500kV電力變壓器直流偏磁故障分析

楊凱強(qiáng)，李強(qiáng)，葉紅楓，山江川，劉念，謝馳

(1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都610065 2.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江海鹽314300)

500kV電力變壓器直流偏磁故障分析

楊凱強(qiáng)1，李強(qiáng)2，葉紅楓2，山江川2，劉念1，謝馳1

(1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都610065 2.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江海鹽314300)

針對(duì)電力變壓器發(fā)生直流偏磁的現(xiàn)象，采用ANSYS軟件研究其內(nèi)部磁場(chǎng)和勵(lì)磁電流的畸變率變化情況。為分析某電廠變壓器所受到的影響，該文建立大型電力變壓器的二維瞬態(tài)場(chǎng)數(shù)學(xué)模型。在考慮到初始條件和邊界條件下，利用場(chǎng)路耦合有限元法研究變壓器在不同直流入侵后鐵心內(nèi)部磁場(chǎng)的變化，并且計(jì)算不同直流偏磁下勵(lì)磁電流的總諧波畸變率。理論分析和仿真結(jié)果表明:變壓器鐵心飽和程度隨著直流偏磁的增大而增大，勵(lì)磁電流諧波量也隨之增加，畸變率也越來(lái)越大。

超高壓;變壓器;直流偏磁;勵(lì)磁電流;有限元;場(chǎng)路耦合;磁通密度

0 引言

隨著近年來(lái)高壓直流輸電的蓬勃發(fā)展，變壓器直流偏磁問(wèn)題越顯突出，已成為實(shí)際工程中急需解決的問(wèn)題［1－2］。引起變壓器直流偏磁現(xiàn)象有兩個(gè)原因:1)太陽(yáng)風(fēng)暴引起的地磁場(chǎng)的變化在大地表面形成電位梯度，地表電位梯度通過(guò)變壓器接地中性點(diǎn)在變壓器繞組中形成地磁感應(yīng)電流，頻率在0.001～1 Hz，與工頻50 Hz相比可以看作為直流，其值最高可達(dá)200A［3］;2)高壓直流輸電單極大地回路運(yùn)行方式或者高壓直流輸電雙極不對(duì)稱運(yùn)行方式造成的直流電流通過(guò)接地中性點(diǎn)進(jìn)入變壓器繞組［4］。直流電流入侵到變壓器繞組內(nèi)會(huì)使鐵心產(chǎn)生直流磁通，并引發(fā)一系列的電磁效應(yīng)。直流磁通使得鐵心總磁通出現(xiàn)半周飽和的情況，即勵(lì)磁電流正負(fù)半周不對(duì)稱。從而會(huì)加劇鐵心磁通的飽和程度，進(jìn)而引起變壓器勵(lì)磁電流諧波含量、漏磁增加，振動(dòng)、噪聲增大，溫度升高，損耗增加。所以對(duì)變壓器直流偏磁現(xiàn)象的研究對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行和變壓器的生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

目前針對(duì)變壓器直流偏磁的研究中，專家學(xué)者針對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行了專題研究［5－6］。Yang等［7］對(duì)直流偏磁下變壓器的銅耗和鐵耗上升，鐵心、變壓器油和其他構(gòu)件的溫度升高做了研究分析，但作者并沒(méi)有就勵(lì)磁電流是如何畸變以及畸變的程度作相應(yīng)的研究。Tian等［8］研究了直流偏磁對(duì)500 kV電力系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)［9－10］針對(duì)直流偏磁引起的變壓器振動(dòng)、噪聲問(wèn)題做了計(jì)算分析，并得出振動(dòng)頻譜和噪音分貝等結(jié)果，振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)夾具螺栓會(huì)被振動(dòng)松掉，最終導(dǎo)致整個(gè)變壓器損毀。文獻(xiàn)［11］基于變壓器鐵心的結(jié)構(gòu)，提出了通過(guò)對(duì)偶性原理建立電路模型，該電路模型只使用一個(gè)電路就可以表示變壓器的所有電磁效應(yīng)。文獻(xiàn)［12］提出了直流偏磁下變壓器的電路磁路模型，并且進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真分析。

