（电工理论与新技术专业论文）电力变压器耐受直流偏磁能力的仿真研究.pdf

华北电力人学硕十学位论文 摘要 电力变压器发生直流偏磁不仅会引起变压器振动、噪声和温升等问题，严重时 还会对电力系统产生一系列影响，定量分析直流偏磁电流对变压器的影响，对电力 系统安全运行具有重要的意义。本文首先采用电路磁路耦合的数值方法建立变压 器直流偏磁计算模型，在确定该模型有效性的基础上分析了电力变压器( 单相三柱、 三相三柱和三相五柱变压器) 空载和负载两种情况下不同直流偏磁入侵时绕组中的 电流以及励磁特性的变化规律，然后结合a n s y s 二维有限元软件定量分析了变压 器内部磁场的变化规律，最后结合变压器相关经验公式，评估了这三种电力变压器 在不同直流偏磁工况下铁心噪声的增加情况。本文研究结论为评估电力变压器耐受 直流偏磁能力提供了一定的定量依据。 关键词：电力变压器，直流偏磁，电路磁路耦合，有限元分析 a b s t r a c t d cb i a si n v a s i o no ft r a n s f o r m e rw i n d i n g sw i l ln o to n l yc a u s ev i b r a t i o n n o i s ea n dt e m p e r a t u r eo f t r a n s f o r m e rc o r ea n ds oo n t h es y s t e mw i l lb ew o d u c e das e r i e so fs e r i o u si m p a c t c a r r yo u tt h e t r a n s f o r m e rd cb i a si n f l u e n c eq u a n t i f i c a t i o n a ii so fg r e a ts i g n i f i c a n c eo l lt h es a f eo p e r a t i o no fp o w e r s y s t e m s t h i sp a p e re s t a b l i s had e t a i l e dm o d e lo ft h et r a n s f o r m e rw i t ht h ec o u p l e de l e c t r o m a g n e t i cm e t h o d ， w h i c hi n c l u d i n gt h em a i nm a g n e t i cf l u xl e a k a g ec i r c u i t o nt h eb a s i so ft h ev a l i d a t i o no ft h et r a n s f o r m e r m o d e l ，c a l c u l a t e dt h ew i n d i n gc u r r e n tc h a n g e so fp o w e rt r a n s f o r m e r ( i n c l u d es i n g l e - p h a s et h r e e - l i m b ， t h r e e - p h a s et h r e e 1 i m ba n dt h r e e - p h a s ef i v e - l i m bt r a n s f o r m e r s ) i nd i f f e r e n tm a g n e t i cb i a sc a s e sa n di nt h e t r a n s f o r m e rn o 1 0 a da n dl o a dc a s o s t h e nc o m b i n e dw i t ht w o - d i m e n s i o n a lf m i t ee l e m e n ts o f h v a r ea n s y s q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s o ft h ei n t e m a l m a g n e t i c f i e l dv a r i a t i o no ft r a n s f o r m e r s 。 