變壓器直流偏磁電流監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用淺析

王建波

內(nèi)蒙古國華呼倫貝爾發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021025

變壓器直流偏磁電流監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用淺析

王建波

內(nèi)蒙古國華呼倫貝爾發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021025

隨著我國電力事業(yè)的不斷發(fā)展，直流輸電系統(tǒng)應(yīng)用的范圍逐漸增大，受電磁感應(yīng)電流、直流輸電系統(tǒng)接地極電流等因素的影響，導(dǎo)致電網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)的變壓器經(jīng)常出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象，對變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了十分不利的影響，進(jìn)而對整個電力系統(tǒng)產(chǎn)生極大的危害。因此，研究變壓器直流偏磁電流監(jiān)測技術(shù)具有重要的意義。基于此，筆者結(jié)合自己的工作經(jīng)驗(yàn)談一談變壓器直流偏磁電流監(jiān)測技術(shù)的有關(guān)問題，首先分析直流偏磁出現(xiàn)的原因以及直流偏磁對變壓器造成的影響，其次分析直流偏磁相關(guān)的監(jiān)測技術(shù)，最后嘗試設(shè)計(jì)出一種高效的監(jiān)測裝置，希望可以為有關(guān)領(lǐng)域的研究提供一些參考和幫助，促進(jìn)電網(wǎng)內(nèi)的變壓器正常、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

變壓器；直流偏磁；電流監(jiān)測技術(shù)；應(yīng)用

伴隨著社會和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國現(xiàn)代化建設(shè)水平的不斷提高，對電力的需求量大幅度增加，并且對電力資源的依賴性也逐漸增強(qiáng)，帶動了電力事業(yè)的發(fā)展，使我國的電力事業(yè)發(fā)展迅猛，取得了輝煌的成就。目前，我國電力企業(yè)對直流輸電系統(tǒng)的投產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，這主要是因?yàn)橹绷鬏旊娤到y(tǒng)輸送的距離較遠(yuǎn)、容量較大，并且利用直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行輸電還有控制靈活的特點(diǎn)，因此受到電力單位的歡迎，應(yīng)用的范圍越來越廣，但是由于我國電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在交、直流混合運(yùn)行的情況下，容易出現(xiàn)變壓器直流偏磁現(xiàn)象，對變壓器造成不利的影響，導(dǎo)致供電質(zhì)量降低。在這種情況下，加強(qiáng)對變壓器直流偏磁的在線監(jiān)測技術(shù)的研究至關(guān)重要，而對變壓器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測，就需要使用有效的電流監(jiān)測技術(shù)，就需要在變壓器中性線上安裝直流電流監(jiān)測裝置，以實(shí)現(xiàn)就地和遠(yuǎn)端在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，進(jìn)而為及時(shí)的解決變壓器直流偏磁問題提供重要的依據(jù)，保證變壓器正常、安全運(yùn)行。因此，加強(qiáng)對變壓器直流偏磁電流監(jiān)測技術(shù)有關(guān)問題的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 直流偏磁對變壓器的影響作用分析

1.1 變壓器直流偏磁現(xiàn)象產(chǎn)生的原因

變壓器直流偏磁現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：我國電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，屬于交流電和直流電混合運(yùn)行的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在這種電網(wǎng)結(jié)構(gòu)之下，交流電和直流電輸電系統(tǒng)兩者之間就會相互影響，并且相互影響的程度還較大，這時(shí)候當(dāng)直流輸電系統(tǒng)處于單極大地或者雙極不平衡運(yùn)行的狀態(tài)時(shí)，直流電流就可以通過接地極注入大地，而注入地中的直流電流又可以進(jìn)入變壓器，當(dāng)直流電流經(jīng)過變壓器的繞組時(shí)，直流磁通就會產(chǎn)生，從而對勵磁電流產(chǎn)生重大的影響，導(dǎo)致勵磁電流的正負(fù)半周出現(xiàn)不對稱的情況，加劇變壓器鐵芯磁密的飽和度，從而對整個交流系統(tǒng)產(chǎn)生十分不利的影響，導(dǎo)致交流系統(tǒng)出現(xiàn)變壓器直流偏磁的情況[1]。

