叶立刚++喻明华++贺建军

摘 要：直流偏磁是影响变压器正常工作运行的一种典型现象。在分析变压器直流偏磁产生机理的基础上，认为直流输电系统入地电流是产生直流偏磁的主要影响因子。采用开发的直流偏磁带电测试仪和直流偏磁在线监测系统对蒙东地区的变压器中性点直流分量进行了测试。结果表明，蒙东地区变压器中性点直流分量已影响变压器的正常运行。

关键词：变压器 直流偏磁 中性点电流 带电检测 在线监测 蒙东地区 影响

中图分类号：TM727 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（a）-0063-04

为进一步提高“西电东送”的输电能力，促进“南北互联、全国联网”，我国规划建设了一系列高压直流输电工程，其中包括多条±800 kV的特高压直流输电工程[1-2]。但随着直流输电工程覆盖面积的增大，其对现有交流输电系统的不利影响也渐渐显著起来。其中，交流输电系统中的变压器受直流输电影响产生的直流偏磁现象已愈发普遍，造成的危害亦愈发明显。现亟需研究变压器直流偏磁的产生机理并采取抑制其危害的措施与方法。

随着呼伦贝尔——辽宁±500 kV直流工程的建设与投运，蒙东地区的变压器已经受到直流线路入地直流电流的影响，变压器的故障率也在升高。本文以蒙东地区电网为研究对象，针对直流输电单极大地方式运行和双极金属回线方式运行的两种情况，使用变压器直流偏磁检测仪分别对蒙东地区的500 kV和220 kV变压器中性线上的直流电流和变压器本体振动进行了检测，得到了蒙东地区变压器直流偏磁现象的相关规律和特点。

1 变压器直流偏磁的产生及危害

1.1 变压器的直流偏磁现象及危害

变压器的直流偏磁是指在变压器励磁电流中出现了直流分量，产生直流磁通，导致变压器铁心磁化曲线不对称（半周磁饱和），以及由此引起的一系列电磁效应。变压器直流偏磁时，对变压器本身将使其铁芯磁通深度饱和、励磁电流高度畸变、谐波大量产生、噪声明显增大、金属构件损耗增大、无功损耗增加，严重时可能会引发局部过热破坏绝缘，导致变压器损坏[4-5]。对于电网将引起系统电压下降、继电保护误动作、远程监测报警等。

1.2 直流输电系统单极运行产生直流偏磁

利用大地作为回流电路是直流输电的重要特点之一，且单极大地回路已成为直流输电系统的一种不可避免的运行方式[3]。当直流输电系统采用单极大地运行时，直流输电系统中的直流电流流过接地极并流入大地，会在流经的路径上产生直流电位差。此电位差驱动直流电流通过由一个变压器中性点、交流输电线路及另一台变压器中性点构成的回路，使直流电流与交流电流相互叠加共同磁化铁心，进而使励磁电流发生畸变，正负半周的磁通明显不对称，工作点发生偏移，加剧铁心饱和。于是，变压器的直流偏磁产生。

1.3 地磁暴引发直流偏磁

当地磁场与太阳风相互影响时，将产生地磁暴，并在地球表面产生电位梯度，引起电磁感应电流[6-7]。此电流频率极低，可近似看作直流。与直流单极运行类似，变压器的直流偏磁产生。

然而，地磁场的剧烈变化情况较少，且地磁变化所产生的感应电流与变压器和地磁暴的相对地理位置、地磁暴的强度等有关，产生的时间也短。因此，变压器的直流偏磁问题主要由直流输电系统采用单级运行时的大电流入地产生。

1.4 直流偏磁引发变压器振动与噪声

变压器所产生的振动与噪声主要是由于变压器在非正常工作条件下，励磁电流产生的磁场使磁致伸缩，造成铁心硅钢片反复震动。直流偏磁会使励磁电流畸变，磁致伸缩效应明显，铁心硅钢片震动幅度增大，变压器噪声增加。而长期不正常运行又会加快硅钢片的老化和损坏，形成恶性循环。

