什么是循环电流

循环电流是电力系统中一种在闭合回路内持续流动的异常电流，通常由三相电压不平衡、变压器接线组别差异或并联线路参数不对称等因素引起。它不对外做功，却会在导体中产生额外的热损耗，降低设备效率，甚至危及系统安全。理解其成因、特性与治理方法，对于电力设计、运维及新能源并网等领域具有重要的工程实践意义。

       在错综复杂的电力网络深处，存在着一种看不见却影响深远的“幽灵电流”——循环电流。它不像我们日常使用的电流那样，沿着设计好的路径为电器设备输送能量，而是悄然在导体形成的闭合环流中打转，空耗电能，产生热量，甚至成为系统安全的潜在威胁。对于电力工程师、新能源从业者乃至相关领域的学习者而言，透彻理解循环电流的本质，是驾驭现代电力系统、提升能效与保障可靠性的关键一课。

       本文将深入剖析循环电流的方方面面，从基本定义到深层机理，从典型场景到实际危害，再到系统的治理策略，为您构建一个全面而清晰的知识框架。

一、 循环电流的核心定义与基本特性

       所谓循环电流，是指在由变压器绕组、并联输电线路或其他导体构成的闭合回路中，由于回路内存在电势差（即电压）而自发产生并持续流通的电流。这个回路常常是设计时未曾预料或希望避免的。其最核心的特征在于“循环”二字：电流在环路内部自行闭合，不流入外部负载，因此也被称为环流或平衡电流。它本质上是一种在特定条件下被迫产生的短路电流，其流通路径阻抗通常很小，导致即使感应电势不大，也可能产生数值可观的电流。

二、 追根溯源：产生循环电流的根本原因

       循环电流并非凭空产生，它的出现总是有迹可循。首要原因在于“电势差”。当并联运行的设备或线路之间，其对应点的电位不完全相等时，就会在连接这些点的导体上形成电压，从而驱动电流。具体到电力系统，这种电势差主要来源于几个方面。其一是三相电源的电压不平衡，包括幅值不等或相位偏差，这会在变压器三角形接法的绕组中形成环流通路。其二是变压器并联运行时，如果它们的变比、短路阻抗或接线组别（如最常见的Yyn0和Dyn11）存在差异，那么即使在相同的电源电压下，其二次侧输出电压的幅值与相位也会不同，一旦将二次侧并联，巨大的循环电流便会产生。

三、 不可忽视的物理基础：电磁感应与环路定律

       要深入理解循环电流，必须回到电磁感应的基本原理。根据法拉第电磁感应定律，变化的磁场会在导体中产生感应电动势。在变压器并联场景中，交变的主磁通会在各变压器绕组中感应出电势。当这些并联绕组通过母线连接时，就构成了一个或多个电气回路。根据基尔霍夫电压定律，沿任一闭合回路的电压代数和为零。如果回路中由于设备差异存在净的感应电势，就必须有电流流通来产生相应的阻抗压降与之平衡，这个电流就是循环电流。因此，循环电流是电磁系统为达成自身电压平衡而“自动”产生的一种物理现象。

四、 典型场景剖析：变压器并联运行中的环流

       这是教科书中最经典的循环电流案例。当两台或多台变压器一次侧接于同一母线，二次侧也并联共同向负载供电时，理想情况下各变压器应按其容量比例分担负荷。但如果它们的变比K（高压侧与低压侧额定电压之比）有细微差别，情况就不同了。假设变压器A的变比略小于变压器B，在相同一次电压下，A的二次侧空载电压就会略高于B。将二次侧并联的瞬间，在两个变压器的二次绕组与连接母线构成的回路中，便存在一个电压差ΔU。这个ΔU作用于两台变压器二次侧短路阻抗之和（通常很小）所构成的回路，会产生一个可观的循环电流Ic。该电流在两台变压器二次绕组中流动方向相反，导致一台变压器负载加重，另一台负载减轻，严重时可能使一台过载而另一台反而向系统倒送功率。