f i n a l l y u s e t r a n s f o r m e r - r e l a t e de m p i r i c a lf o r m u l at oe v a l u a t et h en o i s ei n c r e a s e so ft h e s et h r e ek i n d so fp o w e r t r a n s f o r m e r sa tv a r i o u sd cb i a s t h i sp a p e rp r o v i d e dac e r t a i na m o u n to fd a t ab a s i st oa s s e s st h et o l e r a n c e o ft h e s et h r e ek i n d so ft r a n s f o r m e r s c a p a c i t yo fd cb i a s b a if e n g ( e l e c t r i c a lt h e o r ya n dn e wt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f c u ix i a n g k e yw o r d s ：p o w e rt r a n s f o r m e r , d cm a g n e t i cb i a s ，e l e c t r i cc i r c u i t m a g n e t i cc i r c u i t c o u p l i n g ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 一2 一 华北电力人学硕十学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 课题研究背景1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状3 1 3 本论文主要工作4 第二章直流偏磁对电力变压器的影响机理及危害一6 2 1 直流偏磁电流的由来6 2 2 直流偏磁对电力变压器的影响机理7 2 3 直流偏磁对电力变压器及电力系统的危害8 2 3 1 电力变压器噪声8 2 3 2 电力变压器损耗和温升9 2 3 3 电力变压器的振动1 0 2 3 4 直流偏磁电流入侵电网的影响1 0 2 4 直流偏磁状态下变压器励磁电流的计算1 1 2 5 小结1 4 第三章电力变压器电路磁路耦合模型1 5 3 1 试验变压器电路磁路耦合模型1 5 3 1 1 模型的建立l5 3 1 2 有效性分析1 7 3 2 电力变压器直流偏磁状态的仿真1 8 3 2 1 单相变压器直流偏磁状态下绕组电流计算。1 9 3 2 2 三相三柱变压器直流偏磁状态下绕组电流计算2 1 3 2 3 三相五柱变压器直流偏磁状态下绕组电流计算。2 3 3 3 小结2 6 第四章电力变压器内部磁场分布的有限元分析2 7 4 1 单相三柱变压器直流偏磁状态下的内部磁场计算2 7 4 2 三相三柱变压器直流偏磁状态下的内部磁场计算3 2 一t 一 华北电力人学硕十学 _ 7 ：论文 4 3 三相五柱变压器直流偏磁状态下的内部磁场计算3 6 4 4 直流偏磁状态下电力变压器噪声的变化4 l 4 5 小结4 3 第五章结论与展望4 5 5 1 结论4 5 5 2 展望。4 6 参考文献4 7 致谢4 7 在学期间发表论文和参加科研情况5 2 华北电力人学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章引言 电力变压器作为电力系统能量传输的主要设备，其运行状态会直接影响整个电 力系统的安全稳定运行【l 】。近年来，直流输电技术( h v d c ) 以其在提高电力系统 运行的经济性、稳定性和灵活性等优势得到迅速发展，在我国电网中更是得到了广 泛应用。但是，随着电压等级的提高，用电负荷的增加，变压器出现直流偏磁的现 象也日益突出。直流输电系统以单极大地回路方式或双极不平衡方式运行时，巨大 的直流电流或不平衡电流会注入大地，又从大地流到直流系统的另一端，大量的直 流电流从大地中流过时在流经的大地路径上产生电位差。如果两个变电站之间地电 阻较大时，电位差也较大。对于在附近运行的电力变压器，由于直流地电位差产生 的直流电流将通过变压器中性接地点及输电线路组成的通路流经变压器绕组，这一 流经变压器绕组的直流电流作为励磁电流，在铁心内部产生了一定数值的直流磁 通，形成电力变压器铁心的直流偏磁。 对于中性点直接接地的星形连接电力变压器，当其绕组上有直流电流流过时， 会出现铁心工作点偏移、漏磁增加、杂散损耗增加、过热、振动加剧、噪声增大等 一系列直流偏磁问题。直流偏磁也会对电网造成不良影响：系统电压和电流波形畸； 系统电压幅值波动；系统保护误动；c t 输出错误：直流输电系统的输出直流中谐 波增加，直流滤波器过载影响开关动作的暂态性能( 投切空载线路、重合闸成功率、 断路器动作过电压等) 。 随着用电负荷的增长，电压等级的提高和电力变压器容量的增大，解决电力变 压器直流偏磁问题的紧迫性也日益引起了电力部门的关注。大型电力变压器的励磁 电流相对较小，其允许的直流偏置量一般为励磁电流的l 1 5 倍，因此当很少量的 直流电流流过变压器时就可能导致变压器出现直流偏磁现象，危害变压器和电力系 统的安全运行。直流偏磁条件下变压器的振动、噪声和温升问题也一直是关注的焦 点，也是偏磁现象的显著特征。因此，定量分析计算电力变压器耐受直流偏磁的能 力具有极为重要的理论意义和实用价值。 