1.5 变压器直流偏磁的判断

电力系统针对于变压器（电抗器）本体状态量的评价标准[8]中指出，变压器中性点直流电流须小于3 A。当检测到的中性点直流电流超过3 A，则可认为该变压器受到了直流偏磁影响。

2 变压器直流偏磁的检测

直流偏磁的检测可采用带电检测或在线监测中性点直流电流的方法，以判断其内部绝缘的劣化，起到故障早期预报的作用。具体采用电测法，即在不改变原设备接线的情况下，将信号取样点选择在变压器中性点接地引出线处，直接测量，显示变压器运行状态下的直流电流值。

2.1 直流偏磁的带电检测

笔者开发出直流偏磁带电测试仪对运行变压器中性点直流电流值进行测量。该测试仪由主机、测量用卡钳、测试及通讯线及电源适配器组成；测量范围为1～30 A、精度1级；可采用锂电池备用电源或220 VAC/50 Hz进行供电。研究所用直流偏磁带电测试仪的硬、软件系统界面如图1所示。

仪器配置包括仪器主机一台；电压信号测试线一套（引出线长4 m）；电流信号测试线一套（引出线长4 m）；电源适配器一套；通讯线一根；锉刀及绝缘手套等工具一套。

测试前，先将两只鳄鱼夹短接，进行初始化采集板及传感器校零操作。测量时，仪器所带两根电压信号测试线终端鳄鱼夹按表1尺寸分别夹紧中性点接地引出线，测试线另一端连接到仪器面板电压信号+和电压信号-航插。测量中需要注意的是，为了消除接触电阻，在测量时应处理好被测点接触面。

该仪器每秒钟采集两个通道的数据，可连续完成30 min采集操作。采用移动笔记本电脑安装研制开发的对应数据软件，如图1（b）所示。软件收集测试得到的模拟信号并进行A/D转换，最终通过软件进行数据处理，并以Excel表或图形方式显示。

2.2 直流偏磁的在线监测

笔者开发出一套直流偏磁在线监测系统。该系统用于变压器运行中，实时监测中性点的直流分量。系统采用霍尔传感器，包括采集传感器、就地屏柜（里面放置各个IED，交换机，电源灯）、后台装置。主要采集变压器的中性点直流分量、振动、噪声及环境温湿度等。系统结构如图2所示。endprint

选用的霍尔传感器在其测量范围内（DC-30A～DC30A）的输出直流电流与输入电流具有较好的线性关系，且完全不受交流电流的影响。这就保证了监测到的电流为偏磁直流而非零序电流。

根据现场变压器中性点接地引出线安装方式，信号取样有两种方式，即在接地排上取一段长度的排作为信号取样电阻，取样电阻上流过直流电流产生的压降直接连接到信号采集单元；或采用零磁通电流传感器完成信号变换，传感器输出电流信号连接到信号采集单元。

监测终端中的设计考量，为完成小信号直流电压或直流电流信号采集，信号调理电路采用差分输入，A/D转换电路采用了4位半双积分方式的转换芯片，转换精度可达到十万分之五，其对工频干扰有很强的抑制力；为减小温度对有源放大电路的影响，电路配置有自动校零功能，可完全消除环境因素对测量数据的干扰；为保证系统可靠工作，采集板在输入通道配置有过压及静电防护电路，并且信号采集回路与远传的通讯回路完全隔离，绝缘强度可满足1500 V；为实现数据远传及测量控制功能采集板提供标准的RS-485接口。

现场安装调试如图3所示。

3 蒙东地区直流偏磁的检测实例

3.1 蒙东地区的电网分布概况

2009年6月29日，国家电网蒙东电力公司正式挂牌成立。蒙东电网位于内蒙古自治区的东部，与东北三省相邻，分为呼伦贝尔电网、兴安电网、通辽电网和赤峰电网，主线路拓扑结构参见图4。

