段曉軍，王仁，遲主升

（廣州西門子變壓器有限公司，廣州 510530）

0 引言

近年來隨著我國特高壓直流工程的迅猛發(fā)展，輸電工程容量越來越大，傳輸電壓等級逐步提高［1-2］。換流變壓器作為直流輸電工程中的核心設備，傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)通過換流變壓器通過與換流閥的相互配合，在直流輸電的發(fā)送端將交流電整流成為直流電，在輸電線路的接收端再將直流電逆變成為交流電［3］，從而實現(xiàn)能量交直交的轉(zhuǎn)化。而換流變壓器的安全可靠運行直接決定著輸電系統(tǒng)的可靠性，目前換流變壓器設計除了傳統(tǒng)意義上的電磁參數(shù)優(yōu)化設計之外，換流變壓器變壓器在故障條件下變現(xiàn)特性也顯得十分必要，特別是故障條件下鐵心的磁特性也直接影響著其內(nèi)部短路力設計的邊界條件，通過電磁場仿真分析對其換流變在不同工況下的鐵心磁特性分布進行研究也是故障分析中的重要課題之一。

本文以某直流工程的實際換流變壓器項目為例，通過采用三維有限元磁場仿真的方法對換流變壓器在非短路工況下的空載工況、負載工況的鐵心磁密進行了分析，分析得到了鐵心中主磁通的分布特點，并通過與解析法對比驗證了仿真方法的可靠性，分析得到了正常工況下鐵心在空載與負載工況下磁密分布云圖類似且均未發(fā)生飽和，仿真得到了在負載感性負載條件下由于空間漏磁的疊加主磁通會對芯柱磁通有削。對換流變壓器在故障條件下的空載工況、負載工況的鐵心磁密進行了仿真分析，得到了換流變壓器在發(fā)生內(nèi)部短路故障工況下鐵心會因為短路安匝而出現(xiàn)局部的飽和特性，因此在故障條件下繞組受力分析需要考慮由于鐵心飽和的漏磁邊界影響。

1 仿真模型基本信息

本文研究模型為某工程一臺實際換流變壓器為例，換流變壓器為單相且額定容量415 MVA，網(wǎng)側(cè)繞組的額定電壓為，閥側(cè)繞組的額定電壓為174.9 kV，基本參數(shù)如表1 所示。鐵心型式為單相2／2 鐵心，每個鐵心上的繞組排布從鐵心向外依次為閥側(cè)繞組、網(wǎng)側(cè)繞組、調(diào)壓繞組，其中閥側(cè)繞組與網(wǎng)側(cè)繞組均為端部接線結(jié)構(gòu)，調(diào)壓繞組為軸向上、下兩個部分并聯(lián)結(jié)構(gòu)，繞組排布示意圖如圖1所示。

表1 變壓器基本技術(shù)參數(shù)

圖1 繞組排布

仿真采用Infolytica公司的MagNet 3D仿真模塊，對換流變壓器不同工況進行了磁場仿真分析。仿真模型的鐵心采用2／2鐵心形式，鐵心模型建立考慮各級疊厚度與內(nèi)部油道空隙，忽略鐵心內(nèi)部各片間漆膜涂層以及片間搭接氣隙的影響，忽略繞組模型建立繞組內(nèi)部墊塊分布影響?？紤]本文研究換流變壓器正常運行工況以及網(wǎng)側(cè)內(nèi)部短路工況，因此在右側(cè)故障芯柱將網(wǎng)側(cè)繞組進行分區(qū)處理，故障工況條件下其中8-34 餅考慮為短路區(qū)域，運行條件調(diào)壓繞組部分接入主電氣回路，因此調(diào)壓繞組同樣按照分區(qū)處理，另外考慮到仿真時效性的問題，忽略其他鐵磁材料的影響，器身的總體模型如圖2所示。

圖2 器身模型

考慮到仿真的時效性，對于網(wǎng)格剖分鐵心以及空氣劃分最大網(wǎng)格尺寸為限度，對于產(chǎn)生磁通繞組區(qū)域的體網(wǎng)格適當加密，整體器身劃分網(wǎng)格如圖3 所示。通過MagNet 軟件自帶的Circuit 電路功能對變壓器實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)非故障或者故障的工況設定，仿真采用求解器新一臺考慮鐵心材料的非線性特征，以達到準確評估不同工況條件下磁飽和特性的目的。