华北电力人学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 1 9 8 9 年地磁暴造成了魁北克的大停电事故，之后美国、加拿大、芬兰、等国都 结合本国电网在地磁感应电流的分析、计算、监测方面做了大量研究【2 石】。随着地 磁暴研究的深入，国际上公开发表的文献大体上可分成三类，其中主要的一类是从 事电力系统运营的公司和研究机构基于电网安全运行的角度研究磁暴等地磁干扰 对交流输电系统【7 j o 】以及直流接地极对直流输电系统的影响【1 1 1 ，大多数是在分析接 地系统特点、地表磁暴分布、地磁感应电流在系统中的分布以及复杂电力系统网络 模拟方法等的基础上，进行关于电力系统在地磁干扰情况下，系统中可能出现的直 流大小、谐波含量及对系统无功的影响等方面的研究。第二类则主要是从试验上进 行的，包括对电力系统的监测和对变压器进行试验。其中监测是对电力系统地磁场 及电力系统故障进行的【一13 1 ，试验则是用不同规模的变压器在其接地中性线中注入 直流进行励磁电流、漏磁和温升等方面的试验【1 4 一l6 1 。第三类是对变压器在地磁干扰 状态下的仿真计算，主要用解析法【】、等效磁路和电路法【1 7 】或部分结合有限元分析 1 7 - 1 9 进行存在直流偏磁时的变压器性能分析。 1 9 9 3 年，日本东京电力、三菱、东芝和日立公司进行了联合的试验研究【2 0 1 。 试验是基于小变压器和大尺寸变压器模型( 尺寸为5 0 0 k v 、1 0 0 0 m v a 实体变压器 的1 3 1 2 ) 的，结合变压器的结构特点，提出直流偏磁状态下的关键过热部分分别 为芯式变压器的铁心拉板和壳式变压器铁心的支撑板，并给出这些部件的温升与其 磁场强度的关系。在各种励磁状态和铁心拉板( 支撑板) 材料的温升试验基础上， 得出磁场强度和温升的关系。 加拿大魁北克电力公司于1 9 9 6 年提出“芯式变压器允许直流电流的研究”【2 3 1 ， 在7 3 5 k v 实际电网中，从高压侧并联运行的单相3 7 0 m v a 和5 5 0 m v a 变压器的低 压绕组( 1 2 5 k v ) 通入直流电流( 直流电源串入并联的低压绕组) ，进行直流偏磁 的试验研究。该文推荐，在o n a f 冷却方式下，铁心拉板中部温升( 相对) 达到6 0 ， 按下式计算相应的直流偏磁电流， ， i a c = l l4 0 0 ( 1 1 ) n 式( 1 1 ) 中：l 和n 分别为接地( 高压) 绕组的高度( m ) 和匝数。 国外关于换流变压器能耐受的直流偏磁电流限值也尚无明确的标准，有关观点 如下： ( 1 ) 一般认为l 小于交流额定有效值( 相电流) 的0 7 时为变压器可接受的 2 华北电力大学硕十学位论文 限值。 ( 2 ) a b b 公司作为三峡直流输电工程的系统总包单位认为，l 可取额定电流 的1 ，并对5 0 0 k v 换流变压器允许1 5 a 的直流偏磁也给予了阐述：换流变压器在 l1 0 额定电压下的励磁电流峰值为3 9 a ；直流偏磁下，允许的励磁电流峰峰值 7 8 a ( 2 x 3 9 ) ，对应的直流偏磁电流约为1 5 a t 2 4 1 。 ( 3 ) t e s h m o n i 咨询公司认为变压器每相绕组电流l 2 k ( k 为变压器额定空 载励磁电流) 时是可以接受的。 国外的这些研究经验和成果为我们进一步深入分析电力变压器的偏磁问题提 供了依据。 1 2 2 国内研究现状 我国绝大部分疆域不属于高纬度地区，由于地磁感应电流而导致的直流偏磁现 象比较少见，因此在2 0 0 0 年以前，国内只有少数与该问题相关的研究见诸于文献。 随着直流输电工程的大量建设，关于变压器直流偏磁的研究近年来也逐渐得到重 视。随着多个大型高压直流输电工程的陆续建成投产，它们在单极大地回路方式下 工作时对电力变压器造成的直流偏磁影响日益突出，受到各方越来越多的关注。国 内相关电力运行管理部门和科研院所针对电力变压器直流偏磁现象以及所造成的 系统影响这一难题，开展了大量的研究工作，获得了许多有价值的研究成果【3 0 - 3 2 1 。 南京理工大学的蒯狄正，邹云通过实测数据对变压器受直流偏磁影响所产生的 问题进行了分析，指出直流偏磁导致了江苏电网5 0 0 k v 变压器出现励磁电流增大、 铁心过热以及变压器噪声增加等问题，通过理论分析提出了相关限制直流偏磁的措 施【2 5 1 。 沈阳工业大学的姚缨英利用先进的电磁场数值计算方法，对不同结构的变压器 在不同直流偏磁工况下的变压器损耗、励磁电流波形、漏磁进行了深入的研究【2 6 1 。 西安交通大学的李靖宇也通过建立变压器直流偏磁模型分析了换流变压器受直流 偏磁的影响【2 7 】，结论表明直流偏磁能引起变压器励磁电流和损耗的增加及温度的升 高，从而影响变压器的安全运行。 武汉大学的李晓萍，文习山应用铁心的非线性磁化曲线j i l e s a t h e r t o n 理论，在 m a t l a b 软件环境里建立了变压器铁心的仿真模型，并利用该模型分析了直流偏磁 大型单相变压器开路时励磁电流的波形特征【2 引。