目前，蒙东电网尚未形成统一的电网。赤峰电网和通辽电网联入辽宁和吉林电网，呼伦贝尔电网通过友好——伊敏——伊敏电厂——冯屯线路实现与东北主网联网运行；兴安盟电网分两部分，一部分由呼伦贝尔电网供电，另一部分由通辽电网供电。具体为蒙东电网经2回伊敏电厂——冯屯变500千伏线路与黑龙江省电网相连，经3回220千伏线路（宝龙山——长岭，通辽厂——双辽，通辽——巨丰）与吉林省电网相接，经4回500千伏和1回220千伏线路（2回科尔沁——沙岭，2回青山——燕南，1回宁城——建平）与辽宁电网相连。

目前蒙东电网直流输电线路有±500千伏呼伦贝尔——辽宁线、至2015年将建成±800千伏巴彦托海——山东直流输电工程。

3.2 蒙东地区检测方案和结果

选择在蒙东地区进行直流偏磁带电测试与在线监测系统试运行，对赤峰、通辽、呼伦贝尔和兴安地区的500 kV和220 kV变压器中性点的直流电流、噪声以及电网谐波进行了普测。因篇幅所限，择典型者列出。

检测变压器中性点的直流电流（直流单极），以海拉尔地区所辖变压器为例，于2010年5月24日至27日对宝日希勒、海东、友好等线路变压器进行检测，测得的直流分量如表2所示，分布如图5所示。

检测变压器的振动与噪声（直流双极），以通辽地区所辖变压器为例，分布如图6所示。

从检测效果上看，所用仪器设备能检测出明显的中性点直流分量。从检测数值上看，所检测得到的中性点直流分量跟蒙东地区直流线路接地极入地电流的大小相关。直流双极运行时的数据在0.2 A以下，对变压器的影响不大。直流单极运行时检测得到的数据一般不超过10 A，变压器已相应出现励磁电流和工作电流的波形出现不对称现象，从而造成变压器出现了较严重的噪声和振动，同时，由于金属构件中的涡流密度增大，变压器还出现了局部过热，绕组温度过高的现象。

4 结语

（1）随着直流输电系统的辐射范围增加，变压器直流偏磁的危害呈加剧的趋势，应引起足够的重视。

（2）采用开发的直流偏磁带电测试仪及直流偏磁在线监测系统可完成变压器的直流偏磁检测工作。实测数据与观测现象支持了变压器直流偏磁机理的研究成果。

（3）在直流偏磁状态下，蒙东地区变压器的励磁电流波形发生改变，出现了变压器的损耗增加、金属结构件局部过热，振动引起的噪声增大等现象。

参考文献

[1] 刘振亚.智能电网技术[M].北京：中国电力出版社，2010.

Liu Zhenya，Smart Grid Technology[M].Beijing：China Electric Power Press，2010.

[2] 刘振亚.特高压电网[M].北京：中国经济出版社，2006.

Liu Zhenya.Ultra-high voltage grid[M].Beijing：China Economy Press，2006.

[3] 梅桂华，梁文进，刘艳村，等.变压器直流偏磁电流阻容抑制装置的开发应用[J].高电压技术，2009，35（10）：2581-2585.

Mei Guihua，Liang Wenjin，Liu Yancun，Sun Yuanzhang，etc. Development of the DC current blocking device in capacitor-resistor for Transformer[J].High Voltage Engineering，2009，35（10）： 2581-2585.

[4] P.Picher，L.Bolduc，V.O.Pham. Study of the acceptable DC current limit in core-from power transformers[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1997，12（1）：257-263.

[5] 蒋伟，黄震，胡灿，朱康，等.变压器接小电阻抑制直流偏磁的网络优化配置[J]. 中国电机工程学报，2009，29（16）：89-94

Jiang Wei，Huang Zhen，Hu Can，Zhu Kang，etc.Optimized network configuration of small resistances to limit DC bias current of transformers[J]. Proceedings of the CSEE，2009， 29（16）：89-94

[6] A.P.Sakis，Meliopoulos，Elias N.Glytsis.Comparison of SS-GIC and MHD-EMP-GIC effects on power systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery， 1994，9（1）：194-207.