本文通過(guò)電磁場(chǎng)理論和有限元法，考慮到初始條件和邊界條件下，采用ANSYS軟件建立了基于有限元的變壓器鐵心二維計(jì)算模型。通過(guò)該模型研究了變壓器在直流偏磁條件下，鐵心的磁通密度在特定路徑下的變化規(guī)律以及空載勵(lì)磁電流諧波的變化。

1 直流偏磁下變壓器勵(lì)磁電流特性

1.1 變壓器參數(shù)

仿真實(shí)例所用變壓器的型號(hào)為DFP－250000/ 500 TH。具體參數(shù)如表1所示。

表1 變壓器技術(shù)參數(shù)

1.2 基本理論

單相變壓器的場(chǎng)路模型如圖1所示。φ0為繞組漏磁通;φ1、φ2為鐵心主磁通;L為繞組自感;M為繞組互感。

圖1 變壓器場(chǎng)路模型

根據(jù)變壓器的磁路和等效電路模型，在二次側(cè)開(kāi)路情況下，可以得到計(jì)算直流偏磁下變壓器一次側(cè)勵(lì)磁電流［13］方程為

式中:uac——一次側(cè)交流電壓源;

Udc——直流電壓源，其為入侵電壓值，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定取值;

R、L——變壓器繞組的電阻和電感;

N——一次繞組線圈匝數(shù);

φ——變壓器鐵心的磁通;

i——變壓器勵(lì)磁電流。

1.3 直流偏磁下勵(lì)磁電流計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)直流偏磁下的勵(lì)磁電流波形進(jìn)行快速傅里葉分解得到總的諧波畸變率和各次諧波的含量［14］。

圖2 直流偏磁時(shí)勵(lì)磁電流諧波畸變率

圖3 直流偏磁時(shí)勵(lì)磁電流各次諧波含量

不同直流偏磁條件下，勵(lì)磁電流的諧波畸變率與直流電流的關(guān)系曲線如圖2所示。隨著直流電流的增加，諧波畸變率THD呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)，即勵(lì)磁電流的波形畸變也越來(lái)越嚴(yán)重。各次諧波的含量如圖3所示，直流電流入侵后，勵(lì)磁電流不僅含有奇次諧波還出現(xiàn)了偶次諧波。并且隨著直流電流的增加，各次諧波含量均有不同程度的增加，可以明顯看出2、4次諧波增量比3、5次諧波增量更加顯著，即偶次諧波增量更加明顯，其中以2次諧波增量最大。

表2 直流偏磁下勵(lì)磁電流幅值

表2為不同直流電流下勵(lì)磁電流的幅值。從表中可以看出，隨著直流電流的增加，勵(lì)磁電流波形正半周期的幅值也隨之增大，而負(fù)半周期的幅值卻隨之減小。由此可見(jiàn)，隨著直流電流的增大，勵(lì)磁電流的波形畸變也越來(lái)越嚴(yán)重。

2 變壓器鐵心磁場(chǎng)分析

2.1 電磁場(chǎng)分析模型建立

根據(jù)實(shí)際的變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)建立變壓器二維模型，變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表3 變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 變壓器磁場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果與分析

通過(guò)外電路給變壓器繞組通入0，5，10 A的直流電流。仿真計(jì)算在不同直流偏磁下鐵心的磁通密度的變化，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由圖可知，隨著直流量的增加，磁通密度也隨之增加。這是因?yàn)檫M(jìn)入到繞組的直流電流會(huì)在鐵心內(nèi)產(chǎn)生直流磁通，并與交流磁通疊加形成總磁通，并且直流電流越大其產(chǎn)生的直流磁通也越大。這就造成了隨直流電流的增加，鐵心的磁通密度也增加。

為了更好地分析鐵心內(nèi)部的磁通密度的分布情況，特選擇鐵心具有代表性的路徑進(jìn)行分析。如圖5所示，X路徑穿過(guò)繞組和3個(gè)芯柱，Y路徑橫貫鐵心中心柱。

