直流偏磁下变压器磁滞回线的研究

直流偏磁下变压器磁滞回线的研究

0试验与仿真研究回顾直接输电压的运行方法有两种：单极和双极。当极中的第一个极损坏或运行时，大型直流通过地下能源系统的接地极流入大地。地下能源直接流在地下能源表面。同时，附近通信系统接地极的电位远离无界区域。此时，交流接地系统侵入了交流系统。例如通过变压器中性点接地极进入变压器绕组，在变压器绕组形成直流电流。侵入到交流系统的直流电流的大小除了与换流站与变电所的距离、交流电网的构成及参数因素有关外，还与电流流经的土壤电阻率密切相关，电阻率越高的地方更容易形成高的电位差，相应地入侵到交流系统的直流电流越大。国内文献就交直流混合输电所产生的问题进行了一些研究和探讨；就抑制中性点提出了一些措施；其中对变压器的影响也有一些专题研究。国外就地磁感应电流所引起的变压器直流偏磁也进行了一些理论和试验研究。试验表明三相组式(单相)变压器的直流偏磁最为突出。由于变压器非线性磁滞回线的复杂性，某些试验得出的结论在理论计算中并没有得到精确的解释，而有的理论上所研究的很难在试验中得到验证。为研究实际的电力系统遭遇直流电流的入侵所产生的变压器直流偏磁及其规律，本文将试验与仿真结合起来对单相变压器直流偏磁问题进行了研究。试验对单相变压器开路、低功率三相四线制对称负载、低功率三相四线制不对称负载、低功率三相三线制不对称负载(相当于负载三角形连接)、额定功率下三相四线制对称负载5种运行情况下变压器的一次绕组电流和电压，二次绕组电压进行了测量。将测量数据进行了处理，并对试验变压器直流偏磁进行仿真。1变压器非线性特性试验仪器主要有三相电源；六个结构和铭牌参数相同的单相双柱变压器；示波器；数字万用表；直流电源等。变压器主要参数如下：额定容量为2kW；电压等级为1000/220V；一次与二次绕组的匝数比为为288/132ㄢ为将试验与计算结合起来，首先对2组三相组式变压器的非线性特性进行了测量，变压器1、2、3组成第一组三相变压器；变压器4、5、6组成第二组三相变压器。图1为测量的6个变压器非线性曲线，可以看出除了第2组第2台变压器的非线性曲线稍有不同外，其余5台变压器的非线性曲线相当吻合。2直流压试和侧磁强试验2.1变压器静态特性试验电路为三相电源通过三相输电线进入3个单相双柱升压变压器组成的三相组式变压器，经过三相传输线进入相同的3个单相双柱降压变压器组成的三相组式变压器，最后到达负载。试验电路如图2所示。图中us1,us2,us3分别为三相电源电压，Zs1,Zs2,Zs3分别为三相电源阻抗，Z1,Z2,Z3分别是三相输线的等效阻抗。考虑到6台变压器的非线性特性以及其它的特性基本一致，在进行开路试验中，本实验对第2组三相变压器中的其中一个变压器(第2组第3台)进行了空载电流的测量，这时R1=R2=R3=0。图3为3种直流入侵下的空载电流在5个周期内的波形，随着直流电流的增加，空载电流正向峰值迅速增加，波形畸变严重。直流电流增加10倍，空载电流峰值增加5.1倍。对图3的空载电流进行FFT，得到图4的直流偏磁空载电流的谐波分布(零次谐波为直流分量)。随着直流电流的增加，低次谐波增长明显，高次谐波基本没有变化。直流电流增加10倍，1次、2次和3次谐波分别增加了4.8、6.1和2.6倍。图5、图6分别为空载电流峰值和各低次谐波随直流电流的变化趋势。直流电流较小(<0.03A)时，峰值与谐波幅值随直流电流的增加没有规律；直流电流继续增大，空载电流峰值随直流呈现直线上升的趋势。同时空载电流的低次谐波随直流的增长基本均表现为直线上升的趋势。谐波次数越低，增长速度越快。随着直流电流的增加，高次谐波也越来越表现为直线增长的趋势。2.2次串联电流的特性试验电路如图2所示，R1,R2,R3分别是功率为25W的3个灯泡等等效电阻。三相对称，只对其中一相(C相)进行了测量。