（电气工程专业论文）大型电力变压器的gic影响效应研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ：t m 41l u d c ：6 2 1 3 1 i i i i 1 1 1 1 11ii ll ll l l l l l l l l l l ln l l y 17 9 7 2 7 8 d i s s e r t a t i o nf o r t h ed o c t o r a ld e g r e ei ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho ne f f e c t so fg i co nl a r g ep o w e r t r a n s f o r m e r s c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： c o s u p e r v i s o r ： a c a d e m i c d e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： s c h o o l ： d a t eo fd e f e ! n c e ： z h a n gb i n g p r o f x i a ox i a n g n i n g p r o f l i ul i a n g u a n g d o c t o ro f p h i l o s o p h y e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g s c h 0 0 1o fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c e n g i n e e r i n g j u n e ，2 0 1 0 d e g r e e - - c o n f e r r i n g - i n s t i t u t i o n ： n o r t hc h i n ae l e c t r i cp o w e ru n i v e r s i t y 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文大型电力变压器的g i c 影响 效应研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论 文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做 出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 签名：一邀水日期：印? o 6 1 3 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用 影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被 查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同 意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内 容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：丝盥 日 期：一塑! ! ：5 ：! ， 导师签名：巡垒导师签名：墨曼竖垫兰 日期：独、1 2 i ! i 弓 华北电力大学博士学位论文摘要 中文摘要 地磁感应电流( g i c ) 会对大型电力变压器的安全运行产生不利影响。随着特高压 电网的建设，我国电网规模不断扩大，同时下一个太阳活动高峰期即将来临，我国 电网变压器遭受g i c 影响的风险增大，对大型电力变压器的g i c 影响效应进行研 究是必要和紧迫的。本论文在国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目( 2 0 0 7 a a 0 4 2 4 2 5 磁暴对大型电网及变压器影响的分析控制技术) 的支持下，系统的研究了g i c 对大型 变压器的影响机理，建立了变压器g i c 影响效应的仿真体系，提出了电网变压器g i c 影响风险的评估方法，并对我国西北7 5 0 k v 规划电网变压器的g i c 影响风险进行了评 估。主要研究内容如下： ( 1 ) 系统分析了g i c 对变压器谐波、无功波动、振动、噪声和变压器损耗、温升 的影响机理，并对由g i c 引起的变压器励磁电流谐波和无功消耗增加、振动和噪声异 常以及变压器损耗和温升增大的国内外具体事件进行了分析。认为变压器谐波、无功波 动和漏磁通引起的变压器温升增大是g i c 威胁电网和变压器安全运行的主要原因。 ( 2 ) 以含联结绕组的变压器为研究对象，仿真分析了g i c 作用下变压器从正常 运行状态到深度直流偏磁状态期间，变压器各次谐波幅值和总谐波畸变率的变化；利用 g i c 作用下的变压器等效电路对变压器谐波在不同联结绕组中的分配流通情况进行了 理论推导和仿真分析。 ( 3 ) 对g i c 作用下的变压器主、漏磁通的分布进行了分析，并给出了g i c 作用下 的变压器漏磁通的影响因素；利用变压器二维有限元模型分别仿真分析了绕组负载电流 大小和相位( 变压器功率因数) 对g i c 作用下的5 0 0 k v 壳式变压器和芯式变压器的漏磁通 的影响，并进一步分析了漏磁通对变压器油箱损耗的影响。 ( 4 ) 建立了基于j a 磁滞理论的变压器模型和变压器的三维有限元模型，并在此基 础上构建了变压器g i c 影响效应的仿真体系。利用该仿真体系对5 0 0 k v 壳式变压器和芯 式变压器的g i c 影响效应进行了研究，并根据变压器运行规程，给出了变压器所能承受 的g i c 极限值。 ( 5 ) 提出了现有及规划电网变压器的g i c 影响风险的评估方法，对计算电网g i c 水平的现有电网直流等效模型进行了改进。计算了7 5 0 k v 规划电网变压器的g i c 水平， 在此基础上对7 5 0 k v 规划电网变压器的g i c 影响风险进行了评估，并对g i c 影响风险 较大的变压器提出了防范措施建议。 关键词：磁暴，地磁感应电流( g i c ) ，变压器，直流偏磁 华北电力大学博士学位论文摘要 a b s t r a c t g e o m a g n e t i c a u yi n d u c e dc u r r e n t ( 6 1 c ) w i l la f f e c tt h es e c u r eo p e r a t i o no fl a r g ep o w e r t r a n s f o r m e r s a l o n g 嘶lt h ed e v e l o p m e n to fu h vp o w e r 面d s ，t h ec h i n a sp o w e rg r i d sw i l l b el a r g e ra n dn e x tf a s t i g i u mo fs o l a ra c d v i d e si sc o m i n g ，8 0t h ep r o b a b i l i t yo ft r a n s f o r m e r s i n f l u e n c e db yg i cw i l li n c r e a s e t h es t u d yo ft h ee f f e c t so fg i co nt r a n s f o r m e r si sn e c e s s a r y w i t ht h es u p p o r tb yt h en a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a m c 8 6 3 ”p r o g r a m ) o fc h i n a ( 2 0 0 7 a a 0 4 2 4 2 5a n a l y s i sa n dc o n e dt e c h n o l o g yo ft h ee f f e c t so f g e o m a g n e t i cs t o r mo nl a r g ep o w e rg r i d sa n dt r a n s f o r m e r s ) ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h ei m p a c t m e c h a n i s mo fg i co nl a r g ec a p a c i t yt r a n s f o r m e r sa n dd e v e l o p e das i m u l a t i o ns y s t e mf o r s t u d y i n gt h ee f f e c t so fg i c0 nt r a n s f o r m e r s t h i sp a p e ra l s op r o p o s e dt h ee v a l u a t i o nm e t h o d f o r t h er i s ko ft r a n s f o r m e ri n f l u e n c e db yg i ca n de v a l u a t e dt h er i s ko ft r a n s f o r m e r si n7 5 0 k v p l a n n i n gp o w e r 班da tc h i n a sn o r t h w e s td i s