由于系統(tǒng)調(diào)試、設(shè)備故障、設(shè)備維護或者特殊運行方式的原因，直流輸電系統(tǒng)有時在單極大地或雙極不平衡工況下運行，此時的直流輸電系統(tǒng)將利用大地作為電流回路，大容量的直流電流通過直流接地極注入到大地中，如下圖所示。

圖1 直流電流經(jīng)大地流入交流電網(wǎng)的原理示意圖

以直流接地極為中心的100km范圍內(nèi)大地電位將發(fā)生顯著的變化，產(chǎn)生從幾伏到上百伏的電位抬升。經(jīng)交流電網(wǎng)變電站的接地網(wǎng)、主變中性點、變壓器繞組和輸電線路組成的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)成為了大地電位差直流電流主要路徑，在部分極端情況下這種直流電流甚至超過100A，對接地極附近電網(wǎng)運行造成嚴重的影響。

電網(wǎng)直流偏磁對交流系統(tǒng)的影響主要包括以下幾個方面：

變壓器噪聲和振動加?。?/span>在直流偏磁影響下，由于鐵芯硅鋼片的磁致伸縮效應，變壓器的噪聲和振動會顯著加劇，鐵芯的振動也會增加。由于鐵芯噪聲和負載噪聲中含有多種諧波成分，當發(fā)生共振時，可能會損壞變壓器內(nèi)部零件和絕緣。如圖3（a）和3（b）。

諧波增加和電壓波形畸變：正常運行的變壓器勵磁電流僅包含奇次諧波，當變壓器在直流偏磁下運行時，變壓器勵磁電流中會出現(xiàn)偶次諧波，使得變壓器成為交流電網(wǎng)中的諧波源，可能損壞補償電容器。如圖4（a）。

  圖3  (a) 變壓器鐵芯變形 

 (b) 變壓器在直流偏磁下的噪聲變化

無功損耗增加：在直流偏磁電流的作用下，隨著勵磁電流的增加，變壓器的無功損耗也會增加，從而導致系統(tǒng)電壓下降，嚴重情況下甚至使電網(wǎng)崩潰。

繼電保護系統(tǒng)故障：在直流偏磁電流作用下，由于電壓波形嚴重畸變，部分繼電保護裝置可能無法正常動作，零序諧波（如3/6/9次諧波）可能導致零序電壓或電流保護裝置誤動作。

地下金屬管網(wǎng)加速腐蝕：在直流電流注入下，接地極近區(qū)的地下金屬管道會由于大地電位差，造成公共金屬管道的加速腐蝕，嚴重影響電力環(huán)保和民生。如圖4（b）。

 圖4  (a) 變壓器中性點流經(jīng)直流偏磁電流波形 

        (b) 地下天然氣管道的腐蝕

直流偏磁抑制措施應考慮適應性、可靠性、經(jīng)濟性，重點需考慮：

①系統(tǒng)發(fā)生直流偏磁時能迅速將偏磁電流抑制至限制值以內(nèi)；

②系統(tǒng)正常時和發(fā)生故障時均能保證變壓器、中性點及裝置自身安全；

③盡量減少對繼電保護自動化設(shè)備的影響；

④安裝調(diào)試、運行維護的可靠性和經(jīng)濟性。通常采取的抑制措施是在變壓器中性點串接抑制裝置，目前應用較多的有電容直流隔流裝置、電阻直流限流裝置和反向電流注入裝置等。

（1）電容直流隔流法

電容直流隔流法通過在變壓器中性點處中串入電容，利用電容器隔直通交的特點，將流經(jīng)變壓器的直流電流完全隔絕。

圖5   一種典型電容直流隔流裝置原理圖

電容直流隔流法可以阻斷直流電流分量流經(jīng)變壓器，由于需要設(shè)置較為復雜且可靠性要求極高的旁路保護裝置，造價和運維成本相對較高，適用于較高電壓等級的變電站。

（2）電阻直流限流法

電阻直流限流法通過在偏磁電流回路（通常在變壓器中性點處）中串入電阻，限制流經(jīng)變壓器的直流電流，由于超高壓直流輸電系統(tǒng)的直流電阻小，僅需串入一個較小的電阻就能達到較高的抑制效果。

電阻直流限制裝置電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，易于推廣應用。由于變壓器中性點接入小電阻改變了系統(tǒng)零序參數(shù)，對保護有一定影響，需重新校核整定。變壓器中性點接入小電阻后，直流偏磁電流將減小，不能徹底隔絕，且可能會導致附近其他變壓器中性點直流超標。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后，電阻阻值還有可能需要調(diào)整，從而需要調(diào)節(jié)電阻器分接開關(guān)檔位或更換電阻器。

（3）反向電流注入法

直流偏磁反向電流注入法通過一臺直流電源向變壓器中性點注入直流電流，該直流電流與變壓器偏磁電流相反，幅值略小于偏磁電流，從而抵消偏磁電流，基本消除直流偏磁對變壓器的影響。其原理如下圖所示。

圖6  反向注入法原理

反向電流注入法不改變變壓器中性點的接線方式，對系統(tǒng)影響小，補償接地極遠離其他變電站時, 電流注入法對其他變電站的影響可以忽略。由于需要建造補償接地極，新增直流整流和濾波元件，結(jié)構(gòu)和控制都相對復雜，造價和運維成本較高，目前應用較少，僅少量應用于高電壓等級的變電站。

自三峽直流外送大規(guī)模投運以來，湖北公司開始在直流偏磁領(lǐng)域開展了跨專業(yè)、全過程的科技攻關(guān)。隨著直流偏磁現(xiàn)場測試納入到我國特高壓直流輸電工程的直流調(diào)試項目，國內(nèi)各條直流輸電工程在投運前均開展了單極大地運行工況下的同步監(jiān)測、直流偏磁的現(xiàn)場測試和治理工作，并針對當?shù)仉娋W(wǎng)開展了直流偏磁的影響分析。

依托±800千伏陜-湖特高壓直流輸電工程，國網(wǎng)湖北電科院針對大規(guī)模新能源接入后交直流混聯(lián)電網(wǎng)所面臨的直流偏磁風險開展了工作，在直流偏磁監(jiān)測方法、分布規(guī)律、風險評估和治理措施等方面進行了深入的研究，對陜湖工程30多個變電站和新能源場站開展了直流偏磁同步監(jiān)測，針對整體直流偏磁分布情況，評估制定了低成本的直流偏磁精準治理方案，為5座變電站和新能源場站提供了直流偏磁抑制裝置的參數(shù)選型和安裝實施提供了重要支撐，有效提升了該區(qū)域的直流偏磁防御能力。

在前期研究工作基礎(chǔ)上，2021年12月國網(wǎng)湖北電科院牽頭編制的國際標準IEEE Std 2869-2021《IEEE Guide for the Synchronous Monitoring of Direct Current (DC) Bias Magnetic Current Distribution in Power Grid》（電網(wǎng)直流偏磁電流分布同步監(jiān)測指南）正式出版發(fā)布，是湖北公司首項出版發(fā)布的國際標準。該標準的提出，解決未來“雙碳”背景下以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)所面臨的直流偏磁影響，進一步完善了直流偏磁電流分布同步監(jiān)測方法，為新型電力系統(tǒng)中的電網(wǎng)及設(shè)備直流偏磁的量化分析和抑制措施的優(yōu)化和制定提供技術(shù)支撐，對防范直流偏磁風險，保障交直流混聯(lián)大電網(wǎng)和新能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，具有十分重要的作用和意義。