【《负载直流偏磁计算过程案例分析》6500字】

负载直流偏磁计算过程案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u27112负载直流偏磁计算过程案例分析 1235921.1负载下特高压变压器电磁特性研究 1241911.2负载下特高压变压器铁心振动特性研究 6287071.3负载下特高压变压器绕组振动特性研究 10177781.4负载下特高压变压器各电气、振动量受直流偏磁影响 131.1负载下特高压变压器电磁特性研究特高压变压器实际运行时，中压侧主要为500kV电网受电，各变电站负载率大小有差异，其中负载率高的在60%以上。低压侧都是电抗器或者电容器等无功调节装置，中压侧与高压侧无功交换很少，一般少于104kW，不允许超过3105kW，功率因数一般不会低于90%，电路模型如第三章已展示的图3-3所示。本论文为模拟特高压变压器实际负载情况，变压器中压侧带66%容量的纯电阻负载，低压侧带电阻、电感和电容负载分别模拟特高压变压器的额定运行状态、过无功和无功不足三种工况。特高压变压器低压绕组带阻性和感性负载情况，电路微分方程的矩阵形式为：(5-1)式中，Um为交流电压源；Udc为加入的直流电压源；L1，L2，L3，M12，M23，M13分别代表串联绕组、公共绕组和低压绕组的动态自感以及彼此间的动态互感；r1，r2，r3分别代表串联绕组、公共绕组和低压绕组的电阻；RL2，RL3和LL3分别为中压侧负载电阻、低压侧的负载电阻和低压侧的负载电感。需要注意的是，计算阻性负载时，LL3此项为零。当低压绕组带容性负载时，电压微分方程的矩阵形式为(5-2)式中，C为低压绕组负载电容。进行特高压变压器额定运行仿真计算时，令特高压变压器三侧容量之后为零来计算特高压变压器额定运行情况，根据负载类型不同，式(5-1)和(5-2)中所需的中压侧和低压侧负载参数如下：（1）低压带阻性负载情况，低压侧负载电阻值RL3为36.2Ω，中压侧负载电阻值RL2为138.0Ω。（2）低压侧带感性负载情况，低压侧负载电阻值RL3为29.0Ω，低压侧负载电感值LL3为21.7H，中压侧负载电阻值为129.1Ω。（3）低压侧带容性负载情况，低压侧负载电容值C为8.810-5F，中压侧负载电阻值为97.7Ω。随着直流偏置电流的增加，正半轴磁路饱和不断严重，使得励磁阻抗不断减小，因此励磁电流波形畸变越严重，正半轴幅值随着铁心饱和程度的增加而不断增加，负半轴直流偏置电流对磁路起去磁作用，导致励磁阻抗增大，励磁电流减小。不同类型负载遭受直流偏磁影响的励磁电流正半轴波形如图5-16所示。当IDC为20，50，80，100A时，其中阻性负载励磁电流峰值分别为194.4，393.1，548.6，628.6A，感性负载对应的峰值电流为179.4，371.3，524.5，626.9A，相比分别减小了7.7%，4.5%，4.3%，0.4%；容性负载情况对应的峰值电流为247.9，531.3，740.7，872.4A，相比于阻性负载增加了27.6%，36.2%，31.0%，38.8%。结果表明，纯阻性负载和感性负载情况下受直流偏磁影响变化情况比较类似，而容性负载受同样直流偏磁影响时将明显产生更大的励磁电流，这也意味着容性负载时对直流偏磁更为敏感。a)低压侧带阻性负载b)低压侧带感性负载c)低压侧带容性负载a)withresistorloadb)withinductorloadc)withcapacitorload图5-16不同负载类型情况受直流偏磁影响的励磁电流波形Fig.5-16ExcitationcurrentwaveformwithdifferentloadtypeunderDCbias对不同负载类型情况遭受不同直流偏置电流影响的励磁电流波形进行傅里叶变换，求得的不同直流偏磁情况时励磁电流各次谐波幅值如表5-4所示，由于六次谐波之后的谐波幅值很小，因此表5-4只展示到六次谐波。