大型電力變壓器直流偏磁現(xiàn)象分析

王海姣++高自偉++孫海明

摘 要：隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力業(yè)也得到了較快的發(fā)展，進(jìn)而大型電力變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象也屢見不鮮。而大型的電力變壓器經(jīng)常出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象就會(huì)在一定程度上影響變壓器運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，進(jìn)而就會(huì)影響變壓器的正常使用。因此，我們應(yīng)加強(qiáng)研究與分析大型電力變壓器直流偏磁現(xiàn)象，進(jìn)而有效地找到變壓器出現(xiàn)此種現(xiàn)象的原因，從而有效地避免變壓器出現(xiàn)此種現(xiàn)象。本文就針對大型電力變壓器直流偏磁現(xiàn)象進(jìn)行具體的分析與討論。

關(guān)鍵詞：大型變壓器；電力變壓器；直流偏磁；現(xiàn)象分析

中圖分類號：TM41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

直流偏磁現(xiàn)象的產(chǎn)生與變壓器接地中性點(diǎn)存在的直流電位差有關(guān)。其中，直流偏磁使變壓器會(huì)激勵(lì)電流中產(chǎn)生諧波，諧波的產(chǎn)生會(huì)使變壓器產(chǎn)生大量的無用功，造成消耗的增加，同時(shí)會(huì)對繼電器形成錯(cuò)誤保護(hù)，這樣就在一定程度上影響了大型變壓器運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。因此，我們應(yīng)不斷地分析大型變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象的原因，進(jìn)而不斷地提高變壓器的運(yùn)行效率。

1.變壓器直流偏磁的來源

只有了解了變壓器直流偏磁的具體來源，并對其應(yīng)用進(jìn)行具體分析，才能有效地避免大型變壓器出現(xiàn)直流偏磁的現(xiàn)象，進(jìn)而才能保證大型變壓器的有效使用，確保其正常工作?，F(xiàn)對變壓器直流偏磁的來源進(jìn)行有效分析，希望能為相關(guān)工作者提供一定的借鑒。

1.1 直流輸電產(chǎn)生的地中電流

在對電流進(jìn)行長距離輸送的過程中，如果使用直流輸電技術(shù)，能夠提升電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，確保電力輸送的穩(wěn)定。由于直流輸電技術(shù)其自身具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，因此，其在我國備受青睞，并得到了廣泛應(yīng)用。但是，直流輸電工程是以地表水和海水作為運(yùn)行回路，在這個(gè)過程中，高達(dá)幾千安倍的電流直接接地極注入大地，進(jìn)而就會(huì)在一定程度上對接地極自身以及周圍的設(shè)施產(chǎn)生一定的負(fù)面作用。與此同時(shí)，較大的電流會(huì)引起接地極周圍變電站接地網(wǎng)地電位發(fā)生改變，從而就會(huì)在某種程度上引起變壓器出現(xiàn)直流偏磁的現(xiàn)象，進(jìn)而會(huì)引起變壓器的磁飽和，使變壓器產(chǎn)生強(qiáng)大的振動(dòng)，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲污染，給人們的生活造成很大的影響。

1.2 磁暴產(chǎn)生的地磁感應(yīng)現(xiàn)象

變壓器直流偏磁的另一個(gè)主要來源就是磁暴產(chǎn)生的地磁感應(yīng)現(xiàn)象。太陽表面的黑子等物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生風(fēng)能和射線流，這些生成物會(huì)共同對地球產(chǎn)生碰撞，從而出現(xiàn)磁暴，進(jìn)而使得變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象。其中，以太陽風(fēng)引起的地磁暴危害最大，一旦產(chǎn)生地磁暴，極電流會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的磁場，同時(shí)受到擾動(dòng)的地磁場會(huì)與其形成可變磁場，地球是一個(gè)導(dǎo)體，因此，就會(huì)在很大程度上導(dǎo)致變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象。

2.直流偏磁對變壓器勵(lì)磁電流的影響

一旦變壓器出現(xiàn)直流偏磁的現(xiàn)象，就會(huì)在一定程度上影響變壓器的勵(lì)磁電流。下面，就針對直流偏磁對變壓器勵(lì)磁電流的影響展開具體的分析與討論。

2.1 變壓器直流偏磁的機(jī)理分析

直流偏磁現(xiàn)象說明變壓器處于一種不正常的狀態(tài)。由于某種原因使得變壓器組中產(chǎn)生了直流分量，造成變壓器的鐵芯中含有直流磁勢或直流磁通，從而就會(huì)引起一系列的電磁效應(yīng)。此外，偶次諧波會(huì)導(dǎo)致在勵(lì)磁電流中產(chǎn)生正半周尖頂波，一旦直流偏磁電流變大時(shí)，正半周尖頂波的振幅隨之增大。因此，勵(lì)磁電流的大小不僅與變壓器的設(shè)計(jì)有密切的關(guān)系，同時(shí)與直流電流的大小密不可分。