t r i c ti n f l u e n c e db yg i c t h em a i nr e s e a r c h c o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h ei m p a c tm e c h a n i s m so fg i co nt h eh a r m o n i cc u r r e n t , r e a c t i v ep o w e rl o s s , v i b r a t i o n , n o i s eo ft r a n s f o r m e ra n dt r a n s f o r m e rl o s sa n dt e m p e r a t u r er i s ea r es t u d i e d ，a n dt h e t r a n s f o r m e ri n f l u e n c ea f f a i r sc a u s e db yt h eg i ci nt h ew o r l da r ea n a l y z e d b a s e do nt h es t u d y , t h eh a r m o n i cc u r r e n t , r e a c t i v ep o w e rl o s so ft r a n s f o r m e ra n dt h et r a n s f o r m e rt e m p e r a t u r er i s e c a u s e db yt h el e a k a g ef l u xa l et h em a j o rm a s o no fg i ci n f l u e n c i n gt h es e o l r eo p e r a t i o no f p o w e rg r i d sa n dt r a n s f o l m e r s ( 2 ) t h et r a n s f o r m e r sw i t h c o n n e c t e dw i n d i n g sa l ec h o s e na st h es t u d yo b j e c t s t h e v a r i e t yo ft h em a g n i t u d eo fe v e r yo r d e rh a r m o n i cc u r r e n ta n dt h et o t a ld i s t o r t e dr a t eo f h a r m o n i cc u r r e n tf r o mt h et r a n s f o r m e rn o r m a lo p e r a t i o nt ot h ed e e pd eb i a sa r es i m u l a t e da n d a n a l y z e d t h ed i s t r i b u t i o na n dc i r c u l a t i o no ft r a n s f o r m e rh a r m o n i cc u r r e n ti nd i f f e r e n t c o n n e c t e dw i n d i n g sa r ea n a l y z e db yt h et r a n s f o r m e re q u i v a l e n tm o d e lu n d e rg i c ( 3 ) t h ed i s t r i b u t i o n so ft r a n s f o r m e rm a i nf l u xa n dl e a k a g ef l u xu n d e rg i ca r ea n a l y z e d a n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so fl e a k a g ef l u xa r ed i s c u s s e d t h ee f f e c t so fl o a dc u r r e n to nt h e l e a k a g ef l u xo f5 0 0 l i vs h e l l f o r mt r a n s f o r m e ra n d5 0 0 l c o r e - f o r mt r a n s f o r m e r a r o s i m u l a t e da n da n a l y z e db yt h et w o d i m e n s i o nf i n i t e - e l e m e n tm o d e l so ft r a n s f o r m e r , a n dt h e e f f e c to