分析直流偏磁现象对变压器的危害
1﹑分析直流偏磁的来源
直流偏磁是指变压器的一种非正常工作状态，是指在变压器励磁电流中出现了直流分量。直流偏磁的产生有很多原因，太阳磁暴也是其中的一种，直流偏磁将导致变压器的温度升高﹑噪声增加和振动加剧等，在变压器运行中必须引起注意。在线运行的变压器绕组内产生较大的直流原因，可以由如下原因引起。
(1)太阳等离子风的动态变化与地磁场相互作用产生的地磁"风暴"。地磁场的变化将在地球表面诱发电位梯度，其大小取决于地面电导率和地磁风暴的严重程度，当这一低频且具有一定持续时间的电场作用于中性点接地的电力变压器时，将在绕组中诱发地磁感应电流，其频率在0.01~1Hz 之间，与50Hz 的交流系统相比较，可以近似看成直流。其值较大，但持续时间短。
(2)直流输电线路与交流输电线路的并行运行或交流网络中存在电压电流关系曲线不对称的负载。直流输电系统常常采用单极运行方式，因为可以利用大地这个良导体，省去一根导线而节约成本。由于地下长期有大的直流电流流过，因而在其换流站周围一定区域中会产生地表电流，与其并行运行的交流输电系统变电站中的变压器如果距离换流站不远，就会受到干扰，这种干扰作用的直接表现就是通过交流变压器的接地中性点在交流变压器的励磁电流中产生直流分量。其值大小与直流输电线路单极运行时的负荷大小正相关，持续时间也与直流输电线路单极运行时间同步。
(3)城市轨道交通。大城市的地铁、轨道交通和一些矿山小火车大多采用直流电驱动车辆，这些轨道交通的直流电源用大地作为其中的一极，类似直流输电的单极运行，对城市的110kV 以上的变压器造成直流偏磁。其值一般比较小，波动频繁;持续时间与城铁运行时间同步。
(4)双极两端中性点接地直流换流站接线方式广泛运用到远距离的高压直流输电领域中。虽然正常运行时两极电流相等，地回路中的电流为零，但是只要是运行过程中两极的电流不相等(采用单极运行、双极电压对称，电流不对称或者双极电流电压均不对称方式运行)，接地极都会有电流流过，在直流输电线路和大地间形成回路。在我国，110kV 及以上电压等级系统中性点采取直接接地。如果处于不同地点的变电站的中性点电位被不同程度的抬高，则直流电流将通过大地和交流线路，由一个变电站(变压器中性点)流入，在另一个变电站(变压器中性点)流出。直流电压最高点位于接地极，电压的大小取决于流入接地的电流与接地电阻。
(5)由于土壤电阻分布径向不均，如果接地极附近有变压器中性点接地的变电所，地下金属导管或铠装电缆等金属设施，由于这些设施可能给地电流提供了比大地土壤更为良好的导电通道，因此一部分电流将沿着并通过这些设施流向远方。这样就造成不能通过计算确定各个变电站中性点电位的抬高，从理论上计算流入各个中性点的直流电流很难准确，此电流一般只能通过实测得到。
2﹑实测直流偏磁结果
我们使用西安天城电力仪器设备公司研发的变压器直流偏磁测试仪，对变电站多台有异常的变压器中心点实测出直流电流值，从现场监测的数据分析得出，变压器的振动噪声与谐波随着中性点直流电流的增加而增大，这一现象可以用大家熟悉的变压器铁心饱和磁化特性来解释：因为变压器的主磁通接近正弦波，根据磁化曲线的饱和特性，能理解直流电流对变压器励磁电流的影响：
(1)当变压器绕组无直流分量，励磁电流i(t)工作在磁化曲线的直线段，此时若铁芯中磁通为正弦波，励磁电流也是正弦波。
(2)当中性点电压被抬升Ф´时，变压器绕组中有直流电流流过，由于直流电流的偏磁影响，可能使励磁电流工作在磁化曲线的饱和区，导致励磁电流的正半波出现尖顶负半波可能是正弦波的一部分。
(3)当变压器中性点电压数值被抬高的越多，励磁电流畸变程度越大。
(4)直流偏磁引起变压器励磁电流畸变产生，在变压器各侧产生谐波。而对谐波进行傅立叶变换可分解出各次谐波。三倍频谐波属于零序电流，1、4、7、10…次谐波为正序电流，2、5、8、11…次谐波为负序电流。在电网中，很多变压器都受到了直流偏磁电流的影响，使得运行中部分变压器振动加剧，噪声增加。受到影响的变压器有的是在换流器直流接地极附近，有的却是远离直流接地极。事件初期，曾经怀疑主要是换流站的谐波电流所致，之后逐渐
将注意点集中到中性点接地变压器的直流偏磁上，为了验证这些变压器正是受到了直流偏磁的影响，对在运行中多次出现有异常的变压器，如500kv 直流输电开始单极对地调试和试运行以来，武南两组500kv 主变压器都出现噪声大幅度上升(达20dB)的问题，经过测试，该变电所以及周边500kv 和220kv 变电所变压器中性点都出现了直流电流。以武南500kv 变压器受到的影响为最大，其直流电流数值达到了12.8A。这是由于直流输电线路采用单极对地运行方式时，直流电流通过大地分流进入交流电网所致。根据天广输电线路、500kv 武南变电所和500kv 上河变电所的现场实测数据以及部分理论计算和模拟试验的结果是一致的。
3﹑直流偏磁对于变压器的危害
通过理论分析和实际监测证实，直流偏磁是危害变压器主要原因，其励磁电流增大，加剧了变压器的谐波、过热、噪声和振动等现象，由于励磁电流进入了磁化曲线的饱和区，使得变压器铁芯和空气的磁导率接近，从而导致变压器的漏磁大大增加。变压器漏磁通会穿过连接片、夹件、油箱等构件，并在其中产生涡流产生发热现象危害绝缘。再有直流偏磁产生的谐波可能被电力电容器组放大，流入变压器中性点的直流电流的足以让变电站地网产生严重腐蚀。限制直流偏磁电流的措施，对于确保变压器的安全运行有积极的意义。
西安天城电力仪器设备公司
王登第
2021 年11 月02 日
