电网直流偏磁的危害及抑制措施

由于系统调试、设备故障、设备维护或者特殊运行方式的原因，直流输电系统有时在单极大地或双极不平衡工况下运行，此时的直流输电系统将利用大地作为电流回路，大容量的直流电流通过直流接地极注入到大地中，如下图所示。

图1 直流电流经大地流入交流电网的原理示意图

以直流接地极为中心的100km范围内大地电位将发生显著的变化，产生从几伏到上百伏的电位抬升。经交流电网变电站的接地网、主变中性点、变压器绕组和输电线路组成的系统网络成为了大地电位差直流电流主要路径，在部分极端情况下这种直流电流甚至超过100A，对接地极附近电网运行造成严重的影响。

电网直流偏磁对交流系统的影响主要包括以下几个方面：

变压器噪声和振动加剧：在直流偏磁影响下，由于铁芯硅钢片的磁致伸缩效应，变压器的噪声和振动会显著加剧，铁芯的振动也会增加。由于铁芯噪声和负载噪声中含有多种谐波成分，当发生共振时，可能会损坏变压器内部零件和绝缘。如图3（a）和3（b）。

谐波增加和电压波形畸变：正常运行的变压器励磁电流仅包含奇次谐波，当变压器在直流偏磁下运行时，变压器励磁电流中会出现偶次谐波，使得变压器成为交流电网中的谐波源，可能损坏补偿电容器。如图4（a）。

  图3  (a) 变压器铁芯变形 

 (b) 变压器在直流偏磁下的噪声变化

无功损耗增加：在直流偏磁电流的作用下，随着励磁电流的增加，变压器的无功损耗也会增加，从而导致系统电压下降，严重情况下甚至使电网崩溃。

继电保护系统故障：在直流偏磁电流作用下，由于电压波形严重畸变，部分继电保护装置可能无法正常动作，零序谐波（如3/6/9次谐波）可能导致零序电压或电流保护装置误动作。

地下金属管网加速腐蚀：在直流电流注入下，接地极近区的地下金属管道会由于大地电位差，造成公共金属管道的加速腐蚀，严重影响电力环保和民生。如图4（b）。

 图4  (a) 变压器中性点流经直流偏磁电流波形 

        (b) 地下天然气管道的腐蚀

直流偏磁抑制措施应考虑适应性、可靠性、经济性，重点需考虑：

①系统发生直流偏磁时能迅速将偏磁电流抑制至限制值以内；

②系统正常时和发生故障时均能保证变压器、中性点及装置自身安全；

③尽量减少对继电保护自动化设备的影响；

④安装调试、运行维护的可靠性和经济性。通常采取的抑制措施是在变压器中性点串接抑制装置，目前应用较多的有电容直流隔流装置、电阻直流限流装置和反向电流注入装置等。

（1）电容直流隔流法

电容直流隔流法通过在变压器中性点处中串入电容，利用电容器隔直通交的特点，将流经变压器的直流电流完全隔绝。

图5   一种典型电容直流隔流装置原理图

电容直流隔流法可以阻断直流电流分量流经变压器，由于需要设置较为复杂且可靠性要求极高的旁路保护装置，造价和运维成本相对较高，适用于较高电压等级的变电站。

（2）电阻直流限流法

电阻直流限流法通过在偏磁电流回路（通常在变压器中性点处）中串入电阻，限制流经变压器的直流电流，由于超高压直流输电系统的直流电阻小，仅需串入一个较小的电阻就能达到较高的抑制效果。

电阻直流限制装置电路结构简单、成本较低，易于推广应用。由于变压器中性点接入小电阻改变了系统零序参数，对保护有一定影响，需重新校核整定。变压器中性点接入小电阻后，直流偏磁电流将减小，不能彻底隔绝，且可能会导致附近其他变压器中性点直流超标。系统结构发生变化后，电阻阻值还有可能需要调整，从而需要调节电阻器分接开关档位或更换电阻器。

（3）反向电流注入法

直流偏磁反向电流注入法通过一台直流电源向变压器中性点注入直流电流，该直流电流与变压器偏磁电流相反，幅值略小于偏磁电流，从而抵消偏磁电流，基本消除直流偏磁对变压器的影响。其原理如下图所示。

图6  反向注入法原理

反向电流注入法不改变变压器中性点的接线方式，对系统影响小，补偿接地极远离其他变电站时, 电流注入法对其他变电站的影响可以忽略。由于需要建造补偿接地极，新增直流整流和滤波元件，结构和控制都相对复杂，造价和运维成本较高，目前应用较少，仅少量应用于高电压等级的变电站。

自三峡直流外送大规模投运以来，湖北公司开始在直流偏磁领域开展了跨专业、全过程的科技攻关。随着直流偏磁现场测试纳入到我国特高压直流输电工程的直流调试项目，国内各条直流输电工程在投运前均开展了单极大地运行工况下的同步监测、直流偏磁的现场测试和治理工作，并针对当地电网开展了直流偏磁的影响分析。

依托±800千伏陕-湖特高压直流输电工程，国网湖北电科院针对大规模新能源接入后交直流混联电网所面临的直流偏磁风险开展了工作，在直流偏磁监测方法、分布规律、风险评估和治理措施等方面进行了深入的研究，对陕湖工程30多个变电站和新能源场站开展了直流偏磁同步监测，针对整体直流偏磁分布情况，评估制定了低成本的直流偏磁精准治理方案，为5座变电站和新能源场站提供了直流偏磁抑制装置的参数选型和安装实施提供了重要支撑，有效提升了该区域的直流偏磁防御能力。

在前期研究工作基础上，2021年12月国网湖北电科院牵头编制的国际标准IEEE Std 2869-2021《IEEE Guide for the Synchronous Monitoring of Direct Current (DC) Bias Magnetic Current Distribution in Power Grid》（电网直流偏磁电流分布同步监测指南）正式出版发布，是湖北公司首项出版发布的国际标准。该标准的提出，解决未来“双碳”背景下以新能源为主体的新型电力系统所面临的直流偏磁影响，进一步完善了直流偏磁电流分布同步监测方法，为新型电力系统中的电网及设备直流偏磁的量化分析和抑制措施的优化和制定提供技术支撑，对防范直流偏磁风险，保障交直流混联大电网和新能源系统的安全稳定运行，具有十分重要的作用和意义。