fl e a k a g ef l u xo nt h et r a n s f o r m e rt a n kl o s si sa l s oa n a l y z e d ( 4 ) t h et r a n s f o r m e rm o d e lb a s e do nt h ej - at h e o r ya n dt h et h r e e - d i m e n s i o nf i n i t e e l e m e n t m o d e lo ft r a n s f o r m e ra r ed e v e l o p e d b a s e do nt h et r a n s f o r m e rm o d e l s ，as i m u l a t i o ns y s t e m f o rs t u d y i n gt h ee f f e c t so fg i co nt r a n s f o r m e r si sd e v e l o p e d u s i n gt h es i m u l a t i o ns y s t e m ， t h ee f f e c t so fg i co nt h e5 0 0 k vs h e l l f o r mt r a n s f o r m e ra n d5 0 0 k vc o r e f o r mt r a n s f o r m e ra r e 些! ! 皇垄奎兰堡主兰垡堡奎塑重 s t u d i e da n dt h ea c c e p t a b l eg i cl i m i t si nt r a n s f o r m e r sa l ed i s c u s s e db a s e do n t l l e 仃剐 1 s f o n n e r o p e r a t i o ng u i d e ( 5 ) t h ee v a l u a t i o nm e t h o df o rt h er i s ko ft r a n s f o r m e ri n f l u e n c e db yg i ci sp r o p o s e da n d t h ee x i s t i n gd ee q u i v a l e n tm o d e lo f p o w e r 鲥df o r c a l c u l a t i n gt h eg i cl e v e lo f t r a n s f o r m e ri s i m p r o v e d t h eg i cl e v e lo ft r a n s f o r m e r si n7 5 0 k vp l a n n i n gp o w e r 鲥di sc a l c u l a t e d b a s e d o nt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ，t h er i s ko f t r a n s f o r m e r si n7 5 0 k vp l a n n i n gp o w e r 鲥di se v a l u a t e d a n dt h ed e f e n d i n gm e a s u r ei ss u g g e s t e d k e yw o r d s ：g e o m a g n e t i cs t o r m , g e o m a g n e t i c a l l yi n d u c e de u r r e n t ( g i c ) ，t r a n s f o r m e r , d cb i a s 华北电力大学博士学位论文目录 目录 中文摘要 a b s t r a c t 第一章绪论1 1 1 课题提出及意义l 1 1 1 电网g i c 的产生机理l 1 1 2g i c 对变压器的影响和危害2 1 1 3 本论文研究的重要意义4 1 2 国内外研究现状6 1 2 1 国外研究情况6 1 2 2 国内研究现状7 1 3 本论文的主要工作8 第二章电网g i c 对变压器影响效应的分析1 0 2 1g i c 作用下的变压器谐波和无功变化。