圖3 變壓器器身網(wǎng)格剖分

2 正常工況條件鐵心磁通分布特點

求解案例考慮正常工況1網(wǎng)側(cè)繞組施加電壓源且閥側(cè)繞組空載開路，根據(jù)基爾霍夫電壓感應定律［3］的概念進行描述，對于特定鐵心直徑與勵磁繞組匝數(shù)的產(chǎn)品，當變壓器的外部施加電壓確定后，鐵心內(nèi)的磁密基本可以確定可用下式計算求解［4］：

式中：E為電磁感應電動勢；f 為頻率；B 為鐵心芯柱磁密峰值；S為鐵心截面積。

仿真求解采用非線性求解器［5-7］，在Circuit 電路中網(wǎng)側(cè)施加線電壓775 kV，將兩個芯柱的網(wǎng)側(cè)繞組進行反向并聯(lián)處理，其網(wǎng)側(cè)繞組尾部反向串入調(diào)壓繞組3 級共24 匝，在網(wǎng)側(cè)各區(qū)域未額外設置短路工況，正?？蛰d條件下電路連接圖如圖4 所示。變壓器在工況1 空載條件下鐵心磁密分布云圖如圖5 所示，從工況1正常空載仿真結(jié)果分析，磁通全部集中在鐵心框架內(nèi)部且鐵心未見飽和，且空間漏磁可以忽略不計。最大磁密出現(xiàn)在上部主鐵軛位置，峰值為1.755 T，芯柱磁密峰值的仿真結(jié)果為1.595 T，如果考慮0.965 的鐵心填充系數(shù)，實際真實磁密為1.595／0.965 ＝1.653 T，采用式（1）解析計算結(jié)果為1.651 T，兩者計算結(jié)果結(jié)構(gòu)吻合，證明了仿真模型的準確性。

圖4 變壓器空載電路連接

圖5 工況1 網(wǎng)側(cè)正?？蛰d運行鐵心磁密分布云圖

正常負載運行工況2條件為網(wǎng)側(cè)繞組施加電壓源且閥側(cè)繞組帶0.5 H 感性負載工況，仿真模型的Circuit設定在圖4的基礎(chǔ)上增加閥側(cè)繞組電感負載，變壓器在工況2 條件下鐵心磁密分布云圖如圖6所示，負載正常工況下鐵心磁密分布與空載正常工況條件下分布類似，最大磁密出現(xiàn)在上部主鐵軛位置且鐵心未見飽和，其峰值為1.501 T，芯柱磁密峰值為仿真結(jié)果為1.250 T，網(wǎng)側(cè)與閥側(cè)之間漏磁磁密峰值為0.123 T，該漏磁數(shù)值取決于負載電流的大小。

圖6 工況2 網(wǎng)側(cè)正常負載運行鐵心磁密分布云圖

工況2負載條件下繞組切面漏磁分布矢量圖如圖7 所示，從漏磁的矢量圖可以發(fā)現(xiàn)，在主磁通的方向向上時刻，因為同一時刻的內(nèi)側(cè)繞組通過鐵心閉合的磁通方向向下，所以由繞組漏磁引起的磁通方向與其主磁通方向相反，因此在帶有感性負載條件下芯柱磁通會與漏磁條件下產(chǎn)生一定的相互疊加削弱效果，因此相比于工況1 來說，工況2 芯柱內(nèi)磁密下降了約21%。

圖7 工況2 網(wǎng)側(cè)正常負載運行磁密矢量圖

為了定量描述器身內(nèi)部磁通分布情況，在器身建立了4個切面，切面1 為窗口高度3／4 水平切面位置，切面2 為窗口高度1／2 水平切面位置，切面3 為鐵心主窗口中心垂直切面位置，切面4 右側(cè)旁柱窗口中心垂直切面位置，切面示意圖如圖8 所示，工況1 與工況2 的磁密仿真結(jié)果如表2所示。