由表中数据对比可知：（1）阻性负载与感性负载在遭受直流偏磁影响下各次谐波幅值的变化情况相似，容性负载与二者呈现明显的差异；（2）随着直流偏置电流的增加，不同负载类型的基波幅值变化不大，以100A直流偏磁情况为例，感性负载和容性负载相比阻性负载只增加了2.5%和4.9%，说明在直流偏磁条件下不同负载类型对基波幅值的影响很小；（3）随着直流偏置电流的增加，不同负载类型的励磁电流谐波幅值之间的差异逐渐增加，以100A直流偏磁情况为例，感性和容性负载相比阻性负载，他们的变化程度从二次谐波的0.9%和11.6%变化到六次谐波时的18.6%和338.6%，遭受同样的直流偏磁情况，其中容性负载谐波幅值更大，感性负载的谐波幅值最小，并且随着谐波次数的增加，差异更为明显。表5-4不同负载类型情况受直流偏磁影响的励磁电流谐波幅值Table5-4HarmonicsamplitudeofexcitationcurrentwithdifferentloadtypeunderDCbias频率/Hz负载类型励磁电流/AIDC=20AIDC=50AIDC=80AIDC=100A50阻性负载34.3389.71142.20171.74感性负载36.2489.35140.71180.07容性负载34.2692.07141.03184.36100阻性负载31.5880.09123.47149.19感性负载33.2178.79120.41150.56容性负载29.7084.55132.28166.52150阻性负载27.5466.1096.78112.19感性负载27.3262.5391.07109.30容性负载29.1778.09118.25141.29200阻性负载22.8450.2667.6072.95感性负载20.7141.0960.5567.58容性负载26.1168.3898.91117.19250阻性负载18.1134.9540.8138.59感性负载14.5429.6534.5933.54容性负载24.2057.5977.8787.46300阻性负载13.8621.8619.6613.43感性负载9.7518.1116.1210.93容性负载20.6946.0856.7558.91进一步分别对不同负载类型情况直流偏磁进行了仿真计算，各绕组波形如图5-17a~5-17i所示，其中角标iS，iC，iL分别代表串联绕组、公共绕组、低压绕组电流，角标数字代表直流偏置电流的大小。实线代表无直流偏置电流时各绕组的额定电流，虚线代表遭受不同直流偏置电流下的各绕组电流，由图5-17可知：（1）无论是阻性、感性还是容性负载，直流偏置电流对特高压变压器串联、公共、低压绕组电流均产生了影响，随着直流偏置电流的增大各绕组畸变程度不断增加。对于阻性负载，低压、公共绕组电流畸变程度较为严重，串联绕组电流的畸变程度较小；对于感性负载，公共绕组电流畸变程度较大，串联绕组和低压绕组电流畸变程度较小；对于容性负载，低压绕组电流畸变程度最大，公共绕组和串联绕组电流畸变程度也远远大于阻性和感性负载。（2）对于阻性负载和感性负载，二者在直流偏磁影响下的畸变程度较为相似，在0~5ms（1/4周期）阶段，是各绕组畸变程度不断增加，而在5~10ms阶段，各绕组畸变程度逐渐减小。10ms时刻之后，各绕组畸变程度十分微小，可以忽略。串联绕组和公共绕组，在直流偏置电流的作用下，其与额定电流的差值始终为正值；而对于低压绕组而言，其与额定电流的差值，先为正后为负。（3）容性负载相比阻性负载和感性负载情况受直流偏磁影响较大，在同样的直流偏置电流下出现了更为明显的畸变，畸变程度持续的时间也更长，几乎持续了整个周期。受直流偏磁的影响，低压绕组电流产生了更大的峰值。