1o 2 1 1 变压器谐波和无功波动机理1 0 2 1 2 北美等国家的监测结果1 1 2 1 3 变压器谐波和无功波动的危害1 2 2 2g i c 作用下的变压器振动和噪声1 3 2 2 1 变压器振动、噪声机理1 3 2 2 2 我国变压器的振动、噪声事件1 5 2 2 3 变压器振动、噪声的危害1 8 2 3g i c 作用下的变压器损耗和温升18 2 3 1 变压器损耗、温升机理18 2 3 2 损耗、温升的危害2 0 2 3 - 3 典型影响事件及原因分析2 1 2 4 本章小结2 2 第三章g i c 作用下的变压器谐波的研究2 3 3 1g i c 作用下变压器各次谐波的变化2 3 3 1 1 励磁电流各次谐波的变化2 4 3 1 2 励磁电流总谐波畸变率的变化2 6 华北电力大学博士学位论文目录 3 2g i c 作用下的变压器等效电路2 7 3 3 含接绕组变压器的谐波分配2 9 3 4 本章小结3 9 第四章g i c 作用下的变压器漏磁通的研究4 0 4 1g i c 作用下的变压器主、漏磁通4 0 4 1 1 变压器主、漏磁通分布4 0 4 1 2 变压器漏磁通影响因素4 1 4 2 变压器的二维有限元模型4 2 4 2 1 有限元方法概述4 2 4 2 2 变压器二维有限元模型的建立。4 3 4 3 负载电流对变压器漏磁通的影响4 8 4 3 1 负载电流对壳式变压器漏磁通的影响4 8 4 3 2 负载电流对芯式变压器漏磁通的影响5 4 4 4 变压器漏磁通对油箱损耗的影响6 0 4 5 本章小结6 4 第五章变压器的g i c 影响效应的仿真研究6 5 5 1 基于j a 理论的变压器模型6 5 5 1 1j - a 磁滞模型基本原理6 5 5 1 2 变压器的数学模型6 7 5 1 3 变压器模型在m a t l a b 中的实现6 8 5 1 4j a 壳式变压器模型7 2 5 1 5j a 芯式变压器模型7 6 5 2 变压器的三维有限元模型7 8 5 2 1 变压器直流激励源的处理7 9 5 2 2 壳式变压器三维有限元模型8 0 5 2 3 芯式变压器三维有限元模型8 l 5 3g i c 对壳式变压器影响效应的仿真8 3 5 3 1 壳式变压器的谐波及无功消耗8 3 5 3 2 壳式变压器的损耗和温升8 4 5 4g i c 对芯式变压器影响效应的仿真8 7 5 4 1 芯式变压器的谐波及无功消耗8 7 华北电力大学博士学位论文目录 5 4 2 芯式变压器的损耗和温升8 8 5 5 本章小结8 9 第六章g i c 对电网变压器影响的风险评估9 1 6 1 电网变压器g i c 影响风险评估方法9 l 6 27 5 0 k v 规划电网变压器g i c 影响的风险评估9 3 6 2 17 5 0 k v 规划电网变压器g i c 水平一9 3 6 2 27 5 0 k v 规划电网变压器g i c 影响风险9 5 6 2 37 5 0 k v 规划电网变压器g i c 防范措施建议9 6 6 3 本章小结9 7 第七章结论与展望9 8 7 1 结论9 8 7 2 有待继续研究的问题9 9 参考文献10 0 致谢1 0 7 攻读博士学位期间发表的学术论文1 0 8 攻读博士学位期间参加的科研工作1 0 9 系统无功需求增加和静止无功补偿装置( s v c ) 跳闸等威胁电力系统安全运行的事件蚴。 g i c 在变压器绕组中的流通是g i c 威胁电力系统安全运行的根源，因此g i c 对电力变 压器的影响问题正在引起电力公司及相关科研部门越来越多的关注。 1 1 1 电网g i c 的产生机理 在电网中流通的g i c 是由磁暴引起的。地球本身具有磁场，其主要部分来源于地球 的外核，还有一小部分来源于地幔和地壳的磁性物质，总称为内源场。除此以外，还有 很小一部分来源于地球上空的各种电流体系，而这些电流体系都是由于太阳电磁辐射和 粒子辐射与源于地球内部磁场相互作用形成的，这部分成为外源场，也称为变化磁场。 内源场的变化较为平稳，而外源场的变化较大。地磁扰动就是指外源场( 变化磁场) 的扰 动，它是由于太阳剧烈活动引起的不规则、大幅度、快速的地磁场变化1 3 j 。 太阳的剧烈活动( 如太阳耀斑爆发、日冕物质抛射等) 会向外喷射大量由质子和电子 构成的等离子体，这些携带大量能量的等离子体被称为太阳风。太阳风以每秒 3 0 0 , - - 1 0 0 0 k m 的速度在行星际传播【4 】，进入地球磁层后与地球磁场发生复杂的相互作用， 对磁层中的电流体系产生影响，从而导致了地球磁层一电离层空间电流体系的变化【5 l 。磁 层电离层空间电流的快速变化会对地球的磁场产生强烈扰动，这种全球性的地磁强烈 扰动现象称为“磁暴。磁暴的形态学特点可以概括为：变化幅度大、持续时间长且具 有全球同步性【6 】。事实证明，太阳活动的强弱与太阳黑子的数量有关，黑子数量越多， 太阳活动越激烈。太阳黑子数量的变化具有一定的规律性，黑子数量逐年增加到某一极 值后又逐年减少，这种变化一般以十一年为一个周期，因此磁暴同样具有十一年的周期 性【刀。 磁暴期间，地球表面的磁场变化较为剧烈，根据法拉第电磁感应定律可知：时变的 地磁场会在地球表面感生出电场。由于地面电场的存在，地球表面会产生电势，称为“地 面感应电势( e s p ) 。在超、特高压电网运行中，为保障电网安全运行，提高电网供电可 靠性，大型电力变压器高压侧绕组中性点采用接地的运行方式。磁暴期间，e s p 作为电 压源作用于两个变压器接地中性点之间，从而在中性点接地变压器、输电线路和大地构 成的回路中产生电流，这个电流称为“地磁感应电流( g i g ) ”，如图1 1 所示。 