，最后总结了抑制直流偏磁现象的措施。

参考文献：

[1]顾晓安，沈荣瀛，徐基泰.大型电力变压器振动和噪声控制方法研究[J].噪声与振动控制，2001，21（05）：7-11.

[2]张露，阮羚，潘卓洪等.变压器直流偏磁抑制设备的应用分析[J]. 电力自动化设备，2013，33（09）：151-156.

[3]张师赫，苏帅，刘青.单相变压器直流偏磁及抑制措施分析[J]. 电气技术，2016，17（04）：25-28.

作者简介：郭超（1988-），男，四川眉山人，博士，工程师，主要从事高压电气设备绝缘状态评估及其方法研究。