对于阻性负载和感性负载，造成绕组电流畸变的原因为：（1）对于高压侧绕组，通过图1高压侧电路图分析可知，当处于第一个1/4周期时，随着直流偏置电流的增加，产生的直流磁通和处于上升阶段的交流磁通综合作用，磁路饱和程度不断加剧，磁导率持续下降，励磁阻抗不断变小，绕组电流持续增大；当处于第二个1/4周期，交流磁通从最大值开始变小，磁路饱和程度开始下降，磁导率开始回升，励磁阻抗重新增大，使得绕组电流畸变程度缩小，逐渐恢复到额定状态。（2）对于低压绕组电流，因为直流分量无法进入低压绕组，因此，磁通变化率和感应电动势保持不变，低压绕组电流的变化取决于漏阻抗的变化，随着直流偏置电流的增加，导致磁路饱和，漏阻抗增加，因此低压绕组电流变小，由图中受直流偏置电流影响的低压绕组电流与额定电流的对比可知，低压绕组的绝对值在畸变区处处小于额定电流，当进入后1/2周期，直流偏磁影响十分微弱，绕组电流也逐渐恢复为额定电流。图中的电流畸变情况与理论分析一致，也验证了绕组电流计算结果的准确性。容性负载情况与阻性负载和感性负载情况不同，在波形中产生了振荡，也造成了更为严重的畸变，其主要原因是：低压侧带阻性负载和感性负载时，不具备发生振荡的条件，而当特高压变压器带容性负载时，电路中出现电感和电容，会出现振荡现象，因此，图5-17g~5-17i中绕组电流分别在正负半周都产生了更大的峰值。a)20A直流带阻性负载b)50A直流带阻性负载c)100A直流带阻性负载a)20ADCwithresistorb)50ADCwithresistorc)100ADCwithresistord)20A直流带感性负载e)50A直流带感性负载f)100A直流带感性负载d)20ADCwithinductore)50ADCwithinductorf)100ADCwithinductorg)20A直流带容性负载h)50A直流带容性负载i)100A直流带容性负载g)20ADCwithcapacitorh)50ADCwithcapacitori)100ADCwithcapacitor图5-17直流偏磁影响下不同负载类型的各绕组电流波形Fig.5-17WindingcurrentwithdifferentloadtypeunderDCbias本节研究计算了带不同负载类型时特高压变压器的直流偏磁情况，可以得出以下结论：直流偏磁对串联、公共、低压绕组电流均会产生不同程度的影响，随着直流偏磁程度的加深，各侧电流畸变程度逐渐增加；低压侧带阻性负载和感性负载情况受直流偏磁影响的变化规律相同，低压侧带容性负载时，受直流偏磁影响最大，主要原因是直流偏磁造成的某些谐波由于电容的存在而产生了谐振。本节研究为特高压变压器实际运行时低压侧带不同负荷类型的直流偏磁影响提供了理论依据，对遭受直流偏磁时的电气特征进行了仿真分析，为特高压变压器实际运行中不同工况遭受直流偏磁现象的设计防护提供了重要参考。1.2负载下特高压变压器铁心振动特性研究本节对特高压变压器额定运行下的直流偏磁振动情况进行了仿真计算，令特高压变压器中压侧、低压侧均带纯电阻负载来模拟实际运行情况，其中低压侧负载电阻值RL3为36.2Ω，中压侧负载电阻值RL2为138.0Ω。变压器直流偏磁下的铁心整体位移情况如图5-18所示，从振动云图分布中可以看出，直流偏置电流大大增加了铁心位移，通过对不同位置处的铁心表面位移进行了对比，可以发现，底部的位移最小，轭部中心位置处位移最大，旁柱位移小于主柱的位移，变压器铁心表面位移整体呈从底部向上、从两侧向中间不断增大的趋势。进一步，在铁心主柱之间的轭部、铁心主柱和铁心旁柱中心取3个位置点，如图5-19a所示，并对其直流偏磁下的铁心位移情况进行了计算，铁心不同位置处随直流偏置电流值而变化的铁心表面位移变化情况如图5-19b所示。由图可以看出，随着直流偏置电流的不断升高，铁心表面位移情况呈现先快速上升，随后增速变慢，逐渐趋于饱和。