e s p 的变化十分缓慢，因此g i c 的频率很低，一般为0 0 0 0 1 0 1 h z ，相对于电力 系统工频( 5 0 h z 或6 0 h z ) 来说相当于作准直流【8 j 。 第一章绪论 图1 - 1 电网g i c 原理图 1 1 2g i c 对变压器的影响和危害 磁暴对电力系统的影响、危害很大。自从1 9 4 0 年磁暴对电力系统的影响被首次发 现以来，北美和北欧等高纬度地区曾发生过多次磁暴危害电力系统安全运行的事件i l 叫， 造成数百起输电线路和无功补偿等设备跳闸、继电保护误动、变压器损坏事故，甚至还 引发了加拿大魁北克和瑞典马尔默大停电事故【1 1 , 1 2 l ，而g i c 在中性点接地变压器绕组中 的流通则是这一切电网事故的根源。 大型电力变压器的铁芯一般由硅钢片叠加而成，硅钢片的磁导率具有非线性，图卜2 为硅钢片的b h 曲线。为了减小变压器的体积和节约铁芯材料，变压器设计时往往将额 定运行时的工作点设置在铁芯线性区和饱和区分界处的拐点位置附近，如图卜2 中的位 置a 。g i c 流过变压器绕组时会在变压器铁芯中产生直流偏置磁通，导致变压器工作点 进入到饱和区内，如图i - 2 中位置b ，从而使的变压器发生半波饱和，这种现象称之为 变压器直流偏磁。 。j 厂一 丑 图卜2 铁：签材料b - h 曲线 2 华北电力大学博士学位论文 由于铁芯材料的非线性，变压器半波饱和会导致变压器励磁电流增大和谐波电流增 加，并由此导致了变压器消耗的无功增加。变压器直流偏磁引起的无功变化和产生的高 次谐波可能造成系统电压跌落、无功波动、继电保护误动和s v c 过载跳闸等事故，对电 网的安全运行构成严重的威胁【1 2 。4 1 ，加拿大魁北克、瑞典马尔默等大停电事故就是典型 的案例【1 5 1 8 】，同时变压器励磁电流的增大还将导致变压器绕组损耗和温升的增加，不利 于变压器的安全运行。 变压器在正常运行状态时，磁通主要通过铁芯主磁路闭合，脱离铁芯主磁路的漏磁 通较少。变压器半波饱和时，铁芯进入饱和区域，导致了铁芯磁导率减小，从而使得大 量的漏磁通进入到油箱壁、铁心夹件等变压器金属构件中，导致了变压器损耗和温升的 增加，对变压器的安全运行造成不利影唰1 9 刎。在1 9 8 9 年3 月的地磁暴中，北美电网 多台变压器出现了过热问题，其中位于美国新泽西州核电站的一台1 2 0 0 m v a 、5 0 0 k v 变 压器由于绕组过热导致了永久性损坏；在1 9 9 2 年的地磁暴中，a l l e g h e n y 电力公司一台 3 5 0 m v a 、5 0 0 1 3 8 k v 变压器的油箱壁热点温度在1 0 分钟内从6 0 增加到了1 7 5o c 1 0 】。 变压器温升的增加会加速变压器绝缘材料性能降低和变压器使用寿命下降，同时还会导 致油浸式变压器中甲烷、乙烷等有害气体的增加。 一- 变压器铁芯材料的尺寸大小会随着磁化强度的变化而变化，这种现象称为磁致伸 缩。变压器半波饱和引起铁芯材料的磁化强度增加，从而导致变压器铁心磁滞伸缩加剧， 引起变压器振动噪声增大，造成变压器内部紧固件的松动，对变压器的安全运行构成威 胁。我国江苏和浙江5 0 0 k v 电网曾多次发现g i c 引起的变压器振动噪声增大事件【2 1 , 2 2 】。 g i c 对变压器本身的危害具有累积效应。一次或几次g i c 干扰事件可能不足以造成 变压器故障，但是如果变压器多次受到g i c 的干扰，g i c 对变压器影响的累积可能会导 致变压器故障，甚至永久性损坏。相关研究表明，美国东北部地区( 该地区电网易受到 较大6 i c 的侵扰) 电网中变压器的故障率要比美国其他地区高6 0 【1 0 , 2 3 】，如图1 3 所示。 图卜3 美国超高压电网变压器故障发生率示意图 g i c 对变压器的影响程度与变压器铁芯结构有关。不同结构类型的变压器对g i c 的 3 第一章绪论 敏感程度从大到小依次为【2 4 】：单相壳式或芯式变压器、三相五柱变压器和三相三柱变压 器。 1 1 3 本论文研究的重要意义 电网是关系国家经济稳定发展的重要基础设施，变压器是电网中价格昂贵的重要设 备，保证电网及变压器的安全稳定运行的意义重大。g i c 不仅会引起变压器过热导致变 压器本身故障，而且由其导致的变压器励磁电流畸变和无功消耗增加还会威胁到电网的 安全运行，因此研究g i c 对变压器的影响具有重要的现实意义。 电网g i c 大小与磁暴强度、输电线路长度、大地电性构造等很多因素有关。通常， 地磁纬度较高的地区( 如北美、北欧) 地磁场变化大，这些地区的电网可能发生较大的 g i c 侵扰事件【2 5 2 6 。虽然我国大部分地区位于中低磁纬，但由于我国电网规模大、输电 距离长，在5 0 0 k y 阳城一淮安输电系统的上河变电站、广东岭澳核电站等都多次发现了 较大的g i c 的侵扰事件【2 1 ，2 7 , 2 引。