结果表明，随着流入变压器的直流 电流增加，励磁电流厶畸变愈重，并在厶增大到一定程度后严重半周饱和，其谐波 分量越来越大且出现厶增加快速增长的偶次( 主要是2 次) 谐波。 北京网联直流输电系统工程有限公司的马为民博士后根据背靠背直流系统的 特点，指出背靠背直流工程中换流变压器直流偏磁只有两个原因：触发角不平衡和 华北电力大学硕士学位论文 换流器交流母线上的正序二次谐波电压，建立了计算模型，详细计算了以上两种原 因在换流变压器中产生的直流偏磁电流【2 9 1 。 综合国内外对直流偏磁现象的研究可以看出：无论是在国内还是国外，迄今为 止就如何对电力变压器耐受直流偏磁电流的能力进行评估还未能达成明确并较为 统一的认识。目前常用的一种方法是基于实际变压器的励磁特性曲线，根据其波形 畸变程度及励磁电流峰值反推直流电流限值【3 3 3 9 1 。另一种方法是现场试验确定各变 压器允许通过的直流电流限值或结合厂家设计值。由于研究方法的不同以及试验条 件的差异，使得所得到的流入变压器绕组中直流干扰电流的限值也不尽相同。 1 3 本论文主要工作 本文首先采用电路磁路耦合的数值方法建立变压器模型，在确定该模型有效性 的基础上分析了电力变压器( 单相三柱、三相三柱和三相五柱变压器) 空载和负载 两种情况下不同直流偏磁入侵时绕组上的电流以及变励磁特性的变化规律，并结合 二维有限元软件定量分析了变压器内部磁场的变化规律，最后利用变压器相关经验 公式，评估了这三种电力变压器在不同直流偏磁工况下铁心噪声的增加。论文的主 要研究工作如下： 1 电路磁路耦合模型的研究 利用电路磁路耦合方法能反映变压器端口特性和内部电磁场分布的特点进行 电路和磁路方程的联合求解，计算结果既能获得比较明晰的物理概念，更能较好的 反映变压器内在的属性特性和满足系统分析的需求。在m a t l a b 环境下，针对其 非线性特点，在保证计算结果精度的前提下，通过曲线拟合提高计算速度。 2 电力变压器不同直流偏磁工况下绕组电流变化规律的仿真研究 对单相三柱、三相三柱和三相五柱变压器建立电路磁路耦合模型，计算出变压 器各种直流偏磁工况下绕组电流随时间的变化规律，并分析不同工况下电流波形的 畸变度，为后面变压器内部磁场的分析提供条件。 3 电力变压器不同直流偏磁工况下内部磁场分布的仿真研究 用a n s y s 有限元电磁场计算软件，对实际电力变压器产品进行二维建模，计 入变压器铁心结构、尺寸和铁心的b h 曲线，并利用电路磁路耦合模型得出的变 压器绕组电流，施加在变压器二维有限元模型的绕组上，计算出变压器铁心磁感应 强度以及漏磁感应强度随时间的变化曲线。 4 变压器铁心噪声的研究 变压器铁心在直流偏磁电流影响下可能出现的噪声问题是本论文研究的一个 重点。在得出不同直流偏磁工况下变压器内部磁场分布的前提下，利用相关经验公 4 华北电力大学硕士学位论文 式计算出定直流偏磁电流作用下变压器铁心噪声增加的分贝数，为变压器耐受直 流偏磁能力的评估提供一定定量依据。 5 华北电力大学硕+ 学位论文 第二章直流偏磁对电力变压器的影响机理及危害 2 1 直流偏磁电流的由来 引起电力变压器出现直流偏磁现象的原因很多，既有人为因素，也有自然因素。 主要包括三种：高压直流输电系统的大地回流；太阳活动引起的地磁感应电流；换 流阀触发角不平衡、交直流线路耦合等原因在变压器中产生的直流电流分量。 国内外的研究和实际测量发现，导致中性点接地变压器中流过直流电流的主要 原因为地磁暴或直流系统接地极流过较大电流。太阳耀斑和地磁场相互作用产生极 光电喷，使地磁场产生暂态波动，当这种现象足够严重时，就被称为地磁暴。大地 是一个导电的球体，在发生地磁暴时，地磁场的暂态波动使大地的一部分处于这个 随时间变化的磁场中，引起感应地表电位。在土壤电阻率高的地带，地磁暴较严重 时，其数值可达1 2 6 v k m 。相关资料表明，由地磁暴引起的变压器中性点直流电 流最大可达到3 0 0 a ，处于高纬度的北半球已多次观察到地磁暴现象。2 0 0 1 年3 月 到2 0 0 2 年1 0 月，因地磁暴引发江苏淮安上河变电所5 0 0 k v 主变连续5 次噪声异常 增加，经研究确认也是地磁暴引起的。 i ，、 一厂、l l 一 换流变压器i a ca c 力7 守7 7 7 口r 1 直流输电线路 系统i 图2 1 直流输电系统单极大地回路运行方式示意图 系统i i 目前国内广泛存在的变压器直流偏磁问题是由直流输电系统引起的，当直流输 电系统以单极大地回线方式或双极不平衡方式运行时，直流电流通过接地极注入大 地，然后经大地流到直流系统的另一端。大量的直流电流从大地中流过会在流经的 大地路径上产生电位差，尤其是在接地极附近会产生直流电位，如图2 1 所示，直 流电位的大小取决于大地的地质条件，大地电阻率越高的地方其电位升也越高，影 响范围也就越广。直流接地极附近的高电位必然会影响其周边中性点接地变压器的 6 华北电力人学硕十学位论文 正常运行的。 