图7为入侵直流电流分别为0.002、0.028和0.236A一次绕组电流的波形。由于负载功率较小，一次绕组电流与励磁电流具有可比性，在直流入侵后，电流畸变仍然是很严重的。图8和图9分别为一次绕组电流峰值和各次谐波随直流电流的变化曲线。直流电流小于0.09A时，电流峰值和各次谐波增加无规律，当直流电流继续增大时。绕组电流峰值与各次谐波的幅值随直流电流的变化规律仍然显示直线上升趋势。将图14与图10进行比较，可以看出1次、2次谐波幅值增加的速度与比开路稍大。但3次、4次增加的速度比开路要小。变压器负载下峰值随直流增长的速度稍有下降。2.3在不对称负荷的情况下，变量的直接偏移试验2.3.1直流电流对c相试验如图2所示，改变三相负载，A、B、C三相负载分别为2个25W灯泡串联、2个25W灯泡并联和1个25W的灯泡。为了尽量使每相的直流电流入侵大小基本相同，采用等效电阻基本是相同的三根导线连接在两组变压器之间，由于6台变压器线圈的等效电阻稍有不同，且整个回路的电阻不超过2Ω，因此在中性点通以直流后，三相的入侵直流电流并不完全相同。图10是7次不同直流入侵试验时，三相直流电流的分配曲线。直流电流很小时，直流在三相中基本是平均分配，随着直流电流增加，三相中的直流分配越来越不平衡。C相直流电流的分配比例明显大于A和B相。图11表现了直流入侵导致的一次绕组电压的变化。可以看到电压相位出现轻微移动，峰值稍微变小。图12(a)为无直流入侵下的一次绕组的三相电流，三相功率大小排列为B-C-A，一次绕组电流峰值大小的顺序为B-C-A。图12(b)为直流入侵后三相一次绕组电流，A、B、C三相入侵电流分别为0.34A、0.37A和0.46A。虽然B相无直流下的一次绕组电流最大，但直流入侵后C相的各次谐波已经超过了B相，原因在于C相的入侵直流电流比例在进一步加大。因此直流电流的分配不均导致三相直流偏磁的程度不同。图13分别是三相一次绕组的各次谐波随直流电流的变化曲线。均表现为随直流直线上升的趋势。变化规律与空载电流各次谐波随时间的变化规律是一致的。2.3.2变压器负载端三相直流电流试验结果分析根据图2，将负载的中性线去掉，这样形成三相三线制的负载连接。负载大小同2.3.1。图14显示了同一时刻三相直流电流的分配比例。图15、图16分别为无和有直流电流下的三相一次绕组电流及谐波分布。三相四线制和三相三相制试验得出结论：变压器负载端三相四线制和三相三线制对直流电流的分配有一定的影响。三相四线制和三相三线制中，C相均表现为直流分配比例最大，所以C相的谐波始终是最大的。A、B两相的直流电流的分配比例在2种情况下发生了变化。三相四线制中的B相直流电流分配稍大于A相，则B相除一次谐波外的其它谐波含量比A相稍大。三相三线制中A相直流电流大于B相直流电流，则A相中除一次谐波外的其它次谐波次数幅值均比B相大，A相一次绕组电流THD值比B相大。三相三线制入侵的直流电流大约为三相四线制的1/2，但2种情况的直流偏磁程度却是相近的。这说明，相同负荷下三相三线制比三相四线制更容易直流偏磁。2.4次举升机构同负载功率的关系将图2中低功率负载改为3个额定功率的负载Y0连接，这时变压器工作在额定功率负载下。从前面的试验可以看出一次绕组的畸变是由于励磁电流的畸变导致的。在一次绕组电流较小的情况下，变压器直流偏磁后使一次绕组电流畸变比较明显。变压器额定负载运行下，额定电流远大于励磁电流，即便变压器直流偏磁，一次绕组电流的畸变并不很明显。三相基本对称，图17为其中一相(C相)的一次绕组电流在不同直流入侵下的波形变化。在3种直流入侵下一次绕组电流的变化情况额定功率下的变压器直流偏磁下的一次绕组电流谐波增长规律与前面两种情况基本相同。由于额定电流比励磁电流要大得多，所以变压器相同的直流偏磁下，额定功率运行下的一次绕组电流畸变并没有低功率运行下一次绕组电流的畸变明显，但它们的谐波增长规律是相似的。