2.2 二維非線性場路耦合有限元法

場路耦合指的是變壓器中的線圈，對其處理遵循“微分”觀點(diǎn)或“場的原則，然后再通過有限元計(jì)算的一種處理方式。其中，直流偏磁對變壓器的空載運(yùn)行性能有一定的影響。

2.3 不同直流偏磁下鐵心工作狀態(tài)的改變

變壓器的鐵心會(huì)由于直流電流在變壓器中的作用而產(chǎn)生相應(yīng)的直流磁通。其中，當(dāng)直流磁通與交流磁通相互疊加產(chǎn)生作用時(shí)，會(huì)造成磁通在正常的工作狀態(tài)下發(fā)生上移，導(dǎo)致鐵心會(huì)在正半周上部發(fā)生飽和現(xiàn)象，勵(lì)磁電流會(huì)在此項(xiàng)的作用下出現(xiàn)變形，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的奇次諧波和偶次諧波。除此之外，不同的直流偏磁量會(huì)直接影響到對鐵心的飽和程度。

3.直流偏磁對變壓器損耗的影響

通過對直流偏磁對變壓器損耗產(chǎn)生影響的了解，可在一定程度上有效的避免大型電力變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象，進(jìn)而也就提高了變壓器運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。下面，就針對直流偏磁對變壓器損耗所產(chǎn)生的影響展開具體的分析與討論。

3.1 漏磁場的類型

變壓器的運(yùn)行狀態(tài)可以分為兩種，分別是穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)。其中變壓器的運(yùn)行穩(wěn)態(tài)就是指正常的對稱運(yùn)行和不對稱運(yùn)行，而變壓器的暫態(tài)運(yùn)行指的是當(dāng)變壓器空載合閘時(shí)，在此過程中可能會(huì)造成線路出現(xiàn)短路所出現(xiàn)的暫態(tài)短路電流現(xiàn)象。此外，當(dāng)變壓器的各繞組及其金屬構(gòu)件處于一定的漏磁場中，就會(huì)產(chǎn)生一定的渦流現(xiàn)象。渦流現(xiàn)象會(huì)造成電流密度的不均勻，這主要與橫截面的分布不均勻密切相關(guān)。交變電流如果在界面中的分布不均勻，會(huì)造成電路中電阻比通過直流電流時(shí)的電阻大的情況。

3.2 直流偏磁對變壓器漏磁場的影響

3.2.1 二維漏磁場分析

當(dāng)沒有一定的偏磁電流時(shí)，變壓器的漏磁場存在于繞組和繞組之間的絕緣部分。當(dāng)磁場中存在較少的磁力線通過時(shí)，不同電流強(qiáng)度的偏磁電流，其漏磁場的分布就不同。譬如：當(dāng)偏磁電流為5A時(shí)，漏磁場在壓板的分布較為明顯。而當(dāng)偏磁電流為10A的時(shí)候，磁力線會(huì)通過各個(gè)金屬構(gòu)件，磁力線的密度與電流的強(qiáng)度呈現(xiàn)正比例關(guān)系。

3.2.2 三維模型漏磁磁密分布

實(shí)際的變壓器鐵心和箱壁在空間結(jié)構(gòu)上并不是軸對稱結(jié)構(gòu)的，所以，二維或者軸對稱模型的相似性只是適用于某個(gè)部分而非整體。因此，我們需要對三維漏磁場進(jìn)行深入分析。經(jīng)分析可得：當(dāng)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電流的增加會(huì)造成各個(gè)金屬構(gòu)件漏磁的磁密值大幅度的增加。

3.2.3 漏磁場引起的損耗效應(yīng)與熱效應(yīng)分析

如果變壓器繞組的導(dǎo)體存在于某個(gè)漏磁場中，在這個(gè)磁場中便會(huì)出現(xiàn)渦流損耗的現(xiàn)象，造成電流密度會(huì)由于導(dǎo)線橫截面分布不均而出現(xiàn)不均勻的情況。與此同時(shí)，由于鐵心疊片的特殊性質(zhì)，只有疊片垂直進(jìn)入到磁場時(shí)，才會(huì)發(fā)生損耗現(xiàn)象，損耗的產(chǎn)生會(huì)在一定程度上引起鐵心溫度的提升。而當(dāng)增加直流偏磁電流時(shí)，進(jìn)入到壓板和夾件的漏磁通就會(huì)產(chǎn)生大幅度增加，造成渦流損損耗增加，從而也就在一定程度上引起了溫度的提升。