2 2 直流偏磁对电力变压器的影响机理 直流偏磁现象是电力变压器的一种非正常工作状态，变压器绕组中因某些原因 出现直流分量，直流电流会导致变压器铁心中含有直流磁势或直流磁通，进而产生 一系列的电磁效应【2 。 变压器通过直流电流时( 不考虑磁滞效应) ，产生直流偏磁变压器的励磁特性曲 图2 2 直流偏磁机理示意图 线及输出电流波形变化的情况如图2 2 所示。图2 - 2 ( a ) q h 虚线表示的是有直流分 量时的磁通曲线，实线表示无直流分量时 的磁通曲线；图2 - 2 ( b ) 为变压器的典型励 磁曲线；图2 - 2 ( c ) 的实线表示无直流分 量时的磁化电流曲线，虚线表示有直流分 量时畸变的励磁电流曲线。 由图2 2 可以看出，由于电力变压器 磁通峰值的设计值一般位于铁心励磁特 性曲线的饱和点附近，因此即使直流偏磁 电流只是在铁心中产生了较小的直流磁 通分量，也会使得铁心励磁工作点在某半个周期进入励磁特性曲线的饱和区间，出 现半波饱和，进而导致变压器励磁电流在对应的半个周期内峰值急剧增加以至整个 电流波形的严重畸变。 变压器直流偏磁效应对变压器本身的影响主要表现为变压器器身振动；励磁电 流畸变、无功消耗增加；变压器的漏磁增加、铁心高度饱和、油箱和金属构件局部 过热、油温上升以及由此带来的变压器寿命减短等等。变压器直流偏磁效应与变压 器容量、铁心设计参数、铁心材料性能、铁心接缝以及负载程度、变压器接线方式 密切相关。 相关研究也表明变压器耐受直流偏磁的能力与其结构有关，不同结构的变压器 的耐受偏磁能力也不同。其中单相变压器和自耦变压器的耐受能力最弱，其次是三 相五柱变压器，而三相三柱变压器耐受直流偏磁的能力最强。 对于由自耦变压器或者单相变压器构成的三相组式变压器，其零序磁通磁路与 主磁通磁路相同，单相变压器组成的组式变压器跟单相变压器的主磁通磁路是一样 的，而由自耦变压器组成的组式变压器跟自耦变压器的主磁通磁路是一样的。对于 单相变压器，零序磁通磁路与主磁通磁路相同。对于自耦变压器，零序磁通磁路与 7 华北电力大学硕士学位论文 主磁通磁路相同，变压器两端则是有直接电气连接的，直流电流会从一侧直接流到 另一侧，产生的直流磁通会很大，且随着现代科技技术的进步，大型电力变压器的 空载电流都很小，所以它允许流过变压器绕组的直流电流也很小。 三相五柱式的变压器，由于其零序磁通可以从两个旁柱铁心闭合，磁阻自然就 比三相三柱式的小很多，流经变压器绕组直流电流对磁通的贡献就与空载励磁电流 的贡献相当，而直流磁通对变压器的影响还是较单相变压器要小得多。 三相三柱变压器绕组流过直流电流时，对其内部磁路而言，相当于增加了部分 零序电流，由于三相三柱变压器的铁心中无直流磁通通道而需经磁阻较大的气隙 ( 或油) 闭合。这种变压器的零序磁路的磁阻都很大，需要较大的直流电流才能产生 足够大的直流偏磁以影响变压器的运行。因此这类变压器能耐受较大的直流电流流 过。 2 3直流偏磁对电力变压器及电力系统的危害 随着变压器直流偏磁现象的增多，直流偏磁问题也愈来愈受到人们的重视。直 流电流产生的直流磁通过大时，不仅会造成变压器铁心饱和，励磁电流畸变，产生 大量谐波，变压器无功损耗增加，金属结构件损耗增加，导致局部过热现象，破坏 绝缘，损坏变压器或降低变压器的使用寿命，而且足够严重时还会引起系统电压降 低，继电器误动作等一系列问题。1 9 8 9 年加拿大魁北克发生的近9 个小时的大停电 事故，就是因g i c 导致的变压器直流偏磁所致。变压器直流偏磁产生的危害主要有 以下几个方面。 2 3 1 电力变压器噪声 变压器本体噪声的大小与变压器的额定容量、硅钢片的性能及额定空载时铁心 的磁通密度等因素有关【2 2 1 。变压器本体噪声的主要来源有： 1 硅钢片的磁致伸缩引起的铁心振动。 2 硅钢片接缝处和叠片间因磁通穿过片间而产生的电磁力引起的铁心振动。 3 负载电流流过绕组时，因漏磁通在绕组导体间产生电磁力引起绕组的振动。 4 漏磁通引起油箱壁( 包括磁屏蔽等) 的振动。 通常，硅钢片接缝处和叠片间因磁通穿过片间而产生的电磁力引起的铁心振 动，与硅钢片磁致伸缩引起的铁心振动相比小很多，可以忽略，因此，铁心的振动 可以认为完全取决于硅钢片的磁致伸缩。绕组的振动与绕组中的电流及绕组的几何 尺寸、结构有关。国外试验研究结果表明，变压器铁心额定工作磁通密度为1 5 1 8 t 时，负载电流产生的漏磁通引起的绕组、油箱壁( 包括磁屏蔽等) 的振动，与硅钢 华北电力大学硕士学位论文 片磁致伸缩引起的铁心振动相比小很多，可以忽略。当变压器铁心额定工作磁通密 度降低到1 4 t 及以下时，负载电流产生的漏磁通引起的绕组、油箱壁( 包括磁屏 蔽等) 的振动，将接近甚至超过硅钢片磁致伸缩引起的铁心振动，此时，变压器本 体噪声不再单纯由硅钢片的磁致伸缩决定，而必须考虑负载电流漏磁通引起的绕 组、油箱壁( 包括磁屏蔽等) 的振动噪声。 当变压器线圈中有直流电流流过时励磁电流会明显增大。