圖4 直流偏磁時(shí)磁通密度分布圖

圖5 500 kV變壓器求解場(chǎng)域簡(jiǎn)圖

圖6給出了X、Y路徑在不同直流量下磁通密度的分布。

圖6 X、Y路徑處的磁通密度分布

由圖6可以看出隨著直流量的增加，路徑X、Y處的磁通密度也穩(wěn)步增加，但是增加的幅度并不大。由圖7可以得出X路徑的磁通密度幅值大于Y路徑。兩個(gè)路徑的磁通密度隨直流電流的增加而增加，而且增加的速率也相同。并且隨著直流電流的增加兩路徑磁通密度的增加速率開(kāi)始減緩，這是由于直流電流增大導(dǎo)致鐵心磁飽和，從而抑制鐵心磁通密度的增加。

圖7 直流偏磁時(shí)X、Y位置的磁通密度幅值

3 抑制措施

由于發(fā)生直流偏磁時(shí)，變壓器的正常運(yùn)行會(huì)受到干擾，嚴(yán)重時(shí)將危害整個(gè)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，所以必須對(duì)直流偏磁加以抑制。通過(guò)理論分析與仿真計(jì)算，提出如下3種抑制措施:

1)電容隔直法。在變壓器中性點(diǎn)串聯(lián)接入電容，即可完全阻止直流電流通過(guò)中性點(diǎn)流入變壓器。

2)中性點(diǎn)串聯(lián)小電阻。變壓器中性點(diǎn)串聯(lián)小電阻之后，會(huì)提升中性點(diǎn)的電位，從而阻礙直流流入中性點(diǎn)，從而達(dá)到抑制直流偏磁的效果。

3)中性點(diǎn)注入反向直流電流。通過(guò)在變壓器中性點(diǎn)處加裝直流發(fā)生裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。直流發(fā)生裝置可以控制輸出直流電流的大小和方向。通過(guò)向接地網(wǎng)輸出反向電流來(lái)降低或升高其電位，這樣就可以減少由接地網(wǎng)流入中性點(diǎn)接地變壓器的直流電流，從而達(dá)到抑制直流偏磁的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用場(chǎng)路耦合的方法，通過(guò)對(duì)500kV變壓器在直流偏磁下勵(lì)磁電流和磁通密度的仿真與分析，分析了勵(lì)磁電流在直流偏磁下諧波含量變化規(guī)律，可得如下結(jié)論:

1)在沒(méi)有直流偏磁現(xiàn)象時(shí)，勵(lì)磁電流的諧波主要含有奇次諧波。隨著直流電流的入侵，勵(lì)磁電流諧波不僅含有奇次諧波，還出現(xiàn)了偶次諧波，并且隨著直流電流的增大，各次諧波含量增加的程度不同。偶次諧波增加趨勢(shì)更加顯著，尤其以二次諧波增量最大。

2)直流電流的入侵對(duì)變壓器鐵心的磁場(chǎng)分布影響較大。隨著直流電流的增大，磁通密度顯著增大。當(dāng)直流電流增大到10A時(shí)，鐵心趨于飽和，磁通密度的增加速率下降。

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(編輯:李妮)

Analysis of DC bias fault of the UHV power transformer

YANG Kaiqiang1，LI Qiang2，YE Hongfeng2，SHAN Jiangchuan2，LIU Nian1，XIE Chi1
(1.School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China; 2.CNNC Nuclear Operation Management Co.，Ltd.，Haiyan 314300，China)

The magnetic field and the distortion rate of exciting current are studied adopting the software ANSYS in illusion to the phenomenon of DC bias of power transformer.A 2D transient mathematical model of large power transformer is proposed in this paper for the analysis of generator transformer.The change of transformer magnetic field under DC bias is studied adopting field－circuit coupling FEM under the consideration of initial and boundary conditions.And the change of exciting current harmonic current is calculated under different DC bias.The results of theory analysis and simulation show that the transformer saturation degree，the content of exciting current harmonic and the distortion rate of exciting current harmonic are increased with the increase of DC current.

UHV;transformer;DC bias;exciting current;FEM;field－circuit coupling;magnetic flux density

A

1674－5124(2016)11－0140－05

10.11857/j.issn.1674－5124.2016.11.028

2016－04－02;

2016－05－17

楊凱強(qiáng)(1991－)，男，山東臨沂市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)楦唠妷杭夹g(shù)應(yīng)用。