图1 - 4 为2 0 0 4 年1 1 月1 0 日广东肇庆地磁台地磁场水 平分量( h ) 、水平分量变化率( d h d t ) 和广东电网岭澳核电站变压器中性点g i c 监测数据 曲线。2 0 0 5 年9 月1 6 日，岭澳核电站实测直流输电影响的电流为1 2 - - 1 3 a 1 2 9 】，因此由 图l - 4 可以看出岭澳核电站监测到的g i c 最大值远大于直流输电单极大地运行时变压器 直流偏磁电流。另外，2 0 0 6 年1 2 月1 4 - 1 6 日磁暴在岭澳核电站、广州罗洞变电站和江 苏上河变电站产生的最大g i c 分别是1 6 6 a 、3 8 a 和1 3 a 。 7 5 5 0 2 5 0 2 5 5 0 7 5 1 9 ：0 0 ：0 02 2 ：0 0 ：0 0 0 1 ：0 0 ：舛：0 00 7 ：0 0 ：0 0 1 0 ：0 0 ：0 01 3 ：0 0 ：0 0 僦 枷州卅龋- 一 u r ( h ) 图卜42 0 0 4 年1 1 月1 0 日磁暴的地磁场水平分量、变化率和g i c 监测数据比较 4 华北电力大学博士学位论文 按我国特高压电网建设规划，2 0 1 5 年将建成十几条1 0 0 0 k m 2 3 0 0 k m 的特高压线路。 目前的5 0 0 k v 线路大多采用四分裂导线，而1 0 0 0 k v 特高压至少是八分裂，单位长度电 阻最多是5 0 0 k v 的二分之一，因此特高压电网更易遭受较大g i c 的侵扰【2 9 1 。另外，随着 电网的全国联网，我国电网将超越美国成为世界上规模最大的电网( 美国电网分为中东 部、西部和德克萨斯州三块，最高电压为7 3 5 k v ) ，同时也为电网g i c 提供了四通八达的 通路。超特高压变压器一般采用三个单相变压器组的结构，这种变压器对直流偏磁电流 的耐受能力比三相三柱式和三相五柱式变压器更低，因此，随着我国电网规模的不断扩 大，g i c 危害电网大型电力变压器安全运行的风险将会大大增加，应该引起足够重视。 另外，相关研究表明，磁暴的发生次数与太阳黑子的数量有着非常密切的关系。图 卜5 为1 9 5 7 年 - - 2 0 0 4 年期间大磁暴( 地磁指数d s t 一1 0 0 n t ) 次数与太阳黑子数的关系 p o 】。从图卜5 中可以看出，太阳黑子数高的年份，地磁扰动越强烈，大磁暴发生的次数 越多。太阳黑子数量的变化具有一定的规律性，以十一年为一个周期，因此大磁暴发生 的次数也具有十一年一个周期的特征。在前两个太阳活动周期的极大年1 9 8 9 年和2 0 0 3 年磁暴分别导致了加拿大魁北克大停电和瑞典马尔默大停电。根据国外科学家的预测， 2 0 1 1 年或2 0 1 2 年将是太阳活动的又一个高峰期【3 ，届时地面大型电力变压器可能将会 多次遭受较大g i c 的侵扰，有可能导致变压器故障、损坏，并有可能导致大规模的电网 停电事故。 糕 赵 晔 糟 + 图卜51 9 5 7 - - 2 0 0 4 年大磁暴次数与太阳黑子数 ( 实线为太阳黑子数，柱图为大磁暴次数) g i c 所引起的变压器饱和漏磁通、过热、无功消耗增加，以及谐波电流等问题在传 统的变压器设计过程中都没有考虑过，所以，研究电力变压器的g i c 影响效应对变压器 制造厂家、电力生产、管理和建设部门都是十分必要的，同时也对研究抑制g i c 对变压 器影响的措施具有重要的实际意义。鉴于本课题的重要科学意义和实用价值，课题研究 第一章绪论 得到了国家8 6 3 计划( 磁暴对大型电网及变压器影响的分析控制技术资助号： 2 0 0 7 a a 0 4 2 4 2 5 ) 的资助。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究情况 在高纬度地区磁暴强度大且发生频繁，位于北美、北欧的国家对g i c 的研究较为重 视并取得了不少成果。他们除了对电网中的g i c 进行监测和仿真计算外，也针对g i c 对 变压器的相关影响及消除措施进行了研究【3 2 3 4 l 。 国外从上世纪八十年代初就开始t g i c 对电力系统及其设备运行性能影响的研究。 其中针对变压器的研究主要分为两大类。第一类是针对变压器励磁电流、无功消耗等电 气参量的研究；第二类是针对变压器损耗及温升的研究。 第一类研究主要采用试验、等效磁路和电路相结合或部分结合有限元分析的方法。 文献 2 4 p 5 j 通过在变压器中性点加入直流的试验方法，分析了g i c 作用下不同类型变压器 励磁电流的变化情况，认为g i c 对变压器的影响程度与变压器的铁心结构有关，其中单 相三柱变压器的影响程度最大而三相三柱变压器的影响程度最小；文酬3 6 - 3 9 】采用等效磁 路和电路相结合的方法分析了g i c 作用下变压器励磁电流和无功消耗的变化情况，而文 献【删则直接利用现有的e m t d c 仿真软件分析t g i c 作用下变压器励磁电流和无功消耗 的变化情况；文献【4 h 3 】采用有限元分析和等效磁路相结合的方法分析t g i c 作用下变压 器励磁电流谐波和无功消耗随变压器直流偏磁程度变化的情况。 