相关研究表明【1 9 , 2 5 1 ， 单相变压器噪声受直流偏磁影响最为严重，当直流电流达到l 倍额定励磁电流时， 噪音可增加1 0 d b ；若达到4 倍的额定励磁电流，噪音则能增加2 0 d b 。此外变压器 中增加的谐波分量也会使变压器噪音的频率发生变化，可能导致谐波频率与变压器 结构件发生共振进一步增加噪声。文献【2 5 】研究表明，三峡直流输电( 湖北龙泉一江 苏政平) 和常州武南直流工程开始调试和试运行以来，分别在各回路5 0 0 k v 主变压 器附近监测到噪声增大的现象，上升幅度可达2 0 d b 。而贵广直流线路在7 5 0 m w 单 极大地回路运行方式下，春城站主变压器中性点直流电流为3 4 5 a ，噪声则高达 9 3 9 d b 1 9 】。在直流偏磁下，变压器励磁电流不仅含有奇次谐波，而且含有偶次谐波 分量。奇次谐波电流对应的半个周波的过饱和，产生奇次波噪声。因此，在直流偏 磁下，变压器的噪声频谱既有奇次波分量，也有偶次波分量。 2 3 2 电力变压器损耗和温升 变压器在运行时，铁心中通过的磁通会在铁心中产生损耗，绕组中通过的电流 在绕组中也会产生损耗。除此之外，绕组电流引起的漏磁通、铁心过励磁时在铁心 外的漏磁通，会在各个结构件，如线圈、铁心结构件、铁心片、油箱中产生附加损 耗，冷却装置的油泵和风扇也有损耗。各种损耗都转变为热，这些热量的一部分用 来提高各个部件的温度，另一部分则向各个部件附近的冷却介质散出热量【2 2 1 。 变压器铜耗包括基本铜耗和附加铜耗。在直流偏磁电流的作用下，变压器励磁 电流可能会大幅度增加，导致变压器基本铜耗急剧增加。但由于主磁通仍为正弦波， 且磁感应强度变化相对不大，所以直流偏磁电流对附加铜耗产生的影响相对较小。 变压器铁耗包括基本铁耗( 磁滞和涡流损耗) 和附加铁耗( 漏磁损耗) 。基本 铁耗与通过铁心磁感应强度的平方成正比，和频率成正比1 4 0 1 。对于采用y o 接线 的变压器，尽管励磁电流包含着谐波分量，由于主磁通仍然维持着正弦波，因此变 压器绕组中的直流电流不会对基本铁耗产生太大的影响。然而由于励磁电流进入了 磁化曲线的饱和区，使得铁心的导磁率与空气的导磁率接近，从而导致变压器的漏 磁大大增加。变压器漏磁通会穿过压板、夹件、油箱等构件，并在其中产生涡流损 耗，即附加铁耗。附加铁耗会随着铁心磁感应强度的增加而显著增加。即使在无直 流情况下，大型变压器的附加铁耗与基本铁耗相当甚至更大，这意味着随着变压器 9 华北电力大学硕士学位论文 绕组中直流分量的增加，变压器的附加铁耗会增加。 为了获得足够的机械强度，芯式变压器铁心的拉板或壳式变压器铁心的支撑板 一般采用磁性材料制作。而位于铁心表面的铁心拉板或支撑板，与铁心硅钢片的磁 场强度是相同的，但是其厚度则要比硅钢片的厚度大得多，这样铁心拉板或支撑板 更容易形成大的涡流，从而导致温度的升高。 2 3 3 电力变压器的振动 变压器的振动主要来源变压器本体，即铁心和绕组的振动以及冷却装置的振 动。而引起这些振动的主要原因则是硅钢片的磁致伸缩。所谓磁致伸缩，即铁心励 磁时，沿磁力线方向硅钢片的尺寸要增加，而垂直于磁力线方向硅钢片的尺寸要缩 小，这种尺寸的变化称为磁致伸缩。磁致伸缩使得铁心随着励磁频率的变化而周期 性的振动。而当变压器受直流偏磁的影响处于偏磁饱和状态时，励磁磁通和励磁电 流产生明显畸变，影响之下的磁致伸缩也会使硅钢片的振动发生异常( 振动频率的 高次谐波) ，同时会产生噪声异常增大。 此外铁心和绕组的振动还来源于硅钢片接缝处和叠片之间因漏磁而产生的电 磁力，以及通有电流的绕组间、线匝之间和线饼之间产生动态的电磁力。相关研究 表明，在变压器额定工作磁通情况下负载电流产生的漏磁引起的绕组、油箱壁的振 动与硅钢片磁致伸缩引起的铁心振动相比也小很多，适当情况下可以忽略。因此， 变压器铁心的振动情况主要取决于硅钢片的磁致伸缩。 变压器绕组中有直流电流流过时，铁心磁致伸缩会因变压器励磁电流的畸变而 加剧，漏磁通的增加也会导致绕组电磁力的增加，最终表现为变压器振动的加剧。 如江苏武南变在中性点直流电流为1 2 8 a 时油箱壁振动值最高达1 9 8 p m 2 5 1 。 2 3 4 直流偏磁电流入侵电网的影响 直流偏磁对电网造成的影响也较大，表现在以下几个方面： 1 产生谐波 由于直流偏磁，单方向饱和的变压器激磁电流中不仅有奇次谐波，还出现了偶 次谐波。变压器成了交流系统中的谐波源，引起系统电压波形畸变、滤波器过载、 继电保护误动、合空载长线时产生持续过电压、单相重合闸过程中潜供电流增加、 断路器恢复电压增高等。 2 增加无功损耗 由于直流偏磁引起变压器饱和，激磁电流增加，变压器消耗无功增加，使系统 无功补偿装置过载或系统电压下降，严重时可使整个电网崩溃。 静止无功补偿装置( s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r s ( s v c ) ) 对现代电网的安全稳定运行意 1 0 华北电力人学硕+ 学位论文 义重大。