基于愛潑斯坦方圈的直流偏磁實(shí)驗(yàn)及分析

陳 斌， 朱 亮，許蓬萊

（臺(tái)州電業(yè)局，浙江 臨海 317000）

輸配電

基于愛潑斯坦方圈的直流偏磁實(shí)驗(yàn)及分析

陳 斌， 朱 亮，許蓬萊

（臺(tái)州電業(yè)局，浙江 臨海 317000）

在高壓直流輸電的單極大地運(yùn)行方式中，直流電流通過接地的中性點(diǎn)流入變壓器繞組會(huì)給電力變壓器造成危害。隨著直流輸電的應(yīng)用和發(fā)展，直流偏磁問題已經(jīng)得到越來越多的重視。對(duì)于直流偏磁問題的研究不僅有利于揭示直流偏磁機(jī)理，而且對(duì)變壓器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行有著重要的指導(dǎo)意義。本文利用愛潑斯坦方圈進(jìn)行了直流偏磁測(cè)試。通過對(duì)勵(lì)磁電流各次諧波的分析，研究了直流偏磁對(duì)勵(lì)磁電流及飽和鐵心的影響。

高壓直流輸電；直流偏磁；電力變壓器；諧波；勵(lì)磁電流

1 變壓器直流偏磁問題

由于繞組中直流偏置電流的存在，變壓器鐵心中會(huì)產(chǎn)生直流磁勢(shì)和相應(yīng)的直流磁通。直流磁通與交流磁通相迭加，總磁通增大，從而使得變壓器工作點(diǎn)上移，鐵心嚴(yán)重飽和，勵(lì)磁電流中產(chǎn)生大量諧波[1]。直流偏磁不僅會(huì)使變壓器自身溫度升高，噪聲增大，嚴(yán)重影響其工作性能和使用壽命，還會(huì)使電網(wǎng)出現(xiàn)無功補(bǔ)償、電壓跌落等問題，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰。加拿大魁北克的大停電事故就是由直流偏磁問題引起的。

產(chǎn)生直流偏磁電流的原因主要有兩個(gè)[2-4]，首先是高壓直流輸電，由于直流輸電系統(tǒng)采用單極大地回路方式或雙極不平衡方式運(yùn)行，大地中回流的直流電流會(huì)在變電站之間產(chǎn)生電位差，由此產(chǎn)生的直流電流通過接地中性點(diǎn)流入變電站的變壓器繞組。其次是地磁風(fēng)暴，太陽等離子風(fēng)的動(dòng)態(tài)變化與地磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生地磁風(fēng)暴，地磁場(chǎng)的變化在地球表面產(chǎn)生電位梯度，從而在變壓器繞組中產(chǎn)生低頻感應(yīng)電流。由于其頻率非常低，可近似認(rèn)為是直流電流。隨著高壓直流輸電的發(fā)展，變壓器的直流偏磁問題已經(jīng)得到越來越多的關(guān)注。

電力變壓器對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，國(guó)內(nèi)的各個(gè)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和電力運(yùn)行部門均對(duì)直流偏磁問題開展了大量的科學(xué)研究工作。在直流偏磁的物理機(jī)理，直流偏磁對(duì)各種變壓器的影響，變壓器耐直流偏磁能力以及抑制接地點(diǎn)直流電流措施等方面[5-7]取得了大量的研究成果。筆者利用愛潑斯坦方圈，通過對(duì)勵(lì)磁電流的諧波分析，研究了不同比例的直流偏置量對(duì)勵(lì)磁電流的影響。利用簡(jiǎn)單迭代法求出不同偏置量時(shí)鐵心內(nèi)直流磁通，分析了直流偏磁條件下，鐵心內(nèi)直流磁通的變化規(guī)律。

