這一現象可以用大家熟悉的變壓器鐵心飽和磁化特性來解釋：流經繞組的直流電流成為變壓器勵磁電流的一部分，該直流電流使變壓器鐵心偏磁，改變了變壓器的工作點，使原來磁化曲線工作區的一部分移至鐵心磁飽和區，結果總勵磁電流變成尖頂波，最終導致變壓器振動增大
基本介紹
- 中文名：直流偏磁
產生原因,產生影響,諧波放大,注意事項,
產生原因
線上運行的變壓器繞組內產生較大的直流原因，可以由如下原因引起：
（1）太陽等離子風的動態變化與地磁場相互作用產生的地磁“風暴”。地磁場的變化將在地球表面誘發電位梯度，其大小取決於地面電導率和地磁風暴的嚴重程度，當這一低頻且具有一定持續時間的電場作用於中性點接地的電力變壓器時，將在繞組中誘發地磁感應電流，其頻率在0.01~1Hz之間，與50Hz的交流系統相比較，可以近似看成直流。其值較大，但持續時間短。
（2）直流輸電線路與交流輸電線路的並行運行或交流網路中存在電壓電流關係曲線不對稱的負載。直流輸電系統常常採用單極運行方式，因為可以利用大地這個良導體，省去一根導線而節約成本。由於地下長期有大的直流電流流過，因而在其換流站周圍一定區域中會產生地表電流，與其並行運行的交流輸電系統變電站中的變壓器如果距離換流站不遠，就會受到干擾，這種干擾作用的直接表現就是通過交流變壓器的接地中性點在交流變壓器的勵磁電流中產生直流分量。其值大小與直流輸電線路單極運行時的負荷大小正相關，持續時間也與直流輸電線路單極運行時間同步。
（3）城市軌道交通。大城市的捷運、軌道交通和一些礦山小火車大多採用直流電驅動車輛，這些軌道交通的直流電源用大地作為其中的一極，類似直流輸電的單極運行，對城市的110kV以上的變壓器造成直流偏磁。其值一般比較小，波動頻繁；持續時間與城鐵運行時間同步。
產生影響
雙極兩端中性點接地直流換流站接線方式廣泛運用到遠距離的高壓直流輸電領域中。雖然正常運行時兩極電流相等，地迴路中的電流為零，但是只要是運行過程中兩極的電流不相等（採用單極運行、雙就極電壓對稱電流不對稱或者雙極電流電壓均不對稱方式運行），接地極都會有電流流過，在直流輸電線路和大地間形成迴路。在我國，110kV及以上電壓等級系統中性點採取直接接地。如果處於不同地點的變電站的中性點電位被不同程度的抬高，則直流電流將通過大地和交流線路，由一個變電站（變壓器中性點）流入，在另一個變電站（變壓器中性點）流出。直流電壓最高點位於接地極，電壓的大小取決於流入接地的電流與接地電阻。
由於土壤電阻分布徑向不均，如果接地極附近有變壓器中性點接地的變電所，地下金屬導管或鎧裝電纜等金屬設施，由於這些設施可能給地電流提供了比大地土壤更為良好的導電通道，因此一部分電流將沿著並通過這些設施流向遠方。這樣就造成不能通過計算確定各個變電站中性點電位的抬高，從理論上計算流入各箇中性點的直流電流很難準確，此電流一般只能通過實測得到。
直流偏磁主要危害是變壓器產生直流偏磁，而直流偏磁產生的諧波可能被電力電容器組放大。由於流入變壓器中性點的直流電流的大小不足以讓變電站地網產生嚴重腐蝕，甚至可以忽略，在此不作討論。
2. 變壓器勵磁電流的畸變
因為變壓器的主磁通接近正弦波，根據磁化曲線的飽和特性，可以直觀看出直流電流對變壓器勵磁電流的影響，如圖1所示：
1)當變壓器繞組無直流分量，勵磁電流i（t）工作在磁化曲線的直線段，此時若鐵芯中磁通為正弦波，勵磁電流也是正弦波。
2)當中性點電壓被抬升Ф´時，變壓器繞組中有直流電流流過，由於直流電流的偏磁影響，可能使勵磁電流工作在磁化曲線的飽和區，導致勵磁電流的正半波出現尖頂負半波可能是正弦波的一部分。