a)无直流偏磁铁心位移a)DisplacementwithoutDCbiasb)5A直流偏磁铁心位移b)Displacementunder5ADCbiasc)60A直流偏磁铁心位移c)Displacementunder60ADCb)100A直流偏磁铁心位移b)Displacementunder100ADC图5-18负载直流偏磁下铁心位移Fig.5-18DisplacementofthecorewithloadunderDCbiasa)铁心表面选点位置a)Calculatedpointofthecoreb)不同位置直流偏磁下铁心位移b)Displacementofselectedpoint图5-19不同位置处铁心位移Fig.5-19Displacementofthecoreofselectedpoints变压器铁心的磁致伸缩与其磁化强度紧密相关，为了研究直流偏磁对铁心磁化强度和磁致伸缩应变的关系，针对图5-19a中不同位置，图5-20分别给出了不考虑直流偏磁情况和加入5A直流偏置电流情况铁心应变λ和磁化强度M的关系。由图可知，负载直流偏磁情况下，旁柱的磁化强度增幅最大，因此旁柱的磁致伸缩应变的增幅也最为明显。在一个周期内，磁致伸缩并不是正弦变化的，而是有一个很大的突变量，突变点出现在饱和壁移磁化强度处，当磁化强度小于饱和壁移磁化强度时，磁致伸缩曲线成正弦分布，一旦磁化强度跃过饱和壁移磁化强度这一转折点，磁致伸缩应变开始反向增加，磁致伸缩曲线将发生突变，不再呈正弦分布。直流偏置电流的出现会增大铁心磁化强度，从而导致铁心表面应变增大，在5A直流偏置电流的影响下，铁心各位置的磁致伸缩应变均大幅增加。其中主柱之间的轭部（点1）和主柱中心处（点2）在直流偏磁的影响下，应变增加近一倍，旁柱中心（点3）应变增幅超过两倍。与空载直流偏磁时应变的增幅相比，直流偏磁对负载情况下的应变的影响程度相对较小。a)点1应变与磁化强度a)Strainandmagnetizationatpoint1b)点2应变与磁化强度b)Strainandmagnetizationatpoint23)点3应变与磁化强度3)Strainandmagnetizationatpoint3图5-20不同位置处铁心应变与磁化强度Fig.5-20Strainandmagnetizationoftheselectedpoints图5-21进一步给出了无直流情况和不同直流偏置电流情况下加速度波形图。由图可知，负载情况下直流偏磁对振动加速度的影响小于空载情况，当5A直流偏置电流注入到变压器中时，铁心主柱和旁柱的加速度幅值分别由1.1m/s2和1.7m/s2增加到1.0m/s2和1.8m/s2，增幅均近四倍。随着直流偏磁的继续加深，振动加速度增长幅度较小，60A和100A直流偏磁下的振动加速度之间的差异并不明显，振动已趋于饱和状态。a)主柱加速度波形a)Accelerationcomparisonofmaincolumnb)不同直流下主柱加速度波形b)AccelerationofmaincolumnunderDCc)旁柱加速度波形c)Accelerationcomparisonofsidecolumnd)不同直流下旁柱加速度波形d)AccelerationofsidecolumnunderDC图5-21直流偏磁下铁心加速度波形Fig.5-21AccelerationofthecoreunderDCbias随后对负载直流偏磁下的加速度波形进行傅里叶变换，不同位置处的加速度各次谐波分布如图5-22所示。由图可知，负载直流偏磁下的振动加速度各次谐波分布主要集中于500Hz之内，更高频率的谐波幅值很小且受直流偏磁的影响也小。直流偏置电流主要影响低次谐波，尤其是200Hz谐波分量，受直流偏磁影响最大，增幅最为明显。以铁心主柱谐波分布情况为例，在无直流偏磁的情况，200Hz谐波分量仅为0.25m/s2，注入5A直流之后迅速上升到3.5m/s2，增加了13倍，当直流偏置电流为100A时，上升至59.5m/s2。在5A直流偏磁的程度上又增加了16倍。