2 測(cè)試原理及實(shí)驗(yàn)方案

對(duì)直流偏磁問題的分析，涉及到對(duì)直流偏磁條件下電工鋼片的磁特性研究。在國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了用愛潑斯坦方圈測(cè)量電工鋼片磁性能的一般原理，但是只限于交流激勵(lì)。對(duì)于直流偏磁的測(cè)試，還需要考慮交直流耦合，空氣補(bǔ)償?shù)葐栴}。文獻(xiàn)[8]在GB/T 3655-2000《用愛潑斯坦方圈測(cè)量電工鋼片（帶）磁性能的方法》的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了可以進(jìn)行交直流共同磁化情況下的磁特性測(cè)量。本次實(shí)驗(yàn)采用類似的方法對(duì)愛潑斯坦方圈進(jìn)行了不同偏磁量下的空載直流偏磁測(cè)試，測(cè)量了不同偏磁情況下激磁電流的波形。

方圈上繞有兩組線圈，初級(jí)線圈為700匝，導(dǎo)線的截面積為2 mm2,電阻值0.65Ω；次級(jí)線圈700匝，導(dǎo)線截面積0.5 mm2，電阻值1.65Ω。直流偏磁繞組為50匝，為防止交直流信號(hào)的耦合，可以采用加扼流圈和旁路電容的方法[8]。如圖1所示為愛潑斯坦方圈平面示意圖，在方圈內(nèi)側(cè)為交流線圈，方圈外側(cè)為直流線圈。圖2給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)電路簡(jiǎn)圖。

圖 1 愛潑斯坦方圈示意圖

圖2 工作原理圖

為便于定量研究直流偏磁問題，需要選取一個(gè)基準(zhǔn)電流，在電路端口施加不同比例的偏磁電流，觀察勵(lì)磁電流波形以及磁場(chǎng)的變化情況。考慮到變壓器鐵心中的額定磁通約為1.7 T。因此選取無偏磁條件下，使方圈中平均磁通達(dá)到1.7 T時(shí)勵(lì)磁電流的峰值作為基準(zhǔn)電流，據(jù)此得到實(shí)驗(yàn)中的基準(zhǔn)電流為1.6 A。

3 勵(lì)磁電流及直流磁通的分析

3.1 勵(lì)磁電流波形的變化

直流偏置電流按照基準(zhǔn)電流的不同比例依次施加，分別為25%，50%，75%和100%，在直流偏置量固定時(shí)，逐步增加交流電壓激勵(lì)觀察勵(lì)磁電流波形的變化。圖3-6給出了幾組典型的不同直流偏磁條件下的勵(lì)磁電流波形。

圖3 直流偏磁量為基準(zhǔn)電流的25%，交流電壓18 V

圖4 直流偏磁量為基準(zhǔn)電流的50%，交流電壓120 V

由圖中可以看出，在不同的直流偏磁情況下，當(dāng)在繞組中加入直流分量后，激磁電流開始出現(xiàn)半周飽和現(xiàn)象，并隨著直流分量的增大，飽和現(xiàn)象也隨之明顯。

3.2 勵(lì)磁電流的諧波分析

圖5 直流偏磁量為基準(zhǔn)電流的75%，交流電壓183 V

圖6 直流偏磁量為基準(zhǔn)電流的100%，交流電壓120 V

在無偏磁狀態(tài)下，變壓器繞組的勵(lì)磁電流中只含有1次、3次等奇次諧波；在直流偏磁狀態(tài)下，勵(lì)磁電流中則同時(shí)含有零次、奇次、偶次諧波。顯然，直流量的出現(xiàn)以及直流量的大小，都與其他諧波分量有著密切的關(guān)系，因此對(duì)不同直流偏磁情況下的勵(lì)磁電流進(jìn)行諧波分析是十分必要的。圖7是交流電壓183 V時(shí)，不同偏磁狀態(tài)下勵(lì)磁電流中各個(gè)諧波分量；圖8為交流電壓峰值為260 V時(shí)不同偏磁狀態(tài)下勵(lì)磁電流中各個(gè)諧波分量。

從圖7、8看出，在直流偏磁條件下低次諧波為勵(lì)磁電流中的主要諧波分量，高次諧波所占比例較小。當(dāng)加大直流偏置量時(shí)，一次和二次諧波呈線性增長(zhǎng)，而三次等高次諧波呈非線性增長(zhǎng)，且諧波次數(shù)越高，增長(zhǎng)越快。