3）當變壓器中性點電壓數值被抬高的越多，勵磁電流畸變程度越大。
4）直流偏磁引起變壓器勵磁電流畸變產生，在變壓器各側產生諧波。而對諧波進行傅立葉變換可分解出各次諧波。三倍頻諧波屬於零序電流，1、4、7、10…次諧波為正序電流，2、5、8、11…次諧波為負序電流。
3.1當勵磁電流中存在直流電流對變壓器影響主要表現在以下幾方面
1）噪音增大。對於單相變壓器，當直流電流達到額定勵磁電流時，噪音增大10dB；若達到4倍額定勵磁電流時，噪音增大20 dB。此外，變壓器中增加了諧波成分，會使噪音頻率發生變化，可能因某一頻率與變壓器結構部件發生共振使噪音增大。
2）對變壓器波形的影響。當鐵芯工作在嚴重飽和區，漏磁通會增加，在一定程度上使電壓的波峰變平。 3）變壓器銅耗的增加。在直流電流作用下，如果直流電流大小達到一定數值，變壓器的勵磁電流會大幅度增加，變壓器的基本銅耗就會急劇增加，讓線圈發熱。
3）變壓器鐵耗增大。由於勵磁電流進入了磁化曲線的飽和區，使得鐵芯和空氣的磁導率接近，從而導致變壓器的漏磁大大增加。變壓器漏磁通會穿過連線片、夾件、油箱等構件，並在其中產生渦流產生髮熱現象危害絕緣。
3.2變壓器允許的直流電流：
變壓器容許通過多大的直流電流，這在一定程度上取決於變壓器的設計，其值與變壓器結構、鐵芯材料、磁通密度取值等因子有關。我國國家標準規定，電力變壓器在超過5%的額定電壓下也能長期運行，此時的勵磁電流將較額定電壓下的勵磁電流將較額定電壓下的勵磁電流大50%。這意味著，只要流過變壓器繞組的直流電流引起的勵磁電流增量不大於正常值的50%是可以接受的。
對於變壓器繞組允許通過的直流電流問題，通過部分國內外變壓器廠家提供的資料進行分析，可以得出以下結論：
1）與磁密取值有關。對於冷軋矽鋼片，磁密在1.65~1.7T之間時，變壓器繞組允許通過的直流為額定電流的0.45% ~0.55% 。
2）與變壓器矽鋼片導磁率特性有關。導磁率越高（優質冷軋矽鋼片），允許通過的直流電流越小。對於熱軋矽鋼片（老式變壓器），變壓器繞組允許通過的直流電流較大，可達額定電流的1% 。
3）與變壓器類型有關。由於單相和三相五柱式變壓器具有較低的直流磁阻抗，所以允許通過的直流電流較普通三相三柱式變壓器稍小。
諧波放大
4.1諧波對變壓器以及電容器影響：
1）如果從另一個角度理解勵磁電流增大引起銅耗的增加，那就是諧波引起均方根電流增加，而均方根電流增加會引起銅耗的增加。
2）渦流是由磁鏈引起的變壓器感應電流，這部分損耗以應起諧波電流的頻率的平方增加。該損耗是變壓器諧波發熱損耗的重要來源。
3）如果通過電容器的電流中含有諧波成分，由於趨膚效應，有可能產生比基波更大的熱效應。
4）具有並聯電容補償的系統中系統在某一頻率下可能與並聯電容器發生諧振，從而引起注入系統合電容組的諧波電流的放大，對系統和電容器產生嚴重的影響。 4.2諧波放大
對實際畸變電流進行數學上富立葉的分解得到基波和各次諧波。在具有並聯電容補償的系統中，系統阻抗在某一頻率下可能與並聯電容器發生諧振，從而引起諧波源注入系統和電容器組諧波電流放大，對系統和電容器組產生嚴重影響。在直流偏磁時，變壓器會因為磁路飽和而產生各種次數的諧波。
電抗率的定義為電容器組的串聯電抗器基頻分抗與電容器的基頻分抗的比值。國內並聯電容器配置的電抗器的電抗率主要接近以下四種類型：<0.5% ，4.5%，5%，6%，12%和13%。