图18所示为一次绕组电流低次谐波随直流电流的变化曲线，随着变压器负载功率的增加，1次、3次等奇次谐波随直流电流的增加而增加的速度下降。偶次谐波基本不变。3试验模型的计算3.1磁滞回线的确定变压器的直流偏磁问题来源于变压器的非线性磁滞回线。图1是已经测量了变压器的非线性单值曲线，由于没有确知工作下的磁滞回线的剩磁和矫顽力，还不能确定变压器铁心的磁滞回线。随着直流偏磁程度的加强，变压器铁心的工作磁密变大，用试验测量的非线性单值曲线来进行模拟计算显然是不够的。本文利用磁滞回线与励磁电流的关系来确定铁心的磁滞回线。在此基础上进行直流偏磁的计算。利用建立在Jiles-Atherton理论基础之上的磁滞回线理论，通过改变5个相应的参数，可实现不同的非线性磁滞回线形状。通过仿真计算，结合试验的铁心非线性曲线，找到与测量的励磁电流相同波形的计算励磁电流波形，从而确定计算所用的磁滞回线即为测量变压器铁心的磁滞回线。图19为不同回线面积(不同剩磁和矫顽力)下的磁滞回线。图20为所对应的3个励磁电流波形。从5种磁滞回线及相对应的励磁电流波形可以看出，回线面积越小，励磁电流峰值越尖锐。3.2在直接试验变量磁体下进行模拟计算3.2.1仿真结果和分析根据3.1节所述的方法，本文在试验励磁电流波形的基础上，通过仿真磁滞回线参数的改变，使仿真励磁电流波形与试验励磁电流基本一致，以得到变压器的磁滞回线。图21为仿真励磁电流波形所对应的铁心磁滞回线。从图22可看到仿真和试验2种波形总体上吻合较好。图23为不同直流电流下的偏磁的磁滞回线，图24为不同直直流入侵下的励磁电流仿真波形和试验波形的拟合。随着直流电流的增加，变压器的偏磁程度越来越严重，磁滞回线的两回线将越来越靠近，趋向非线性单值曲线。相对应的励磁电流峰值越来越尖锐。谐波分布也越来越丰富。仿真和试验波形吻合较好。3.2.2次串联二次网络参数的仿真模型在变压器二次绕组端接上额定负载，这时一次绕组的额定电流峰值为1.8A，分别在一次绕组中注入0A、0.25A的直流电流，通过仿真得到其励磁电流和一次绕组电流的时间曲线的变化。图25是无直流和直流为0.25A下的励磁电流，相对应地，图26是无直流和直流为0.25A下的一次绕组电流。励磁电流严重畸变，一次绕组电流出现偏移，与图17的试验结果吻合。在仿真中，将直流偏磁下的一次绕组电流波形与无直流偏磁下的励磁电流波形相减，得到一个与无直流偏磁下一次绕组电流完全相同的波形。从变压器等效电路图中已经得到解释。同时说明，变压器直流偏磁对变压器负载端基本没有影响，一次绕组电流近似为二次绕组电流与励磁电流的叠加，因此在二次绕组不受直流偏磁影响情况下，变压器直流偏磁导致一次绕组电流畸变实际是励磁电流的畸变。文中通过利用建立在Jiles-Atherton理论基础之上的非线性变压器铁心模型，对试验变压器开路和额定负载下的直流偏磁问题进行了仿真，仿真结果与试验结果吻合良好。这证实了仿真模型的有效性。针对不同的变压器，只需了解变压器的有关参数，如变压器容量、电压等级、匝数比、非线性特性、等效磁路长和铁心面积等就可对其直流偏磁问题进行仿真研究。4次串联电流的特性(1）直流入侵单相变压器导致变压器空载电流严重畸变，空载电流峰值与各次谐波随直流电流的增加基本上直线上升。谐波次数越低，增加越快。各次谐波相位也随入侵直流电流的变化而变化。(2）单相变压器低功率负载运行下，一次绕组电流与励磁电流具有可比性，直流入侵变压器，一次绕组电流出现严重畸变。峰值和各次谐波分量的幅值随直流电流增加表现为直线上升的趋势。一次绕组电流在基础值大于空载电流情况下，其随直流电流增加线性增加。(3）三相不对称负载运行下，直流电压产生的直流电流在三相中的分配不均匀。由于直流分配不均，直流电流大的一相在同一时刻偏磁最严重，绕组电流峰值和谐波最大。(4）相同负荷下三相