圖8 工況1 磁密提取切面示意圖

表2 不同切面磁密分布表

3 內(nèi)部短路故障條件鐵心磁通分布特點

除了上述的正常工況條件下，當變壓器發(fā)生內(nèi)部短路的磁密分布同樣需要研究。內(nèi)部短路工況3 考慮右側(cè)芯柱網(wǎng)側(cè)繞組分為3個區(qū)，故障條件下考慮B2 區(qū)間發(fā)生短路，在Circuit 電路方法對該區(qū)域的首尾進行短接以模擬其短路故障工況［8-9］，網(wǎng)側(cè)內(nèi)部發(fā)生短路故障電路且閥側(cè)空載連接圖如圖9 所示。變壓器在工況3條件下鐵心磁密分布云圖如圖10 所示，過飽和磁通主要集中在故障芯柱中上部以及右側(cè)旁柱回路的卻與，且已經(jīng)該區(qū)域達到飽和的程度，最大漏磁出現(xiàn)在主芯柱上部3／4位置且磁密為2.154 T，主窗口上鐵軛中心磁密為2.031 T，旁柱中心磁密為2.06 T，切面1網(wǎng)側(cè)與閥側(cè)之間空間漏磁磁密峰值為0.394 T。

圖9 網(wǎng)側(cè)內(nèi)部短路且空載電路連接

圖10 工況3 網(wǎng)側(cè)短路空載運行鐵心磁密分布云圖

仿真工況4為負載條件下的網(wǎng)側(cè)內(nèi)部短路工況，即網(wǎng)側(cè)繞組B2區(qū)域發(fā)生短路且閥側(cè)繞組帶0.5 H 感性負載工況，仿真模型的Circuit在圖9的基礎(chǔ)上增加閥側(cè)繞組電感負載，變壓器在工況4條件下鐵心磁密分布云圖如圖11 所示。與工況3 空載下內(nèi)部故障工況條件下磁密分布類似，磁通主要集中在故障芯柱中上部以及右側(cè)旁柱回路位置且已經(jīng)達到飽和的程度，最大漏磁出現(xiàn)在主芯柱上部3／4 位置磁密為2.081 T，主窗口中心上鐵軛中心磁密為2.021 T，旁柱中心磁密為2.040 T，空間漏磁切面1 網(wǎng)側(cè)與閥側(cè)之間磁密峰值為0.294 T。本文研究的4 種工況下模型磁密仿真結(jié)構(gòu)如表3 所示，非故障條件下鐵心磁密均未發(fā)生飽和，內(nèi)部故障條件下由于短路安匝產(chǎn)生的漏磁影響，遠離故障短路環(huán)側(cè)會整體呈現(xiàn)區(qū)域飽和特性，鐵心飽和后的漏磁回歸邊界會因此而發(fā)生改變，因此在故障分析中需要考慮漏磁邊界變化而產(chǎn)生的短路力變化［10］，工況3 空載條件發(fā)生內(nèi)部短路的漏磁分布如圖12 所示。

圖11 工況4 網(wǎng)側(cè)短路負載運行鐵心磁密分布云圖

表3 全工況下不同切面磁密分布表

圖12 工況3 網(wǎng)側(cè)空載矢量運行分布云圖

4 結(jié)束語

本文以某工程一臺實際換流變壓器產(chǎn)品為例，采用了3D有限元仿真軟件對換流變壓器的閥側(cè)空載或者負載工況，網(wǎng)側(cè)正常勵磁或者發(fā)生內(nèi)部短路的不同工況進行了仿真分析，可以得到如下結(jié)論。

（1）換流變壓器網(wǎng)側(cè)正常運行條件下閥側(cè)空載、負載條件鐵心均不會發(fā)生飽和，空載工況最大磁密出現(xiàn)在上部主鐵軛位置，峰值為1.755 T，芯柱磁密峰值仿真結(jié)果為1.595 T；負載工況磁密分布與空載工況類似，但帶有感性負載條件下芯柱磁通會與漏磁條件下產(chǎn)生一定的疊加減小的效果。

（2）換流變壓器網(wǎng)側(cè)內(nèi)部短路條件故障條件且閥側(cè)空載、負載工況下磁密主要集中在故障芯柱中心上部以及右側(cè)旁柱回路區(qū)域且鐵心會發(fā)生飽和，空載故障條件下最大漏磁出現(xiàn)在主芯柱上部3／4位置磁密為2.154 T，負載故障條件下相同位置最大漏磁會略有下降為2.081 T，在故障分析條件下需要考慮漏磁邊界變化而引起的短路力影響。