[7] Ramsis S.Girgis，Chung-Duck Ko.Calculation techniques and results of effects of GIC currents as applied to two large power transformers[J].IEEE Trans.on Power Delivery，1992，7（2）：699-705.

[8] 浙江省电力公司.油浸试变压器（电抗器）状态评价导则[S].Q/GDW-11-106-2010，2010.

ZheJiang Electric Power Company.State evaluation guidelines on oil-immersed transformer （or reactor）[S].Q/GDW-11-106-2010，2010.endprint

选用的霍尔传感器在其测量范围内（DC-30A～DC30A）的输出直流电流与输入电流具有较好的线性关系，且完全不受交流电流的影响。这就保证了监测到的电流为偏磁直流而非零序电流。

根据现场变压器中性点接地引出线安装方式，信号取样有两种方式，即在接地排上取一段长度的排作为信号取样电阻，取样电阻上流过直流电流产生的压降直接连接到信号采集单元；或采用零磁通电流传感器完成信号变换，传感器输出电流信号连接到信号采集单元。

监测终端中的设计考量，为完成小信号直流电压或直流电流信号采集，信号调理电路采用差分输入，A/D转换电路采用了4位半双积分方式的转换芯片，转换精度可达到十万分之五，其对工频干扰有很强的抑制力；为减小温度对有源放大电路的影响，电路配置有自动校零功能，可完全消除环境因素对测量数据的干扰；为保证系统可靠工作，采集板在输入通道配置有过压及静电防护电路，并且信号采集回路与远传的通讯回路完全隔离，绝缘强度可满足1500 V；为实现数据远传及测量控制功能采集板提供标准的RS-485接口。

现场安装调试如图3所示。

3 蒙东地区直流偏磁的检测实例

3.1 蒙东地区的电网分布概况

2009年6月29日，国家电网蒙东电力公司正式挂牌成立。蒙东电网位于内蒙古自治区的东部，与东北三省相邻，分为呼伦贝尔电网、兴安电网、通辽电网和赤峰电网，主线路拓扑结构参见图4。

目前，蒙东电网尚未形成统一的电网。赤峰电网和通辽电网联入辽宁和吉林电网，呼伦贝尔电网通过友好——伊敏——伊敏电厂——冯屯线路实现与东北主网联网运行；兴安盟电网分两部分，一部分由呼伦贝尔电网供电，另一部分由通辽电网供电。具体为蒙东电网经2回伊敏电厂——冯屯变500千伏线路与黑龙江省电网相连，经3回220千伏线路（宝龙山——长岭，通辽厂——双辽，通辽——巨丰）与吉林省电网相接，经4回500千伏和1回220千伏线路（2回科尔沁——沙岭，2回青山——燕南，1回宁城——建平）与辽宁电网相连。

目前蒙东电网直流输电线路有±500千伏呼伦贝尔——辽宁线、至2015年将建成±800千伏巴彦托海——山东直流输电工程。

3.2 蒙东地区检测方案和结果

选择在蒙东地区进行直流偏磁带电测试与在线监测系统试运行，对赤峰、通辽、呼伦贝尔和兴安地区的500 kV和220 kV变压器中性点的直流电流、噪声以及电网谐波进行了普测。因篇幅所限，择典型者列出。

检测变压器中性点的直流电流（直流单极），以海拉尔地区所辖变压器为例，于2010年5月24日至27日对宝日希勒、海东、友好等线路变压器进行检测，测得的直流分量如表2所示，分布如图5所示。

检测变压器的振动与噪声（直流双极），以通辽地区所辖变压器为例，分布如图6所示。

从检测效果上看，所用仪器设备能检测出明显的中性点直流分量。从检测数值上看，所检测得到的中性点直流分量跟蒙东地区直流线路接地极入地电流的大小相关。直流双极运行时的数据在0.2 A以下，对变压器的影响不大。直流单极运行时检测得到的数据一般不超过10 A，变压器已相应出现励磁电流和工作电流的波形出现不对称现象，从而造成变压器出现了较严重的噪声和振动，同时，由于金属构件中的涡流密度增大，变压器还出现了局部过热，绕组温度过高的现象。

