宋佩利 祁斌 孫臻 連鶴林

摘要：針對(duì)電力網(wǎng)變壓器直流偏磁問(wèn)題，本文基于一臺(tái)單相變壓器，對(duì)其空載運(yùn)行時(shí)的直流偏磁問(wèn)題進(jìn)行了仿真及實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)比不同直流偏磁下的勵(lì)磁電流及諧波波形，對(duì)直流偏磁下偶次諧波增大原因進(jìn)行了分析研究。對(duì)比仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其變化趨勢(shì)一致，驗(yàn)證了仿真的正確性和可靠性。為研究大型電力變壓器直流偏磁現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：變壓器;直流偏磁;勵(lì)磁電流;諧波

1?緒論

由于直流輸電網(wǎng)、地磁暴變化等因素，引起變壓器中性點(diǎn)接地電位升高，使變壓器鐵心每隔半個(gè)周期就會(huì)出現(xiàn)磁飽和，勵(lì)磁電流畸變。直流的入侵，使變壓器出現(xiàn)嚴(yán)重的偏磁飽和現(xiàn)象，引起鐵心漏磁增大、金屬結(jié)構(gòu)件損耗增加、溫升增加、局部過(guò)熱、絕緣破壞、噪聲增大、振動(dòng)加劇等后果。直流偏磁的大小和持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短也會(huì)影響變壓器關(guān)聯(lián)電網(wǎng)的安全運(yùn)行，系統(tǒng)電壓降低，系統(tǒng)繼電器誤動(dòng)作等[1-4]。許多學(xué)者將注意力轉(zhuǎn)移到變壓器直流偏磁問(wèn)題上來(lái)。

本文針對(duì)一臺(tái)單相變壓器，建立其空載運(yùn)行時(shí)的等效模型，利用有限元方法對(duì)其直流偏磁下的勵(lì)磁電流及諧波進(jìn)行仿真。并對(duì)該變壓器進(jìn)行直流偏磁條件下空載實(shí)驗(yàn)，與仿真結(jié)果比較，驗(yàn)

證了仿真方案的正確性與可行性。為研究大型電力變壓器直流偏磁現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)。

2?磁特性測(cè)量

考慮到變壓器結(jié)構(gòu)、接縫以及搭接形式的影響，首先對(duì)變壓器的磁特性進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)電路連接圖如圖1所示。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓器輸出一額定電壓為220V相對(duì)穩(wěn)定的交流電壓，通過(guò)可調(diào)變壓器調(diào)節(jié)加到變壓器二次側(cè)電壓大小，變壓器一次側(cè)開(kāi)路。A為示波器交流電流鉗，V為示波器高壓探頭[5]。

利用調(diào)壓器逐漸增加被試變壓器二次側(cè)電壓大小，利用示波器交流電流鉗和差分探頭測(cè)量勵(lì)磁電流波形及一次側(cè)電壓值波形。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律：

可以得到磁感應(yīng)強(qiáng)度B的計(jì)算公式：

式中，為初級(jí)繞組的感應(yīng)電勢(shì)，為通過(guò)鐵心的磁鏈，為一次側(cè)匝數(shù)，為鐵心橫截面積。

引入平均磁路長(zhǎng)度，根據(jù)全電流定律：

可以得到磁場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算公式：

通過(guò)公式（1）、（2）對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，得到對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度，繪制出變壓器在空載運(yùn)行時(shí)的基本磁化曲線如圖2所示，磁滯回環(huán)族如圖3所示。

3?模型變壓器仿真分析

表1所示為變壓器基本參數(shù)。根據(jù)表1參數(shù)，對(duì)變壓器進(jìn)行系統(tǒng)仿真，得到不同直流偏磁下的勵(lì)磁電流和諧波波形。如圖4、圖5所示。

由圖4可以看出，無(wú)直流時(shí)勵(lì)磁電流正負(fù)半周對(duì)稱，偏磁電流0.5A時(shí)勵(lì)磁電流向上偏移，偏磁電流1A時(shí)勵(lì)磁電流繼續(xù)向上偏移，波形嚴(yán)重畸變。

由圖5可以看出，無(wú)直流時(shí)勵(lì)磁電流諧波以奇次諧波為主，3次諧波含量最大。偏磁電流0.5A時(shí)，偶次諧波增加比較明顯，奇次諧波也有所增加，2次諧波與3次諧波含量基本相等。偏磁電流1A時(shí)，各次諧波均明顯增加，2次諧波增加最為明顯，其諧波含量已超過(guò)3次諧波含量。

4?模型變壓器實(shí)驗(yàn)分析

圖6為變壓器直流偏磁實(shí)驗(yàn)接線圖。兩臺(tái)變壓器T1、T2參數(shù)、尺寸完全一致。一次側(cè)并聯(lián)接入電網(wǎng)，二次側(cè)反向串聯(lián)，以抵消由直流引入帶來(lái)的反電勢(shì)。將直流源DC串聯(lián)接入二次側(cè)，通過(guò)可調(diào)變阻器調(diào)節(jié)偏磁電流大小。圖7所示為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

5直流偏磁下變壓器偶次諧波產(chǎn)生機(jī)理

如圖10所示，為直流偏磁下，變壓器空載電流波形。當(dāng)無(wú)直流偏磁時(shí)，勵(lì)磁電抗僅與感應(yīng)電勢(shì)及空載電流有關(guān);當(dāng)發(fā)生直流偏磁時(shí)，勵(lì)磁電抗與交直流共同作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)及勵(lì)磁電流有關(guān)。

因此，通過(guò)回路電阻的反饋，使勵(lì)磁繞組中出現(xiàn)偶次諧波電壓，產(chǎn)生偶次諧波磁通。

6結(jié)論

[1]?李泓志，崔翔，盧鐵兵，程志光，劉東升，焦翠萍.?變壓器直流偏磁的電路-磁路模型[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29（27）：119-125.

[2]?李曉萍，文習(xí)山.三相五柱變壓器直流偏磁計(jì)算研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（1）：127-131.

[3]?趙小軍，李琳，程志光，魯君偉，焦翠坪.應(yīng)用諧波平衡有限元法的變壓器直流偏磁現(xiàn)象分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（21）：103-108.

[4]?彭晨光，劉連光.基JA理論的750K自耦變壓器直流偏磁研究[J].華東電力，2010，38（3）：349-353.

[5]?趙志剛，劉福貴，顏威利，張俊杰，劉蘭榮，范亞娜，程志光.直流偏磁條件下變壓器激磁電流的實(shí)驗(yàn)與分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010.25（4）：71-76.