a)铁心主柱加速度谐波a)Accelerationharmonicsofmaincolumnb)铁心旁柱加速度谐波b)Accelerationharmonicsofsidecolumn图5-22直流偏磁下铁心加速度谐波分布Fig.5-22HarmonicsofaccelerationofthecoreunderDCbias1.3负载下特高压变压器绕组振动特性研究本节对特高压变压器负载运行的直流偏磁进行了仿真计算。图5-23展示了无直流偏磁情况一个稳定周期内电流达到最大值时绕组漏磁场、受力和振动位移分布情况。直流偏置电流为5A、60A、100A时的绕组漏磁场、受力和振动位移分别如图5-24到图5-26所示。图中绕组受轴向安培力方向为从绕组顶部指向中部区域，低压绕组受径向安培力方向指向内侧，公共绕组和串联绕组受径向安培力方向指向外侧，与理论分析方向一致。结合图中结果可以发现，随着直流偏磁程度的不断加深，绕组受力和振动位移大幅增加，不考虑直流偏磁时，绕组受安培力和绕组最大位移分别为22.7N和0.73μm，当注入5A直流后，绕组受安培力和最大位移分别增加至127N和1.01μm，分别增长了459%和38%。当直流偏置电流上升至100A时，绕组受力和最大位移分别增加至271N和3.24μm，相比5A直流偏磁程度，又增长了113%和220%。a)绕组漏磁场a)Leakagefieldb)绕组受安培力b)Ampereforcec)绕组位移3)Displacement图5-23无直流情况绕组振动情况Fig.5-23VibrationofwindingswithoutDCbiascurrenta)绕组漏磁场a)Leakagefieldb)绕组受安培力b)Ampereforcec)绕组位移3)Displacement图5-24直流为5A时绕组振动情况Fig.5-24Vibrationofwindingsunder5ADCbiascurrenta)绕组漏磁场a)Leakagefieldb)绕组受安培力b)Ampereforcec)绕组位移3)Displacement图5-25直流为60A时绕组振动情况Fig.5-25Vibrationofwindingsunder60ADCbiascurrenta)绕组漏磁场a)Leakagefieldb)绕组受安培力b)Ampereforcec)绕组位移3)Displacement图5-26直流为100A时绕组振动位移情况Fig.5-26Vibrationofwindingsunder100ADCbiascurrent以公共绕组表面振动加速度为例，其无直流情况和受直流偏磁影响下的绕组振动加速度如图5-27所示，与空载振动加速度的幅值增长情况箱壁，直流偏磁对负载绕组振动加速度影响相对较小，绕组振动加速度各次谐波分量中以150Hz、250Hz谐波分量为主，无直流偏磁时，150Hz和250Hz谐波分量分别为0.43m/s2和0.36m/s2，加入5A直流偏置电流后，150Hz和250Hz谐波分量分别增加至1.12m/s2和0.59m/s2，增幅分别为160%和64%。当直流偏置电流为100A时，150Hz和250Hz谐波分量增加至1.45m/s2和0.97m/s2，与5A直流偏磁时相比，增幅分别为29%和64%。a)无直流加速度a)AccelerationwithoutDCb)直流偏磁下加速度b)AccelerationunderDCc)直流偏磁下加速度谐波3)Accelerationharmonics图5-27直流偏磁下公共绕组振动加速度Fig.5-27AccelerationofwindingsunderDCbiascurrent不同直流偏置电流下绕组最大振动位移和不同绕组表面加速度峰值如图5-28所示，由图可知，绕组振动位移峰值的增加与直流偏置电流的增加几乎呈线性关系。从各绕组加速度峰值变化规律中可以