直流入侵电流在系统中产生的二次谐波对s v c 的影响最大。直流电流可 以使t c r ( t h y r i s t o r c o n t r o l l e dr e a c t o r ) 的工作点偏移。在强地磁暴或直流接地电流较 大的时候，s v c 和变压器同样可能因半波饱和而产生含有大量二次谐波成分( 具有 负序性质) 的畸变电压。从原理上讲，t c r 的工作点平衡控制是为了滤除所流过电 流的直流成分而设计的，并不能减少电压( 含有二次谐波成分) 的畸变程度。当阻抗 在流过二次谐波电流而发生谐振时( 以t c r 看来) ，t c r 的平衡控制却在减少了工作 点直流偏移的同时大大增加了系统电压的畸变程度。由仿真分析可知，强地磁暴期 间，除非对s v c 的主电路做一些必要的修改( 如s v c 加装二次谐波滤波设备或其变 压器中性点加装电容器) ，电网运行人员应该迅速地切除s v c 以减少系统电压畸变。 3 继电保护系统故障 v a r 设备多采用在中性点安装过流继电器来监测其相间电压或电流的不平衡 ( 大多数并联电容器中性点接地) 。当磁暴发生时，由于直流侵入而产生的谐波大量 增加，电容器设备相当于低阻抗，中性点流过的电流激增，所以，中性点过流继电 器误动几率增加。若保护装置误动，电容器组可能退出运行，使系统无功不足的情 况更加严重，进而引起系统电压骤降，甚至电网解列，电压崩溃等【3 9 1 。鉴于此，在 直流侵入电流影响较大的电网中安装继电保护装置时，要充分考虑到中性点直流电 流的水平和可能分布等因素，以确保电网的安全稳定运行。 2 4 直流偏磁状态下变压器励磁电流的计算 人们对直流偏磁的作用机理很容易产生一种误解，即认为直流电流进入变压器 产生的直流磁通直接与交流磁通相叠加，从而产生直流偏磁效应。也就是说，变压 器正常运行情况下，很小的励磁电流( 小于2 a ) 就能产生变压器正常工作的额定 磁通，此时若有1 0 2 0 a 的直流进入变压器，所产生的直流磁通将远大于额定磁通， 如果这两部分磁通直接相叠加，则会使主磁通向一侧大大偏移，造成铁心高度饱和、 促使励磁电流严重畸变。而事实并非如此，在不同结构的三相变压器中，有直流入 侵的变压器主磁通不仅仅叠加后一侧偏移，还伴有交直流磁通混合作用下的畸变， 组式变压器对直流偏磁效应最为敏感】。下面以组式变压器的单相变压器为例，定 性地说明直流偏磁效应。 华北电力人学硕士学位论文 _ + 币 、 k ( 、 ( 一 ( n 1n 2 ) ( ) ( ) 、 图2 3 变压器受直流入侵影响示意图 图2 - 3 为单相变压器受亘流入侵影响不蒽图，n l 、n 2 0 另u 表不变压器一次、 二次侧的匝数，一次侧端电压2 厄c o s 国f m 警，直流屯入侵变压器的二次 侧绕组，并假设所有磁通的流通路径均为铁心，记为矽，漏磁效应由漏磁系数k 来 考虑，系统中引起变压器出现的直流磁通记为，即妒= + 酊，蚴“= 等。 由安培环路定律得到磁动势平衡方程 l + 2 乙= h ( 2 1 ) 式( 2 - 1 ) 中，为铁心中磁路的平均长度。铁心磁化曲线采用形如h = x s h ( y 曰) 的双 曲函数拟合，其中，x 和y 为拟合系数，通常其值均大于1 4 2 1 ；曰：号k ；a 为铁心 等效截面积。将h 的拟合函数代入式( 2 1 ) 中并整理，得 i + 2 屯= 埘妫( k 考) 幽( k 考s i n 缈f ) + c h ( k - 三够o ) 幽( k 考s i n 国f ) 】 ( 2 2 ) 令m = k y q , = 域作为与工作点有关的设计常数，胁表明铁的利用率。将 幽( k 二s i n 缈f ) 和c h ( k y q ) m s i n 国f ) 分别用傅里叶级数展开，这样式( 2 - 2 ) 就改写为 2 屯= l x s h ( k a q o ) a o ( m ) ( 2 - 3 ) 氏 c 等扣朋懈吣 式( 2 - 4 ) 中， 主n - - i “肌坷咄2 川叫4 ) “研) = 罢胁专纸s i n 州n 【( 2 n + 1 ) 刎出= 东拳( “埘) + 口2 “聊) ) ( 2 5 ) 口2 。( 所) = 詈j c r 砌( 考k s i i i 缈d c o s ( 2 ，劬f ) 出= 一糕( 口2 川( m ) + a 2 n + l ( m ) ) ( 2 6 ) 化 华北电力大学硕士学位论文 若铁心平均磁感应强度位于材料磁化曲线的饱和段，如铁心磁感应强度取1 7 5 t ， 则 “m)：昙沁午(ykqa=)2 s i n 2 r o t + 渺1 + 掣= 1 + 0 7 6 2 - 1 2 ) 若铁心平均磁感应强度位于材料磁化曲线的高饱和段，比如铁心磁感应强度为 2 5 t ，则 咖，：昙沁半砂：昙c i t + 拍掣y 乩4 2 4 2 都) 此时电流波形就会出现半周饱和，平均电流o ( 也就是j 。，) 会比与直流磁通相 对应的电流f m 大1 + 0 7 6 y 2 倍( 如图2 4 ( b ) 所示) 。