國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司檢修分公司 王相鋒 陳習(xí)文 任寶林 朱恩澤 馮小軒 張亞男

1 特高壓變壓器概述

變壓器的振動(dòng)主要是由硅鋼的磁致伸縮引起的。隨著激勵(lì)電流的改變，磁致伸縮會(huì)使核心周期性地震動(dòng)。直流偏磁下的變壓器鐵心處于半周磁飽和和磁通偏移狀態(tài)。由于直流偏置，發(fā)生了正半周期飽和，這種現(xiàn)象引起了一些嚴(yán)重的影響，如磁通的消耗、諧波的產(chǎn)生、無(wú)功功率的增加，最終導(dǎo)致加熱、磁損耗，特別是振動(dòng)和噪聲。由于勵(lì)磁電流中偶次諧波的增加，繼電保護(hù)裝置容易發(fā)生誤動(dòng)作，由于鐵心不對(duì)稱飽和，電力系統(tǒng)無(wú)功損耗增大。對(duì)直流偏磁現(xiàn)象的研究主要是從外部對(duì)變壓器進(jìn)行測(cè)量和分析，不涉及變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。直流偏置變壓器的損耗和磁場(chǎng)的計(jì)算還處于初級(jí)階段，因此沒(méi)有對(duì)變壓器損耗進(jìn)行大規(guī)模的非線性暫態(tài)場(chǎng)分析。

電力變壓器是傳輸和分配系統(tǒng)的基本設(shè)備。其可靠和持續(xù)的性能是盈利的發(fā)電和傳輸?shù)年P(guān)鍵。其采購(gòu)、更換、運(yùn)輸、安裝和維修費(fèi)用在整個(gè)系統(tǒng)中是最高的。在電力系統(tǒng)放松管制的政策下，各電力公司都在努力降低成本，防止意外損失比以往更加重要。電力變壓器意外停運(yùn)造成的資本損失通常以百萬(wàn)美元計(jì)算，僅計(jì)入產(chǎn)出損失，更不用說(shuō)與維修或更換有關(guān)的費(fèi)用[1]。由于這種激勵(lì)，預(yù)防性測(cè)試和狀態(tài)監(jiān)測(cè)有利于預(yù)測(cè)早期故障狀態(tài)以及計(jì)劃停電、維護(hù)。為對(duì)電力變壓器提供準(zhǔn)確和完整的診斷已開(kāi)發(fā)了幾種方法，諸如基于油中溶解氣體分析、局部放電的電子或聲學(xué)檢測(cè)、紙絕緣聚合度的測(cè)定、頻率響應(yīng)分析或介質(zhì)損耗角測(cè)量等方法得到了廣泛的應(yīng)用，另外還有基于振動(dòng)、勵(lì)磁電流、漏磁、熱像、繞組電阻或繞組比例分析的方法。這些調(diào)查得出的一個(gè)共同結(jié)論是越來(lái)越需要開(kāi)發(fā)新的診斷技術(shù)，這種技術(shù)可在不使變壓器停止運(yùn)行的情況下應(yīng)用，也可提供故障嚴(yán)重程度標(biāo)準(zhǔn)，特別是用于確定變壓器繞組絕緣故障，事實(shí)上繞組缺陷是發(fā)生在電力變壓器中最嚴(yán)重的故障類型。

最難保護(hù)的變壓器繞組故障是最初只涉及一個(gè)匝的故障。匝與匝之間的短路可從點(diǎn)接觸開(kāi)始，點(diǎn)接觸起因于機(jī)械力，絕緣劣化起因于過(guò)度過(guò)載，松散的連接或變壓器絕緣被脈沖電壓擊穿。最初絕緣擊穿導(dǎo)致內(nèi)部電弧，從而導(dǎo)致低電流高阻抗故障。如沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，這個(gè)早期的故障就會(huì)以隨機(jī)的傳播速度發(fā)展，包括額外的轉(zhuǎn)彎和層次，導(dǎo)致高電流低阻抗故障。通常，早期的匝間絕緣缺陷不會(huì)從線路上吸引足夠的電流來(lái)操作普通的過(guò)載斷路器或甚至更敏感的保護(hù)裝置，如差動(dòng)繼電器。實(shí)際上，常規(guī)變壓器百分比差動(dòng)保護(hù)的主要功能是限制內(nèi)部缺陷造成的損壞程度、盡可能迅速地隔離故障，而不是提供繞組損壞早期階段的指示。此外，差分繼電保護(hù)安全性(即避免錯(cuò)誤觸發(fā))是一個(gè)主要問(wèn)題，是以犧牲保護(hù)靈敏度為代價(jià)獲得的。因此，傳統(tǒng)的變壓器差動(dòng)保護(hù)在發(fā)展成為更嚴(yán)重和更昂貴的接地故障前通常不夠靈敏，不足以檢測(cè)匝間繞組絕緣缺陷。