根據文獻[2]在沒有電抗和0.5%電抗率的電容器組與系統匹配的諧振諧波次數為6次左右，對系統5次諧波嚴重放大，放大後諧波的分別是諧波源電流的4倍和7倍；4.5%電抗率可以減小5次諧波70%，對3次諧波放大比較小；6%電抗率對減少5次諧波50%，而對3次諧波放大比較大；對於3次諧波放大比較大的變電站應該配置12%電抗率的電抗器以抑制3次諧波。
通常認為3n次諧波分量由於在Y/Δ結線變壓器的Δ繞組中環流短路在系統中不會出現，實際上由於變壓器三相磁路的不對稱，電源電壓和負荷的不平衡，三相鐵心的飽和程度不同，各相產生的三次諧波的大小相位也不相同，所以變壓器Δ繞組側的線電壓及線電流中仍存在三次諧波分量，及其幅值的比例不小，在我國電力系統中3次諧波是普遍存在的，故此不能認為在變壓器Δ側不會出現3次諧波放大。
電網運行中曾多次發生三次諧波放大事故[4]，當參數匹配時還可能發生諧波共振事故，由於運行電壓和電流嚴重超標，使電容器鼓肚、漏油甚至爆炸損壞，還可能發生氧化鋅避雷器爆炸、雙星電容器組中性線電流互感器爆炸，放電線圈損壞等事故。裝設6%串聯電抗器的電容器組應特別注意防止對三次諧波的放大，6%串聯電抗率的電容器組往往可能產生諧波放大。
有的變電站的電抗率比較特殊，可能對4次或其他次數的諧波進行放大。
電容器的過流保護一般設有2段，過流一段的整定值一般在接近兩倍額定電流。諧波放大的只是某次諧波，而基波和其他次數諧波幅值不變，在發生諧波放大的時候，流過電容器的電流有效值有時候不能達到過流保護的動作電流時，諧波放大一直持續下去，電容器及其部件就有可能被燒毀或者發生爆炸。
一般情況下直流換流站注入系統的諧波符合國家便準，而且高壓直流換流站站12脈動整流方法，兩組對應兩繞組換流變壓器連線處的系統側，只有12K±1次諧波，主要是11和13次諧波，其他次數諧波電流幅值隨諧波次數的增加而減少，而非特徵諧波含量更是很少。照我國電容器的配置情況基本不可能發生因為直流換流站注入諧波電流而引起諧波放大。
注意事項
1）當直流換流站採用不對稱運行方式時，各級調度之間應該加強聯繫，把此項信息有效迅速傳達給各相關變電站，讓變電站的運行人員能及時對設備進行監視從而實現事故預控。
2）根據上文提供的計算方法，變電站應該事先根據本站變壓器的額定電流和鐵心結構計算出本站所有變壓器最大允許直流電流，以便在流過中性點直流電流越限時及時加強監視。變壓器發出的噪聲超出噪聲契約值時變壓器的振動會加劇，有聲音監測器的變電站可以根據變壓器是否超出變壓器說明書給出的噪聲契約值。
3）因為產生在變壓器發生直流偏磁時銅耗和鐵耗的增加，尤其是各部件渦流產生大量的熱能，也應該重視變壓器油溫的變化，避免各部件由於溫度過高造成設備損壞。
4）變壓器直流偏磁可能引起局部器件溫度過高影響絕緣，而在總體油溫不能反映局部過熱現象。在直流換流站恢復正常工作方式時，在巡視變壓器測量變壓器鐵芯和夾件的接地電流校往日有無變化，鐵芯接地電流不得超過100mA。鑒於有變壓器因為長時間在較大的直流偏磁情況下導致油樣色譜分析異常[6]，應該對大幅度超出繞組允許通過的直流電流或者較長時間在直流偏磁情況下運行的變壓器進行色譜分析。
5）在有諧波檢測裝置的變電站應該加強對電流畸變的監查，通常，電流畸變超過5%的變壓器應該降低負荷以保證變壓器的安全運行[2]。
6）在沒有諧波保護裝置的變電站，運行人員應熟悉電容器組的正常運行電流，在變壓器發生直流偏磁而後產生的諧波可能被電容進行諧波放大。電容器組可能對諧波進行放大但沒能動作跳閘，運行人員應該在發生直流偏磁時投入電容器時應該檢查電容電流是否正常，然後加強監視電容的電流值，發生異常迅速斷開相關電容器組，這是最簡單和安全的監控方法。