1.2 直流偏磁現(xiàn)象對變壓器的影響

1.2.1 變壓器出現(xiàn)局部過熱的情況

一旦變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象，將會導(dǎo)致變壓器在高度飽和的狀態(tài)下持續(xù)運(yùn)行，從而導(dǎo)致變壓器產(chǎn)生大量的漏磁通，而這些磁通會通過變壓器鐵芯以及鐵芯以外的鐵質(zhì)材料傳導(dǎo)出去，如夾件、螺栓、連接片等，這些元件的磁阻較低，因此容易通過，從而形成一個通路，并且在傳導(dǎo)的過程中會出現(xiàn)渦流損耗，進(jìn)而導(dǎo)致變壓器局部的溫度不斷升高，長時(shí)間的過熱情況，會導(dǎo)致變壓器損毀而無法正常工作[2]。

1.2.2 變壓器的噪聲和震動加大

變壓器出現(xiàn)噪聲和震動情況是直流偏磁對變壓器產(chǎn)生的重要影響，噪聲主要是由于變壓器內(nèi)的勵磁電流增加導(dǎo)致，對周圍居民的正常生活和休息產(chǎn)生了十分不利的影響。和噪聲相比，震動對變壓器產(chǎn)生的損害更加嚴(yán)重，噪聲只是對周圍的居民噪聲影響，而持續(xù)的高速震動會導(dǎo)致變壓器本身的各種元件出現(xiàn)松動的情況，并且會導(dǎo)致各個元件之間的磨損加劇，最重要的是會導(dǎo)致線圈絕緣磨損嚴(yán)重，從而失去絕緣作用，進(jìn)而導(dǎo)致變壓器出現(xiàn)短路等各種絕緣故障問題，大大降低了變壓器的使用性能，輕則導(dǎo)致變壓器損毀，重則導(dǎo)致大范圍的停電，從而造成巨大的損失和不良的社會影響[3]。

1.2.3 增加了無功功率的消耗

在變壓器發(fā)生直流偏磁現(xiàn)象時(shí)，就會導(dǎo)致變壓器在高度飽和的狀態(tài)下運(yùn)行，從而使變壓器產(chǎn)生的勵磁電流增加，這樣一來，變壓器就必須要消耗更多的無功功率，從而導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的無功功率補(bǔ)償裝置工作的負(fù)荷量加大，出現(xiàn)過載的情況，這不僅對補(bǔ)償裝置產(chǎn)生不利的影響，還會導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓下降，情況嚴(yán)重的話還會導(dǎo)致整個電網(wǎng)崩潰，導(dǎo)致供電中斷，對人們正常的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生嚴(yán)重不利的影響[4]。

1.2.4 產(chǎn)生諧波情況

在正常的情況下，變壓器內(nèi)的勵磁電流正負(fù)半波是對稱的，并且只包含奇次諧波，但是在出現(xiàn)直流偏磁之后，變壓器內(nèi)的勵磁電力正負(fù)半波失衡，導(dǎo)致勵磁電流出現(xiàn)單方向極度飽和的情況，這是其中包含的諧波就不再僅僅是奇次諧波了，還出現(xiàn)了偶次諧波，在這種情況下，變壓器就變成了一個諧波源，在交流系統(tǒng)中產(chǎn)生大量的諧波，導(dǎo)致電力系統(tǒng)的電壓波形出現(xiàn)畸形變化，進(jìn)而導(dǎo)致濾波器工作荷載變大，繼電保護(hù)失效，使電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障[5]。