3.3 直流偏磁對變壓器損耗影響的分析

3.3.1 空載運(yùn)行時(shí)直流偏磁對金屬構(gòu)件渦流損耗的影響

如果存在直流偏磁電流時(shí)，電壓器在空載運(yùn)行的過程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的漏磁場，進(jìn)而不僅會(huì)產(chǎn)生一定的渦流損耗效應(yīng)，而且還會(huì)引起變壓器局部溫度過熱的現(xiàn)象。因此，變壓器處于空載運(yùn)行的狀態(tài)時(shí)，直流偏磁作用于磁場中，會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁電流達(dá)到飽和的狀態(tài)，造成鐵心與空氣間的磁導(dǎo)率趨于一致，變壓器的漏磁增大，從而就會(huì)影響大型電力變壓器的正常運(yùn)行。

4.直流偏磁對變壓器溫升的影響

4.1 變壓器溫升的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

電力變壓器在正常的使用過程中，其環(huán)境的溫度和冷卻介質(zhì)溫度為：最高氣溫為+40℃，最熱的月平均氣溫為+30℃。此外，一般情況下對于電器連接線和油箱內(nèi)部的構(gòu)件不限定溫度的升高幅度和范圍，但應(yīng)當(dāng)確保溫度在提升過程中不要過高。

4.2 變壓器的散熱方式

4.2.1 熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)方式是變壓器常見的散熱方式。其中，在變壓器中，通過熱傳導(dǎo)的方式實(shí)現(xiàn)繞組最熱處的熱點(diǎn)到繞組外部的熱量。

4.2.2 對流散熱

熱對流指的是固體表面和與其接觸的流體之間會(huì)產(chǎn)生一定的溫差，溫差的產(chǎn)生就會(huì)導(dǎo)致熱交換現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)發(fā)生變壓器的對流散熱現(xiàn)象時(shí)，其流體的主要流動(dòng)方式為：自燃對流以及強(qiáng)迫對流兩種方式。

4.2.3 輻射散熱

熱輻射對能量的傳遞主要是依靠電磁波進(jìn)行的。當(dāng)輻射發(fā)生時(shí)，不需要物質(zhì)之間的直接接觸，同時(shí)，也不需要任何媒介的參與。同樣的物質(zhì)在溫度不一樣的情況下會(huì)有不同的熱輻射能力。同樣的物質(zhì)只有處于同一溫度下，整體的熱輻射能力才會(huì)最強(qiáng)。

4.3 變壓器溫升的仿真計(jì)算

4.3.1 變壓器溫升的計(jì)算

電力變壓器在運(yùn)行的過程中，由于繞組、鐵心以及金屬構(gòu)件間會(huì)出現(xiàn)能量的損耗，損耗會(huì)變成相應(yīng)的熱量進(jìn)行發(fā)散進(jìn)入到周圍的物質(zhì)中，從而導(dǎo)致變壓器的溫度上升。在變壓器工作的時(shí)候，會(huì)受到漏磁場的影響，導(dǎo)致局部發(fā)生過熱的情況。所以，有必要建立起變壓器溫升計(jì)算的二維模型，將初始的溫度限定為40℃，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對變壓器溫升的有效計(jì)算。

結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，人們對于電的需求量也逐漸的增加。因此，我們就應(yīng)不斷的分析與研究大型電力變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象的原因，進(jìn)而不斷的提升變壓器運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。因此，我們應(yīng)首先認(rèn)識(shí)變壓器直流偏磁的來源，進(jìn)而了解到直流偏磁對變壓器勵(lì)磁電流的影響、直流偏磁對變壓器損耗的影響以及直流偏磁對變壓器溫度的提升的影響，進(jìn)而有效避免變壓器中產(chǎn)生直流偏磁等情況，以此來有效的提高大型變壓器運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1]張露，阮羚，潘卓洪，等.變壓器直流偏磁抑制設(shè)備的應(yīng)用分析[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2013，33（9）：151-156.

[2]潘超，王澤忠，李海龍，等.基于瞬態(tài)場路耦合模型的變壓器直流偏磁計(jì)算[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（5）：174-181.

[3]劉渝根，冷迪，田資，等.基于ANSYS Maxwell的750kV自耦變壓器直流偏磁仿真[J].高電壓技術(shù)，2013，39（1）：218-225.