由于系統調試、設備故障、設備維護或者特殊運行方式的原因，直流輸電系統有時(shí)在單極大地或雙極不平衡工況下運行，此時(shí)的直流輸電系統將利用大地作為電流回路，大容量的直流電流通過(guò)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范圍內大地電位將發(fā)生顯著(zhù)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(diǎn)、變壓器繞組和輸電線(xiàn)路組成的系統網(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(guò)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的影響主要包括以下幾個(gè)方面：

變壓器噪聲和振動(dòng)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(dòng)會(huì )顯著(zhù)加劇，鐵芯的振動(dòng)也會(huì )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(shí)，可能會(huì )損壞變壓器內部零件和絕緣。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(shí)，變壓器勵磁電流中會(huì )出現偶次諧波，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(wú)功損耗增加：在直流偏磁電流的作用下，隨著(zhù)勵磁電流的增加，變壓器的無(wú)功損耗也會(huì )增加，從而導致系統電壓下降，嚴重情況下甚至使電網(wǎng)崩潰。

繼電保護系統故障：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(wú)法正常動(dòng)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(dòng)作。

地下金屬管網(wǎng)加速腐蝕：在直流電流注入下，接地極近區的地下金屬管道會(huì )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(diǎn)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(diǎn)需考慮：

①系統發(fā)生直流偏磁時(shí)能迅速將偏磁電流抑制至限制值以?xún)龋?/span>

②系統正常時(shí)和發(fā)生故障時(shí)均能保證變壓器、中性點(diǎn)及裝置自身安全；

③盡量減少對繼電保護自動(dòng)化設備的影響；

④安裝調試、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(diǎn)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(guò)在變壓器中性點(diǎn)處中串入電容，利用電容器隔直通交的特點(diǎn)，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，由于需要設置較為復雜且可靠性要求極高的旁路保護裝置，造價(jià)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(guò)在偏磁電流回路（通常在變壓器中性點(diǎn)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的直流電阻小，僅需串入一個(gè)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構簡(jiǎn)單、成本較低，易于推廣應用。由于變壓器中性點(diǎn)接入小電阻改變了系統零序參數，對保護有一定影響，需重新校核整定。變壓器中性點(diǎn)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(huì )導致附近其他變壓器中性點(diǎn)直流超標。系統結構發(fā)生變化后，電阻阻值還有可能需要調整，從而需要調節電阻器分接開(kāi)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(guò)一臺直流電源向變壓器中性點(diǎn)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(diǎn)的接線(xiàn)方式，對系統影響小，補償接地極遠離其他變電站時(shí), 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，結構和控制都相對復雜，造價(jià)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模投運以來(lái)，湖北公司開(kāi)始在直流偏磁領(lǐng)域開(kāi)展了跨專(zhuān)業(yè)、全過(guò)程的科技攻關(guān)。隨著(zhù)直流偏磁現場(chǎng)測試納入到我國特高壓直流輸電工程的直流調試項目，國內各條直流輸電工程在投運前均開(kāi)展了單極大地運行工況下的同步監測、直流偏磁的現場(chǎng)測試和治理工作，并針對當地電網(wǎng)開(kāi)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(fēng)險開(kāi)展了工作，在直流偏磁監測方法、分布規律、風(fēng)險評估和治理措施等方面進(jìn)行了深入的研究，對陜湖工程30多個(gè)變電站和新能源場(chǎng)站開(kāi)展了直流偏磁同步監測，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(chǎng)站提供了直流偏磁抑制裝置的參數選型和安裝實(shí)施提供了重要支撐，有效提升了該區域的直流偏磁防御能力。

在前期研究工作基礎上，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(lái)“雙碳”背景下以新能源為主體的新型電力系統所面臨的直流偏磁影響，進(jìn)一步完善了直流偏磁電流分布同步監測方法，為新型電力系統中的電網(wǎng)及設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(fēng)險，保障交直流混聯(lián)大電網(wǎng)和新能源系統的安全穩定運行，具有十分重要的作用和意義。