潘超 米儉 蔡國偉 王格萬 韓濤 金明權

Abstract：The variation of inductance and current are obviously different from the traditional condition when the power transformer is impacted by DC disturbance. The characteristics of dynamic leakage inductance were studied in AC-DC hybrid transformer. The T-shape equivalent circuit was established based on the basic circuit principle. Identification matrix of the dynamic inductance is obtained， and the identification method of inductance was deduced. Then the electromagnetic characteristics of DC-injected transformer were simulated and analyzed through the time-domain field-circuit coupled method， and the varying rule of the key parameters was summarized. Furthermore， the variation characteristics of dynamic leakage inductance on both sides of transformer were analyzed to reflect the different DC disturbance level combined with T equivalent circuit. Finally， the simulation results were verified by the dynamic model test.

Keywords：equivalent circuit; DC disturbance; dynamic leakage inductance; transformer protection

0 引 言

電力變壓器作為電力系統(tǒng)中至關重要的設備，在不同級別的電網互聯和功率交換著關鍵作用[1-2]。研究發(fā)現，（準）直流電流可以出現在直流輸電單極大地回路運行或地球磁暴條件下交流電網的接地變壓器—輸電線路—大地回路中[3-4]，同時大規(guī)模電力電子裝置的應用與普及，使得線路中可能存在一定的直流分量[5]。因此，交流電網中的變壓器存在交直流混雜的特殊運行環(huán)境，導致作為電磁裝置的一類設備如變壓器存在直流偏磁[6]。近年來，歐美地區(qū)多次發(fā)生由于變壓器遭受直流擾動所導致的大規(guī)模停電事故[7]，我國各地區(qū)電網也頻繁出現類似事故[8]。直流擾動時，會給變壓器帶來運行異常以及保護方面等問題，從而威脅電網及其主要設備的安全穩(wěn)定運行。因此，研究直流擾動時相關參數的變化情況以及對設備和系統(tǒng)的安全性和保護設計具有重要意義。

直流擾動情況下的變壓器，存在鐵心飽和程度加深、勵磁電流畸變以及諧波增加等現象，進一步帶來相關電氣參數的保護故障以及補償裝置跳閘等問題[9-10]。目前，依靠電感參數開展變壓器保護的研究頗受關注[11-13]。文獻[14-15]中以變壓器漏感參數作為研究對象，利用漏感反映變壓器遭受擾動時的內部電磁變化情況，從而保護短路等故障時的變壓器。但是，上述方法沒有將直流擾動考慮到變壓器的運行狀態(tài)中，而且變壓器遭受直流擾動時采用該保護策略并沒有對漏感參數進行處理。因此，有必要結合變壓器偏磁特點，分析漏感參數的變化特性，為探索變壓器新型直流擾動保護策略提供理論依據。

本文研究了直流擾動時變壓器偏磁效應下的漏感參數變化特性，通過建立基于動態(tài)漏電感參數的變壓器直流擾動模型，獲得動態(tài)漏電感矩陣和勵磁電感矩陣。利用電磁耦合模型模擬受直流擾動影響時的變壓器電磁特性，總結電流、電感和磁通量的變化規(guī)律，分析變壓器兩側動態(tài)漏感的變化特性。最后，通過動模實驗驗證仿真分析結果。

1 基于漏感參數的直流擾動模型

1.1 變壓器電路方程

表3中，L1e為動態(tài)電感的平均值。變壓器勵磁飽和程度隨直流擾動水平的升高而加深。對比不同運行條件下變壓器關鍵參數可知：直流擾動加深時，I1增大，L1e減小，表明有效主磁通減小，漏磁通增大，從而導致動態(tài)漏電感的增大。綜上，變壓器空載運行與負載運行時，動態(tài)漏電感參數的變化情況基本一致。

5 結 論

對于交直流混雜環(huán)境下變壓器受的勵磁飽和與失穩(wěn)問題，結合漏電感參數在直流擾動下的變化情況研究其偏磁特性，得出以下結論：

1）無直流擾動時，動態(tài)漏電感參數正負半周對稱，隨著直流擾動增大，電感波形發(fā)生畸變，與非線性勵磁狀態(tài)對應，其畸變程度由直流擾動程度決定，利用漏感參數可以表征變壓器在直流擾動下的異常和故障。

2）通過實驗數據驗證仿真波形的正確性，同時驗證了本文所提出的漏感參數分析方法的有效性，為進一步研究交直流混雜環(huán)境下變壓器的變化特性與開展相關保護研究提供可行方法。

參 考 文 獻：

[1] DANIEL G，HECTOR E，ERNESTO V，et al.Algorithm for transformer differential protection based on wavelet correlation modes[J].IET Generation， Transmission & Distribution，2016，10（12）：2871.

[2] 許加柱，祁琦，李知宇，等.基于降階電感矩陣法的多流制牽引主變壓器直流濾波電感的計算[J].中國電機工程學報，2015，35（15）：3964.

XU Jiazhu，QI Qi，LI Zhiyv，et al.Calculations of DC Filter Inductance Used in Multi-System Traction Main Transformers Based on the Reduced-Order Inductance Matrix Method[J].Proceedings of the CSEE，2015，35（15）：3964.

[3] SABURO T，HAYAKI M，TOMOVA H，et al.Imaging of magnetic nanoparticles using a second harmonic of magnetization with DC bias field[J].IEEE Transactions on Magnetics，2015，51（2）：1.