可见，由于铁磁材料的非线性，直 流磁通与励磁电流的平均值0 2 - 间的关系并非磁化曲线上缈与f 那样的对应关系。 综合上述分析可以看出，当变压器中存在有直流分量时，交直流磁通叠加后的 总磁通会因电工钢片的磁非线性而使得电流畸变形成电流平均值，此时平均电流相 对应的直流磁通是而不是与直流直接对应的仍。 4 4 】。所以，若此时交流磁通叠加 在上，系统中的励磁电流波形就不是图2 4 ( b ) 所示的电流波形，电流的直流 分量也不是i n 。因此，交直流共同作用时的直流磁通纸要比直流电流单独产生的直 流磁通仍。小很多。另外由于硅钢片达到饱和后的磁感应强度是一定的，交直流磁通 叠加后的总磁通也就被限制在一个定值，所以，畸变引起的电流平均值会越来越大， 而对应于这一畸变电流波形所需要的总磁通或者说磁通的直流分量却不必太大。再 则，由于一般将变压器设计成正常工作于磁化曲线的膝点，也就是交流磁通已经足 够大，因此对于现代的各种电工钢片尤其是性能较好的钢片来说，能够存在的纸实 际上不大。这说明，尽管系统中由于这样那样的原因会在变压器绕组中产生直流电 流，但在铁心中可能存在的直流磁通却不会很大。 2 5小结 本章介绍了变压器直流偏磁电流的由来以及直流偏磁电流对变压器的主要影 响，并以组式变压器为例定性地说明了直流偏磁效应的基本原理。并通过对模型进 行分析，知道随着直流量的增加，励磁电流的畸变越来越严重，励磁电流的峰值在 半周内急剧增大，而在另半周则逐渐减小至零，励磁电流呈针尖状。结果表明直流 偏磁效应并非直流电流产生的直流磁通直接与原来的交流磁通的简单叠加。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 第三章电力变压器电路磁路耦合模型 直流偏磁电流入侵中性点接地电力变压器绕组时，交直流是共同作用予变压器 内部的，这种条件下变压器的铁心很容易进入高度饱和状态，因而必须在综合考虑 系统条件和变压器本身的特性的基础上对电力变压器直流偏磁状态进行研究。尽管 各种电磁仿真计算的软件包，如m a t l a b 、e m t p 、a t p 和p s c a d e m t d c 等都 提供了不同的变压器模型，并能用于电磁暂态分析，但是这些模型大多数采用等效 电路方法，未对铁心磁路加以详细考虑，不利于分析变压器不同铁心结构的影响。 与采用等效电路等方法不同，电路磁路耦合的计算方法将外部电路和内部等效 磁路方程联合求解，不仅反映了变压器端口特性和内部电磁场分布，还能获得物理 概念比较清晰的计算结果，满足了系统分析的需求【4 6 1 。本章利用电路磁路耦合的方 法建立了不同直流偏磁工况下的变压器模型，并在m a t l a b 环境下编程实现了直 流入侵下的不同类型电力变压器绕组电流的计算，为后期评价变压器耐受直流偏磁 能力提供了计算磁场的条件。 3 1试验变压器电路磁路耦合模型 3 1 1 模型的建立 闷 巾2 _ l 工一m1 一 图3 1 磁路示意图 可见，基尔霍夫磁路定律类比于基尔霍夫节点电流定律。 2 、全电流定律 磁场强度沿任意闭合回路积分等于该回路所包围的导体电流的代数和，这就是 1 5 华北电力大学硕士学位论文 全电流定律，即面删= 窆i f ( f = 1 、2 以) ，根据材料和截面积的不同，可以将路径 ， 扭1 分段，即 以厶= ( 3 - 1 k - = li = l 式( 3 1 ) 中k 为磁路的段数，f 为绕组线圈的个数，缈为绕组匝数，称式( 3 1 ) 的 左端为每段磁路上的磁压降，称式( 3 1 ) 的右端为整个磁路上的磁动势f ，其形式 与电路中的回路电流方程类比。 3 、磁路欧姆定律 式( 3 1 ) 可以写成 f = 巩厶 ( 3 2 ) k = l 将磁特性公式h = b i z ，b = s 代入式( 3 2 ) ，得 f = 矽厶1 k s k = r ( 3 3 ) k = lk = l 式( 3 3 ) 中r k = 以& ，为k 段磁路的磁阻。与磁阻相对应，以= 1 r k 为第k 段磁 路的磁导，由式( 3 - 3 ) 可以看出整个磁回路的总磁动势等于各段磁路的磁压降之 和，这就是磁路欧姆定律，与电阻欧姆定律也是类比的。 4 、试验变压器的建模 以一台三相五柱变压器为例，变压器外部电路模型示意图和铁心等效磁路模型 如图3 2 所示。 mm ( a ) 外部电路图 ( b ) 等效磁路图 图3 - 2 试验变压器电路磁路示意图 图3 2 ( a ) 中玩、，坼为三相交流激励源，r 为外部电路等值电阻，魄为 流入变压器中性点的直流电压源，r j v 为中性点接地电阻：图3 2 ( b ) 中凡j 、n ，、 1 6 华北电力人学硕十学位论文 r ，分别为三相五柱试验变压器原边绕组电流产生的磁动势，凡小凡2 、r 2 分别为 副边绕组电流产生的磁动势，尺m 。卜r 肘力、r 脚订分别表示变压器铁心柱、上下铁扼 和旁柱磁阻，r 州，、尺小2 分别表示原副边绕组以及铁心柱之间的漏磁支路磁阻。