2 直流偏磁電流監(jiān)測技術(shù)有關(guān)問題分析

變壓器的質(zhì)量以及使用性能決定了直流偏磁對變壓器影響程度的大小，變壓器鐵芯結(jié)構(gòu)、材料以及磁通密度設(shè)計(jì)的取值情況不同，直流偏磁對變壓器造成的影響程度就有所不同。另外，出現(xiàn)直流偏磁問題時(shí)，變壓器遭到損害的程度還和直流偏磁電流的大小相關(guān)，同等規(guī)格的變壓器，直流偏磁產(chǎn)生的電流越大，對變壓器造成的損壞就越大。因此，為了更好地掌握直流偏磁電流對變壓器的影響情況，需要對直流偏磁進(jìn)行電流監(jiān)測，這樣還有利于掌握變壓器的分布范圍以及產(chǎn)生問題的原因，以便及時(shí)采取有效的措施進(jìn)行處理，保證電力系統(tǒng)供電的可靠性和持續(xù)性[6]。

2.1 直流偏磁電流的影響因素分析

當(dāng)直流輸電系統(tǒng)處于單極大地或者是雙極不平衡運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電力系統(tǒng)中變電站原始地表電位以及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的情況直接決定了流經(jīng)變壓器繞組的直流偏磁電流的大小，進(jìn)而對變壓器產(chǎn)生不同層次的影響。

在直流輸電系統(tǒng)當(dāng)中，變電站原始地表電位是直接受直流極所激發(fā)的，因此變電站原始電位和直流極的有關(guān)方面相關(guān)。

目前，我國電力系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，電力系統(tǒng)多種運(yùn)行方式并存，從而使電網(wǎng)接線也變得越來越龐大，因此直流偏磁電流在交流輸電系統(tǒng)中分布的情況很大程度上受電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及相關(guān)參數(shù)的影響。

2.2 應(yīng)用監(jiān)測技術(shù)選取監(jiān)測點(diǎn)時(shí)需要注意的問題分析

2.2.1 一定要注意地理環(huán)境。

地理環(huán)境主要包括兩個方面：一是變電站與直流接地極的距離，二是海洋方面的環(huán)境因素。

在直流接地極場內(nèi)和直流接地極場外，地中直流電位變化的情況是不相同的，在直流接地極場外，地中直流電位是隨著距離的不斷增大而下降的，下降的速度先大后小，并隨著距離的不斷增大，電位梯度就開始變得越來越小，并最終趨于一條直線。判斷電流是否侵入變壓器，變電站和直流接地極的距離是一個重要影響因素，同時(shí)距離也決定了直流電流的大小。

和山川以及湖泊等相比，海洋的電阻率較低，因此直流偏磁電流的分布情況受海洋的影響較大，而受山川、湖泊等影響較小，所以在相同的距離下，靠近海洋的地表電位相對較低，距離海洋最短的地表電位最高，而兩點(diǎn)之間的地表電位就介于中間。因此，在臨海的地區(qū)，在選擇監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，需要重點(diǎn)考慮海洋的影響[7]。

2.2.2 電網(wǎng)因素的影響

電網(wǎng)影響因素也是主要包括兩個方面，即變電站和線路相互之間的位置關(guān)系以及線路情況。

變電站和線路之間相互位置關(guān)系對流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)的直流電流具有重要的影響，如圖1所示。圖1（a）和圖1（b）表示兩種不同變電站和線路位置關(guān)系，在圖1（a）中，有一部分電流流入B變電站，也有一部分電流從B變電站流出，這樣相互抵消之后，真正流入變壓器中性點(diǎn)的直流電流就相對比較下。而在圖1（b）當(dāng)中，其他兩個變電站的直流電流都流入B變電站，從而導(dǎo)致流入B變電站中性點(diǎn)的直流電流較大。

路線狀況主要包括線路長度、回?cái)?shù)以及導(dǎo)線的參數(shù)。在一般的情況下，線路直流電阻和通過該線路的直流電流是呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系的，也就是說電阻越大，直流電流越小。