五、 另一常见温床：交流输电线路的并联运行

       不止于变压器，在高压输电网络中，为了增加输送容量或提高可靠性，常常采用双回线或多回线并联运行。这些线路即使长度相同，由于其空间排列、导线型号、地线配置或沿线环境（如靠近金属构件）的差异，会导致各回线路的电气参数——主要是电阻和电抗——不尽相同。当它们两端分别连接于相同的两个变电站母线时，就构成了并联支路。由于参数不对称，即使两端母线电压相同，流过各回线路的电流也会不均匀。这种电流分配不均的现象，从整个并联回路的内环来看，就可以等效为存在一个叠加在主要输送电流之上的循环电流分量。它造成了额外的线路损耗。

六、 直流系统中的特殊形态：均流问题

       在直流系统，例如由多个整流模块并联供电的数据中心电源，或蓄电池组中并联的电池单体，同样存在循环电流问题，通常称为“均流”问题。由于各并联单元的内阻、输出电压特性存在微小差异，会导致负载电流无法按理想比例分配。输出特性稍高的单元会承担更多电流，甚至进入过载状态，而特性低的单元则出力不足。这本质上是直流形式的循环电流在并联支路间流动，导致系统效率下降、设备寿命折损，严重时引发故障。因此，主动均流技术是直流电源设计中的关键。

七、 无形的代价：循环电流带来的主要危害

       循环电流不做有用功，其能量几乎百分之百转化为热能，这带来了直接的经济损失和设备风险。首先，它增加了变压器、线路等设备的铜损（即绕组或导线电阻发热引起的损耗），降低系统整体运行效率，在“双碳”目标下尤其需要关注。其次，额外的发热会加速设备绝缘老化，缩短变压器、电缆的使用寿命。对于变压器，循环电流会叠加在负载电流上，可能导致某些绕组过热，引发局部高温。再者，它占用了设备的电流承载容量，在严重情况下可能使变压器或线路在未达到额定输送功率时就因过热而跳闸保护，影响供电可靠性。最后，持续的循环电流也可能引发电磁振动噪音，影响设备运行环境。

八、 精准识别：循环电流的检测与判断方法

       在运行现场，如何判断是否存在有害的循环电流？一种直接的方法是测量并联设备各支路的电流。如果各支路电流幅值差异很大，且其方向关系符合环流特征（例如在变压器并联中，一台电流相位超前于总负载电流，另一台滞后），则很可能存在显著环流。更精确的方法是通过电能质量分析仪或录波装置，记录各支路电流的幅值与相位进行矢量分析。对于变压器，可以测量其空载并联时的二次侧电流，若空载下就有较大电流，则基本可判定为变比或组别差异引起的循环电流。在线监测系统通过持续比对并联单元电流的不平衡度，也能实现预警。

九、 治理基石：确保设备参数的一致性匹配

       预防胜于治理，从源头抑制循环电流的产生最为有效。对于计划并联运行的变压器，应尽可能选择具有完全相同技术参数的设备，包括额定电压、额定容量、短路阻抗百分比、接线组别。国家标准和电力行业运行规程对此有严格规定，通常要求并联变压器变比差值不超过百分之零点五，短路阻抗差值不超过百分之十，且接线组别必须绝对相同。在设备采购和安装前，进行细致的参数核对与测试是必不可少的步骤。

十、 关键控制手段：利用变压器分接头调整变比

       即使同一型号的变压器，由于制造公差或运行后特性微小变化，其实际变比也可能出现偏差。现代电力变压器通常配备有载调压分接开关，这为动态平衡循环电流提供了有力工具。在变压器并联运行后，可以通过实时监测各变压器的负载电流或循环电流大小，精细调整其中一台或几台变压器的分接头位置，微调其变比，使各台二次侧输出电压尽可能一致，从而将循环电流减小到可接受的范围。这是一项重要的运行调节技术。

十一、 结构设计防范：绕组联接方式的考量

       在变压器设计阶段，绕组的联接方式就影响着环流的产生。例如，在有三相不平衡负载的系统中，采用 Dyn11 联接组的变压器，其高压侧三角形接法为三次谐波电流提供了通路，能有效防止谐波环流在绕组中流通，并有利于抑制中性点漂移，相比某些联接组具有更好的防环流特性。在系统规划时，根据负荷特性科学选择变压器联接组，是一种前瞻性的抑制措施。