圖7 交流電壓為183 V時(shí)不同偏磁情況下的各諧波分量

圖8 交流電壓為260 V時(shí)不同偏磁情況下的各諧波分量

3.3 直流磁通的變化

由于沒有測(cè)量直流磁通值的設(shè)備，因此只能通過一定的數(shù)值方法進(jìn)行估算。采用基本迭代法[9]，通過判斷迭代法得到的勵(lì)磁電流中的直流量和峰值的誤差，可以獲得滿足工程精度的直流磁通值。由此研究不同的直流偏磁條件下，直流偏置量對(duì)直流磁通的影響。表1給出了不同偏置量下，采用迭代法計(jì)算得到的直流磁通值。

表1 不同偏磁條件下迭代法求得的直流磁通值T

由表1中給出的數(shù)據(jù)可見，在直流偏磁條件下，方圈鐵心中的直流磁通隨著直流偏置量的增大而增大，隨著交流激勵(lì)的增大而減小。交流激勵(lì)對(duì)直流磁通有著明顯的抑制作用。

4 結(jié)語

通過對(duì)愛潑斯坦方圈的測(cè)量研究了變壓器中的直流偏磁現(xiàn)象，從諧波分析的角度，研究了直流偏置量對(duì)激磁電流中各諧波分量的影響，并給出了直流偏置量與直流磁通間的關(guān)系，為進(jìn)一步研究抑制變壓器直流偏磁問題提供依據(jù)。

[1]李慧奇，崔翔，侯永亮，等．直流偏磁下變壓器勵(lì)磁電流的實(shí)驗(yàn)研究及計(jì)算[J]．華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，34（4）∶1-6．

[2]曾連生．直流輸電接地極對(duì)電力變壓器的影響[J]．高電壓技術(shù)，2005，31（4）∶57-59．

[3]蒯狄正，劉成民，萬達(dá)．直流偏磁對(duì)變壓器影響的研究[J]．江蘇電機(jī)工程．2004，23（3）∶1-5．

[4]曹林，曾嶸，趙杰，等．高壓直流輸電系統(tǒng)接地極電流對(duì)電力變壓器運(yùn)行影響的研究[J]．高壓電器，2006，42（5）∶346-349．

[5]皇甫成，阮江軍，張宇，等．變壓器直流偏磁的仿真研究及限制措施[J]．高電壓技術(shù)，2006，32（9）∶117-120．

[6]朱藝穎，蔣衛(wèi)平，曾昭華．抑制變壓器中性點(diǎn)直流電流的措施研究[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（13）∶1-7．

[7]尚春．HVDC地中電流對(duì)交流變壓器影響的抑制措施[J]．高電壓技術(shù)，2004，30（11）∶52-54．

[8]曹華貴，愛潑斯坦方圈測(cè)電工鋼片直流偏磁性能方法研究[J]．中國(guó)制造信息化，2009，38（11）∶40-43．

[9]王祥珩，徐伯雄.變壓器的直流偏磁問題[J].變壓器，1992，29（8）∶11-14.

（本文編輯：楊 勇）

Test and Analysis of DC Magnetic Bias Based on the Epstein Frame

CHEN Bin，ZHU Liang，XU Peng-lai

（Zhejiang Taizhou Electric Power Bureau，Linhai Zhejiang 317000，China）

The DC current flowing into transformer winding through ground neutral point may lead to a series of damages to the power transformer in monopolar ground return operation mode of HVDC transmission..A-long with the application and development of HVDC transmission system,DC magnetic bias has been attached more and more importance.The research on DC magnetic bias problems will not only contribute to revealing the bias mechanism but also provides an important guide to the design and operation of transformer.This paper performs DC magnetic bias tests to which the Epstein square is applied.All harmonics of exciting current are analyzed to study the effectof DC magnetic bias on exciting currentand saturated iron core.

HVDC transmission；DC magnetic bias；power transformer；harmonic；exciting current

TM406

：A

：1007-1881（2010）09-0001-03

2010-06-13

陳 斌（1965-），男，浙江臨海人，工程師，長(zhǎng)期從事過電壓和變電檢修技術(shù)管理工作。