4 结语

（1）随着直流输电系统的辐射范围增加，变压器直流偏磁的危害呈加剧的趋势，应引起足够的重视。

（2）采用开发的直流偏磁带电测试仪及直流偏磁在线监测系统可完成变压器的直流偏磁检测工作。实测数据与观测现象支持了变压器直流偏磁机理的研究成果。

（3）在直流偏磁状态下，蒙东地区变压器的励磁电流波形发生改变，出现了变压器的损耗增加、金属结构件局部过热，振动引起的噪声增大等现象。

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[4] P.Picher，L.Bolduc，V.O.Pham. Study of the acceptable DC current limit in core-from power transformers[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1997，12（1）：257-263.

[5] 蒋伟，黄震，胡灿，朱康，等.变压器接小电阻抑制直流偏磁的网络优化配置[J]. 中国电机工程学报，2009，29（16）：89-94

Jiang Wei，Huang Zhen，Hu Can，Zhu Kang，etc.Optimized network configuration of small resistances to limit DC bias current of transformers[J]. Proceedings of the CSEE，2009， 29（16）：89-94

[6] A.P.Sakis，Meliopoulos，Elias N.Glytsis.Comparison of SS-GIC and MHD-EMP-GIC effects on power systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery， 1994，9（1）：194-207.

[7] Ramsis S.Girgis，Chung-Duck Ko.Calculation techniques and results of effects of GIC currents as applied to two large power transformers[J].IEEE Trans.on Power Delivery，1992，7（2）：699-705.

[8] 浙江省电力公司.油浸试变压器（电抗器）状态评价导则[S].Q/GDW-11-106-2010，2010.

ZheJiang Electric Power Company.State evaluation guidelines on oil-immersed transformer （or reactor）[S].Q/GDW-11-106-2010，2010.endprint

选用的霍尔传感器在其测量范围内（DC-30A～DC30A）的输出直流电流与输入电流具有较好的线性关系，且完全不受交流电流的影响。这就保证了监测到的电流为偏磁直流而非零序电流。

根据现场变压器中性点接地引出线安装方式，信号取样有两种方式，即在接地排上取一段长度的排作为信号取样电阻，取样电阻上流过直流电流产生的压降直接连接到信号采集单元；或采用零磁通电流传感器完成信号变换，传感器输出电流信号连接到信号采集单元。

监测终端中的设计考量，为完成小信号直流电压或直流电流信号采集，信号调理电路采用差分输入，A/D转换电路采用了4位半双积分方式的转换芯片，转换精度可达到十万分之五，其对工频干扰有很强的抑制力；为减小温度对有源放大电路的影响，电路配置有自动校零功能，可完全消除环境因素对测量数据的干扰；为保证系统可靠工作，采集板在输入通道配置有过压及静电防护电路，并且信号采集回路与远传的通讯回路完全隔离，绝缘强度可满足1500 V；为实现数据远传及测量控制功能采集板提供标准的RS-485接口。

现场安装调试如图3所示。

3 蒙东地区直流偏磁的检测实例

3.1 蒙东地区的电网分布概况

2009年6月29日，国家电网蒙东电力公司正式挂牌成立。蒙东电网位于内蒙古自治区的东部，与东北三省相邻，分为呼伦贝尔电网、兴安电网、通辽电网和赤峰电网，主线路拓扑结构参见图4。