十二、 主动抵消策略：引入反向补偿电势

       在一些对环流控制要求极高的特殊场合，如大容量变流器并联、不间断电源系统并联等，可以采用主动控制策略。通过高精度传感器实时检测环流大小和相位，然后通过电力电子变流器产生一个与之大小相等、方向相反的补偿电压（电势），注入到环流回路中，从而主动抵消原有的不平衡电压，从理论上实现环流的完全消除。这种方法响应快、精度高，但系统复杂、成本较高。

十三、 运行管理要点：规范并联操作流程

       在变电站倒闸操作中，将变压器或线路由分列运行转为并联运行，是一项需要谨慎对待的操作。规程要求，在合环（即完成并联）之前，必须核验两侧电压的幅值、相位和频率是否一致或非常接近。通常需要先通过调节手段使待并设备的电压与运行母线电压同步，确保合环瞬间的冲击电流和后续的稳态循环电流最小。忽视这一步骤，直接进行“差压合环”，可能产生巨大的瞬时环流，对设备造成冲击甚至损坏。

十四、 新能源场站中的新挑战

       随着光伏电站、风电场等分布式新能源大规模接入电网，循环电流问题呈现出新特点。大量并网逆变器在公共连接点处并联运行，由于各逆变器输出滤波参数、控制延时、载波同步性的微小差异，以及线路阻抗的不平衡，会在逆变器之间产生高频开关次数的环流。这种环流不仅增加损耗，还可能引发电磁干扰，影响电能质量和设备寿命。因此，抑制并联逆变器间的环流，已成为新能源发电技术中的一个重要研究课题，通常通过改进调制策略或引入虚拟阻抗等控制算法来解决。

十五、 电力电子变换器中的环流抑制

       在模块化多电平换流器、并联运行的电压源型换流器等先进电力电子装备中，由于子模块参数差异或驱动信号不同步，会在桥臂间或相模块间产生内部环流。这类环流频率丰富，成分复杂。现代控制技术通过设计环流抑制控制器，在系统的内部控制环路中增加对环流分量的检测与反馈，生成相应的抑制信号，从而有效将其压制，确保换流器各单元应力均衡，稳定运行。

十六、 系统规划与设计的综合考量

       从宏观的系统规划角度，减少循环电流意味着要提高网络结构的清晰度和设备标准化程度。在电网设计中，应尽量避免形成不必要的电磁环网（即高低压线路通过变压器形成的多个并联回路），因为复杂的环网结构是滋生循环电流的温床。当必须采用环网运行方式时，需通过潮流计算预先分析环流情况。同时，推动设备参数的标准化、系列化，能从全网层面减少因设备混杂带来的环流风险。

十七、 维护与监测的常态化

       循环电流的管理并非一劳永逸。设备在长期运行后，其特性可能发生缓慢变化，如变压器绕组变形可能导致短路阻抗改变，从而破坏原有的平衡。因此，将循环电流监测纳入日常巡检和在线监测体系至关重要。定期测量记录并联设备的负荷分配情况，建立趋势档案，一旦发现环流异常增大，即可及时预警，查找原因并处理，防止问题累积恶化。
十八、 总结与展望：驾驭环流，提升系统品质

       总而言之，循环电流是电力与电子系统中一种伴随并联、环路结构而产生的固有物理现象。它如同一把双刃剑，其存在提示着系统的不平衡与潜在风险。通过深入理解其电磁本质，在设备选型、系统设计、运行控制、维护监测等全环节采取针对性措施，我们完全能够将其限制在安全、经济的范围之内。未来，随着电力系统更加复杂化、电力电子化，对循环电流的精细感知与智能抑制技术将愈发重要，是实现高可靠、高效率、高质量新型电力系统的关键技术支撑之一。认识它，分析它，最终驾驭它，这正是工程技术不断进步的生动体现。