2 直流偏磁現(xiàn)象分析

直流偏磁現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在電磁裝置中，如電力變壓器、鐵芯電抗器和其他高壓電氣設(shè)備中。當(dāng)直流偏置發(fā)生時(shí)會(huì)引起一系列問(wèn)題，如諧波、振動(dòng)、噪聲、反應(yīng)、渦流等現(xiàn)象。研究通常集中在這些裝置中鐵芯的磁化行為測(cè)量。傳統(tǒng)測(cè)量方法主要有愛(ài)潑斯坦框架測(cè)量法和單片測(cè)量法，其主要缺點(diǎn)是只能在離線條件下進(jìn)行測(cè)量。此外，鐵芯在直流偏置條件下磁路長(zhǎng)度難以準(zhǔn)確測(cè)量，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差。后來(lái)又提出幾種在線測(cè)量直流偏磁通量的方法，但這些直流偏置下的實(shí)現(xiàn)與直流電流、勵(lì)磁電流、負(fù)載電流等因素密切相關(guān)，在直流偏置特性下很難準(zhǔn)確、清晰地測(cè)量磁通。

在變壓器運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)鐵芯的磁通造成鐵芯損耗，通過(guò)繞組的電流也造成繞組損耗，即基本銅損耗和基本鐵損耗。變壓器鐵損包括基本鐵損和附加鐵損，變壓器基本鐵損與頻率和鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)，直流偏磁對(duì)變壓器基本鐵損影響不大。目前對(duì)變壓器中性點(diǎn)允許直流流量的研究已有一定的成果，本文提出了包括繞組和箱體之外的非磁性空間在內(nèi)的離心路徑的詳細(xì)等效電路。將該模型應(yīng)用于三相三橋臂變壓器，從勵(lì)磁電流的諧波含量、無(wú)功功率和有功功率的增加及繞組銅損耗等方面研究了直流磁鏈偏移對(duì)變壓器性能的影響。在直流偏置條件下，變壓器鐵芯的總磁通由直流磁通和交流磁通疊加而成，這將導(dǎo)致勵(lì)磁電流波形在一定的方向上產(chǎn)生偏移，這種偏移取決于注入電流(變壓器的直流注入分量)的正負(fù)值。

3 勵(lì)磁電流的計(jì)算流程分析

本文首先設(shè)計(jì)了分析直流偏磁條件的三橋臂三相變壓器的整體雙電路模型，這種雙等效電路與傳統(tǒng)等效電路的不同之處在于，在a 相的藍(lán)色虛線圓內(nèi)對(duì)離心磁通路采用了詳細(xì)的電路，另外兩個(gè)相有相同的電路[2]。圖1示出了如何從所述磁性結(jié)構(gòu)得到所述核外等效電路，可看出線性電感(L1～L5)表示繞組之外的非磁性空間(油隙)，非線性支路表示儲(chǔ)罐元件。

圖1 (a)由對(duì)偶原理得到的離心磁通路、(b)磁路和(c)電等效電路

為計(jì)算線性電感(L1～L5)采用商業(yè)軟件ANSYS-Maxwellv.15。在有限元模擬中排除了罐體單元(壁、蓋和底)，并在罐體表面設(shè)置了一組邊界條件。這些零值和無(wú)窮值是通過(guò)一組通量切向(t)和通量法線(n)邊界條件的每個(gè)單元分別實(shí)現(xiàn)。

為驗(yàn)證離心模型和研究直流偏磁現(xiàn)象，考慮了一個(gè)300kVA 的三橋臂三相變壓器。本裝置為YN-YN 矢量組，電壓等級(jí)為11.430/0.235kV，設(shè)計(jì)資料包括繞組和鐵芯尺寸、容器尺寸及其與有源部分的距離，以及包括在廣泛勵(lì)磁范圍內(nèi)的開(kāi)路零序測(cè)試在內(nèi)的完整測(cè)試結(jié)果。為計(jì)算離心線性電感建立了基于三維有限元法的單元模型，由于沒(méi)有考慮鐵心的渦流效應(yīng)，因此采用了磁勢(shì)的靜態(tài)公式。在仿真過(guò)程中采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法，對(duì)每次運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的元件尺寸進(jìn)行細(xì)化和分析，使能量誤差小于0.05%。

研究結(jié)果，勵(lì)磁電流波形基本上相對(duì)于x 軸是對(duì)稱的，同時(shí)沒(méi)有直流電流，由于磁通飽和，電流主要包含三次諧波、五次諧波和其他奇次諧波，根據(jù)傅立葉變換家族中的關(guān)系，隨著直流電流的增大，勵(lì)磁電流中出現(xiàn)了偶次諧波并隨之增大。正半周期存在一個(gè)峰值，當(dāng)無(wú)直流電流時(shí)峰值遠(yuǎn)大于勵(lì)磁電流，電流畸變程度增大。當(dāng)直流電流為0.4A 時(shí)激勵(lì)電流的總諧波失真度為89.235%，幾乎是無(wú)直流電流時(shí)總諧波失真度的三倍。隨著直流電流的增加勵(lì)磁電流中的各級(jí)諧波都增加，其中二次諧波的增加速度最快，高次諧波的增加速度較小。本文采用專門設(shè)計(jì)的比例變換器和等效數(shù)值模型對(duì)特高壓變壓器直流偏磁時(shí)的電磁特性進(jìn)行了評(píng)估，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明了分析的有效性。隨著直流電流的侵入磁通量增加，此外堆芯操作點(diǎn)迅速進(jìn)入飽和狀態(tài)。當(dāng)直流電流為1A 流入繞組時(shí)，勵(lì)磁電流峰值約為正常值的18倍。同時(shí)諧波的幅值迅速增加，特別是1、2、3次諧波。大量的諧波會(huì)給變壓器和電網(wǎng)帶來(lái)一系列的問(wèn)題[3]。