目前，蒙东电网尚未形成统一的电网。赤峰电网和通辽电网联入辽宁和吉林电网，呼伦贝尔电网通过友好——伊敏——伊敏电厂——冯屯线路实现与东北主网联网运行；兴安盟电网分两部分，一部分由呼伦贝尔电网供电，另一部分由通辽电网供电。具体为蒙东电网经2回伊敏电厂——冯屯变500千伏线路与黑龙江省电网相连，经3回220千伏线路（宝龙山——长岭，通辽厂——双辽，通辽——巨丰）与吉林省电网相接，经4回500千伏和1回220千伏线路（2回科尔沁——沙岭，2回青山——燕南，1回宁城——建平）与辽宁电网相连。

目前蒙东电网直流输电线路有±500千伏呼伦贝尔——辽宁线、至2015年将建成±800千伏巴彦托海——山东直流输电工程。

3.2 蒙东地区检测方案和结果

选择在蒙东地区进行直流偏磁带电测试与在线监测系统试运行，对赤峰、通辽、呼伦贝尔和兴安地区的500 kV和220 kV变压器中性点的直流电流、噪声以及电网谐波进行了普测。因篇幅所限，择典型者列出。

检测变压器中性点的直流电流（直流单极），以海拉尔地区所辖变压器为例，于2010年5月24日至27日对宝日希勒、海东、友好等线路变压器进行检测，测得的直流分量如表2所示，分布如图5所示。

检测变压器的振动与噪声（直流双极），以通辽地区所辖变压器为例，分布如图6所示。

从检测效果上看，所用仪器设备能检测出明显的中性点直流分量。从检测数值上看，所检测得到的中性点直流分量跟蒙东地区直流线路接地极入地电流的大小相关。直流双极运行时的数据在0.2 A以下，对变压器的影响不大。直流单极运行时检测得到的数据一般不超过10 A，变压器已相应出现励磁电流和工作电流的波形出现不对称现象，从而造成变压器出现了较严重的噪声和振动，同时，由于金属构件中的涡流密度增大，变压器还出现了局部过热，绕组温度过高的现象。

4 结语

（1）随着直流输电系统的辐射范围增加，变压器直流偏磁的危害呈加剧的趋势，应引起足够的重视。

（2）采用开发的直流偏磁带电测试仪及直流偏磁在线监测系统可完成变压器的直流偏磁检测工作。实测数据与观测现象支持了变压器直流偏磁机理的研究成果。

（3）在直流偏磁状态下，蒙东地区变压器的励磁电流波形发生改变，出现了变压器的损耗增加、金属结构件局部过热，振动引起的噪声增大等现象。

参考文献

[1] 刘振亚.智能电网技术[M].北京：中国电力出版社，2010.

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[2] 刘振亚.特高压电网[M].北京：中国经济出版社，2006.

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[3] 梅桂华，梁文进，刘艳村，等.变压器直流偏磁电流阻容抑制装置的开发应用[J].高电压技术，2009，35（10）：2581-2585.

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[4] P.Picher，L.Bolduc，V.O.Pham. Study of the acceptable DC current limit in core-from power transformers[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1997，12（1）：257-263.

[5] 蒋伟，黄震，胡灿，朱康，等.变压器接小电阻抑制直流偏磁的网络优化配置[J]. 中国电机工程学报，2009，29（16）：89-94

Jiang Wei，Huang Zhen，Hu Can，Zhu Kang，etc.Optimized network configuration of small resistances to limit DC bias current of transformers[J]. Proceedings of the CSEE，2009， 29（16）：89-94

[6] A.P.Sakis，Meliopoulos，Elias N.Glytsis.Comparison of SS-GIC and MHD-EMP-GIC effects on power systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery， 1994，9（1）：194-207.

[7] Ramsis S.Girgis，Chung-Duck Ko.Calculation techniques and results of effects of GIC currents as applied to two large power transformers[J].IEEE Trans.on Power Delivery，1992，7（2）：699-705.

[8] 浙江省电力公司.油浸试变压器（电抗器）状态评价导则[S].Q/GDW-11-106-2010，2010.

ZheJiang Electric Power Company.State evaluation guidelines on oil-immersed transformer （or reactor）[S].Q/GDW-11-106-2010，2010.endprint