第二类研究主要采用试验和有限元仿真分析的方法。文科4 4 】通过试验的方法分别分 析了g i c 作用下7 3 5 k v 、3 7 0 m v a 和7 3 5 k v 、5 5 0 m v a 芯式变压器铁心损耗、绕组损耗、 铁心夹件损耗及变压器温升的变化情况，并通过二维有限元分析的方法仿真计算了 7 3 5 k v 、1 0 0 m v a 变压器的铁心夹件涡流损耗及其温升；文献【2 4 】通过试验的方法，分别 分析了 g i c 作用下壳式变压器和芯式变压器主要结构件温升的情况；文献 3 6 】通过三维场 域分析计算t g i c 作用下变压器绕组的损耗及温升变化情况；文献【3 8 】通过二维有限元分 析的方法仿真计算了g i c 作用下变压器铁心、油箱壁及t 型横梁的损耗。 综上所述，北欧、北美国家对g i c 问题做过很多研究，也取得了不少成果，但过去 的研究工作仍存在一定局限性。 ( 1 ) 超高压、大容量电力变压器一般含有连接的第三绕组以提供3 次及3 的整数倍 次谐波电流的通路，从而改善电势波形。变压器直流偏磁时，由于变压器高压绕组中性 点接地，在变压器的高压绕组及联结的绕组中都会有3 次及3 的整数倍次谐波电流流 通，而通过高压绕组流通的3 次及3 的整数倍次谐波电流进入到电网中可能会引起并联 电容器组等装置过载跳闸。在以往分析g i c 引起的变压器谐波电流时，一般未考虑连 接绕组的影响，文献【2 4 】虽然考虑了连接绕组，但未对3 次及3 的整数倍次谐波电流在 6 华北电力大学博士学位论文 原边和连接绕组中的分配问题进行研究，这对研究g i c 对电网中并联电容器组等装置 安全运行的危害是不准确的； ( 2 ) g i c 对变压器损耗、温升的影响与变压器本身的结构和构件的材料属性密切相 关。通过试验的方法研究g i c 对变压器的影响不仅会消耗大量的时间，而且还受到试验 器材及试验经费等方面的限制。同时由于变压器结构的种类较多，无法通过试验的方法 去分析g i c 对所有结构类型变压器的影响； ( 3 ) 变压器结构件的损耗与变压器的漏磁通相关，而变压器的漏磁通除了与铁心的饱 和程度有关外，还与变压器绕组负载电流有关。在以往的研究中，一般都是在变压器空 载运行时，分析g i c 引起的变压器损耗增加问题。在不考虑变压器绕组负载电流的情况 下分析变压器结构件损耗问题会造成一定的误差； ( 4 ) 有限元分析的方法可以比较准确的分析g i c 对变压器的影响。利用变压器的二 维有限元模型可以定性的分析变压器的损耗与g i c 的关系，但是由于变压器是一个三维 的物体，所以要得到较精确的数据，必须使用变压器的三维有限元模型。文献【3 6 】采用了 变压器三维场域与传统计算公式相结合的方法分析了g i c 作用下变压器绕组的损耗及 温升变化情况，但并未考虑变压器油箱壁、铁心夹件等其他变压器结构件的损耗和温升 情况； ( 5 ) 利用有限元分析方法研究g i c 对变压器影响时，由于计算量大，直流源的引入 方式直接决定了仿真时间的长短。在绕组中直接加入直流电流源或直流电压源后，变压 器需要较长时间才能达到稳定状态。对于变压器的二维有限元分析，在绕组中加入直流 电流源或直流电压源的方法还可以接受，但是对于变压器三维有限元分析，由于大型变 压器的体积庞大，采用在绕组中加入直流电流源或直流电压源的方法将会导致仿真时间 过长。 1 2 2 国内研究现状 我国大部分地区处于中低纬，以前的电网规模较小、因此电网g i c 研究工作起步较 晚，随着我国电网规模的增大，电网g i c 问题已经引起了越来越多的关注。1 9 9 8 年，天 津大学薛向党在国家自然科学基金的资助下，曾研究过在假设g i c 存在的条件下的变压 器偏磁问题 4 5 , 4 6 】，但主要是针对g i c 对变压器励磁电流和无功消耗影响的简单研究。 g i c 对变压器的影响与高压直流输电系统( h v d c ) 单极大地运行对交流系统变压器 的影响是基本相同的，均会引起变压器直流偏磁。随着我国高压直流电网的大规模建设， 国内对变压器直流偏磁问题的研究也越来越多，但这些研究大部分集中在直流偏磁对变 压器励磁电流和无功消耗等电气参量的影响分析1 4 7 - 5 1 】。文献【5 2 1 研究分析了直流偏磁导致 的变压器噪声增大现象，并且通过理论计算公式推算出来变压器铁心、铁心拉板和绕组 的损耗及温升情况。由于针对变压器的理论计算公式一般是在变压器铁心未饱和的情况 下推导出来的，所以应用理论公式计算直流偏磁情况下变压器的损耗和温升是不准确 7 第一章绪论 的；文献【5