[4] 劉春明，黃彩臣，林晨翔.抑制變壓器地磁感應電流的電容隔直裝置安裝位置優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)自動化，2016，40（16）：132.

LIU Chunming，HUANG Caichen，LIN Chenxiang.Installation position optimization of capacitor DC blocking devices for suppressing geomagnetically induced currents in transformers[J].Automation of Electric Power Systems，2016，（16）：132.

[5] 陳國棟，宋晉峰，張亮，等.動態(tài)電壓恢復器注入變壓器的直流偏磁抑制策略[J].中國電機工程學報，2014，34（28）：138.

CHEN Guodong，SONG Jinfeng，ZHANG Liang，et al.Control strategy for eliminating DC magnetic flux in the injection transformer of a dynamic voltage restorer[J].Proceedings of the CSEE，2014，34（28）：138.

[6] BAODONG B，CHEN Zhiwei，CHEN Dezhi.DC bias elimination and integrated magnetic technology in power transformer[J].IEEE Transactions on Magnetics，2015，51（11）：1.

[7] P R PRICE.Geomagnetically induced current effects on transformers[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2012，17（4）：1002.

[8] LIU C M，LIU L G， R P.Geomagnetically induced currents in the high-voltage power grid in China [J].IEEE Transactions on Power Delivery，2010，24（4）：2368.

[9] 李泓志，崔翔，劉東升，等.直流偏磁對三相電力變壓器的影響[J]. 電工技術學報，2010，25（05）：88.

LI Hongzhi，CUI Xiang，LIU Dongsheng，et al.Influence on three-phase power transformer by DC bias Excitation[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2010，25（05）：88.

[10] 譚炳源，盧繼平，江波，等.直流偏磁對計量用電流互感器的性能影響分析[J].電網技術，2014，38（05）：1408.

TAN Bingyuan，LU Jiping，JIANG Bo，et al.Analysis of influence of DC bias on instrument current transformer[J].Power System Technology，2014，38（05）：1408.

[11] 焦在濱，馬濤，屈亞軍，等.基于勵磁電感參數識別的快速變壓器保護[J].中國電機工程學報，2014，34（10）：1658.

JIAO Zaibin，MA Tao，QV Yajun，et al.A novel excitation inductance-based power transformer protection scheme[J].Proceedings of the CSEE，2014，34（10）：1658.

[12] 索南加樂，許立強，焦在濱，等.基于磁路特征的三相三柱式變壓器勵磁參數識別[J].中國電機工程學報，2011，31（19）：97.

SUONAN Jiale，XU Liqiang，JIAO Zaibin，et al.Identification method for excitation inductances of three-phase three-limb transformer based on characteristics of magnetic circuit[J].Proceedings of the CSEE，2011，31（19）：97.

[13] 鄧祥力，高亮，劉建峰，等.特高壓變壓器模型漏感參數的穩(wěn)態(tài)識別方法[J]. 電工技術學報，2014，29（5）：254.

DENG Xiangli，GAO Liang，LIU Jianfeng，et al.Steady-State parameter identification of UHV transformer model[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29（5）：254.

[14] 索南加樂，王志恩，焦在濱，等.基于變壓器T形等效電路的漏電感參數特性分析[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2010，34（11）：38.

SUONAN Jiale，WANG Zhien，JIAO Zaibin，et al. Analysis of the leakage inductance parameter characteristics using the transformer T-equivalent circuit[J].Automation of Electric Power Systems，2010，34（11）：38.

[15] 王增平，馬靜.基于等效瞬時漏感與回路方程的變壓器保護原理[J]. 中國電機工程學報，2007，27（19）：39.

WANG Zengping，MA Jing.A novel principle of transformer protection based on equivalent instantaneous leakage inductance and loop equation[J]. Proceedings of the CSEE，2007，27（19）：39.

[16] 潘超，孟濤，王夢純，等.交直流混合模式下變壓器動態(tài)電感參數辨識方法[J].中國電機工程學報，2015，35（24）：6315.

PAN Chao，MENG Tao，WANG Mengchun，et al.Identification of dynamic inductance for transformer under AC-DC hybrid mode[J]. Proceedings of the CSEE，2015，35（24）：6315.

[17] 潘超，何雯婷，郝文波，等.一種變壓器時域場路耦合計算的自適應算法[J].電工技術學報，2014，29（12）：113.

PAN Chao，HE Wenting，HAO Wenbo，et al.A self-adaptive algorithm of time-domain magnetic field and electric circuit coupled computation for transformer[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29（12）：113.

[18] 尹克寧.變壓器設計原理[M].北京：中國電力出版社，2003.

[19] 劉春明，王璇，劉連光，等.考慮海岸效應影響的電網地磁感應電流的計算方法[J].中國電機工程學報，2016，36（22）：6059.

LIU Chunming，WANG Xuan，LIU Lianguang，et al.Calculation method of geomagnetically induced currents in the power grid considering the influence of the coast effect[J].Proceedings of the CSEE，2016，36（22）：6059.

[20] 孫建濤，李金忠，張書琦，等.單相單柱旁軛變壓器直流偏磁運行性能測試與分析[J].電網技術，2013，37（07）：2041.

SUN Jiantao，LI Jinzhong，ZHANG Shuqi，et al.Test and analysis on operating performance of transformer with single-phase three-limb core under DC bias[J].Power System Technology，2013，37（07）：2041.

（編輯：賈志超）