圖1 變電站和線路相互位置的關(guān)系

3 變壓器直流偏磁電流監(jiān)測技術(shù)裝置研究

在對變壓器直流偏磁電流檢測裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，我們需要了解直流偏磁監(jiān)測裝置系統(tǒng)的主要構(gòu)成情況。直流偏磁監(jiān)測裝置系統(tǒng)主要有三個部分組成，即傳感器、信息處理以及后臺工程師，其中比較重要的一點(diǎn)就是傳感器，直接影響到信息采集的情況，并且由于工作環(huán)境的影響對傳感器提出了更高的要求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

首先，使用的傳感器必須要可以適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，并且測量的精度要高。

其次，傳感器一次側(cè)額定電流、輸出電流以及輸出內(nèi)阻要符合在線監(jiān)測的要求。

最后，在電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障之后，會有大量的電力通過傳感器，而為了保證測量的精度，要保證傳感器在這種情況下可以正常工作[8]。

下面本文對監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)就提高了對這幾個問題的重視程度，可以達(dá)到很好的測量效果。

所謂的變壓器直流偏磁電流就是一種通過變壓器中性點(diǎn)接地線而流經(jīng)變壓器繞組的直流電流，因此，如果我們需要計(jì)算流經(jīng)變壓器繞組的直流電流，則可以通過測量變壓器中性點(diǎn)接地線中的直流電流來實(shí)現(xiàn)。但是由于變電站高壓場內(nèi)工作環(huán)境比較惡劣，因此需要研制一種高效的變壓器直流偏磁電流檢測裝置。本文筆者試圖設(shè)計(jì)了一種光電型的監(jiān)測裝置來滿足實(shí)際工作的需要，如圖2所示。

圖2 光電型變壓器直流偏磁電流檢測裝置設(shè)計(jì)示意圖

由設(shè)計(jì)圖可以看出本文設(shè)計(jì)的直流電流檢測裝置主要分為測量部分、信號接收部分以及能量供給的部分。變壓器中性點(diǎn)接地線的附近就是測量部分，而信號接收部分和能量供給部分主要在變電站的控制室之內(nèi)，利用光釬將兩個部分進(jìn)行連接。為了提高測量的效率和質(zhì)量，我們在測量部分安裝了霍爾傳感器，將收集到的電流磁場經(jīng)過一系列的處理傳送到CPU處理器上，處理器會對接收到的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、濾波等處理，接著將輸出的信號通過驅(qū)動電路和光釬發(fā)送模塊發(fā)送到變電站的控制室，最終發(fā)送到控制室的信號類型為光信號，控制室的信號接收部門和能量供給部分會對接受到的信號進(jìn)行有效的處理，從而得到測量的結(jié)果。這種設(shè)計(jì)方案具有很大的優(yōu)越性，它實(shí)現(xiàn)了高壓場內(nèi)設(shè)備和控制室設(shè)備的完全隔離，減少了各種不利的信號干擾，有利于提高測量的精確性和可靠性。

4 結(jié)論

總而言之，隨著我國對直流輸電系統(tǒng)投資規(guī)模的不斷擴(kuò)大，直流輸電系統(tǒng)應(yīng)用的范圍越來越廣，從而導(dǎo)致出現(xiàn)變壓器直流偏磁問題，對變壓器造成嚴(yán)重的損壞，影響供電的質(zhì)量，從而對人們的正常生產(chǎn)和生活造成不利的影響。因此，為了提高變壓器運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，電力單位一定要提高對變壓器直流偏磁電力監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究問題的重視程度，采取有效的措施提高電流檢測技術(shù)應(yīng)用的水平，并不斷研制新型的變壓器直流偏磁電流檢測裝置，從而提高電流監(jiān)測的精確度，以便對變壓器分布和損毀的情況及時(shí)進(jìn)行掌握，及時(shí)采取措施進(jìn)行解決，保證變壓器正常、穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

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TM7

A

1674-6708（2015）149-0094-03

王建波，長期從事集控運(yùn)行的研究和技術(shù)管理工作