特高壓變壓器直流偏磁對繞組電流的影響

國網(wǎng)冀北電力有限公司檢修分公司 王相鋒 陳習文 任寶林 朱恩澤 馮小軒 張亞男

1 特高壓變壓器概述

變壓器的振動主要是由硅鋼的磁致伸縮引起的。隨著激勵電流的改變，磁致伸縮會使核心周期性地震動。直流偏磁下的變壓器鐵心處于半周磁飽和和磁通偏移狀態(tài)。由于直流偏置，發(fā)生了正半周期飽和，這種現(xiàn)象引起了一些嚴重的影響，如磁通的消耗、諧波的產(chǎn)生、無功功率的增加，最終導致加熱、磁損耗，特別是振動和噪聲。由于勵磁電流中偶次諧波的增加，繼電保護裝置容易發(fā)生誤動作，由于鐵心不對稱飽和，電力系統(tǒng)無功損耗增大。對直流偏磁現(xiàn)象的研究主要是從外部對變壓器進行測量和分析，不涉及變壓器的內部結構。直流偏置變壓器的損耗和磁場的計算還處于初級階段，因此沒有對變壓器損耗進行大規(guī)模的非線性暫態(tài)場分析。

電力變壓器是傳輸和分配系統(tǒng)的基本設備。其可靠和持續(xù)的性能是盈利的發(fā)電和傳輸?shù)年P鍵。其采購、更換、運輸、安裝和維修費用在整個系統(tǒng)中是最高的。在電力系統(tǒng)放松管制的政策下，各電力公司都在努力降低成本，防止意外損失比以往更加重要。電力變壓器意外停運造成的資本損失通常以百萬美元計算，僅計入產(chǎn)出損失，更不用說與維修或更換有關的費用[1]。由于這種激勵，預防性測試和狀態(tài)監(jiān)測有利于預測早期故障狀態(tài)以及計劃停電、維護。為對電力變壓器提供準確和完整的診斷已開發(fā)了幾種方法，諸如基于油中溶解氣體分析、局部放電的電子或聲學檢測、紙絕緣聚合度的測定、頻率響應分析或介質損耗角測量等方法得到了廣泛的應用，另外還有基于振動、勵磁電流、漏磁、熱像、繞組電阻或繞組比例分析的方法。這些調查得出的一個共同結論是越來越需要開發(fā)新的診斷技術，這種技術可在不使變壓器停止運行的情況下應用，也可提供故障嚴重程度標準，特別是用于確定變壓器繞組絕緣故障，事實上繞組缺陷是發(fā)生在電力變壓器中最嚴重的故障類型。

最難保護的變壓器繞組故障是最初只涉及一個匝的故障。匝與匝之間的短路可從點接觸開始，點接觸起因于機械力，絕緣劣化起因于過度過載，松散的連接或變壓器絕緣被脈沖電壓擊穿。最初絕緣擊穿導致內部電弧，從而導致低電流高阻抗故障。如沒有被發(fā)現(xiàn)，這個早期的故障就會以隨機的傳播速度發(fā)展，包括額外的轉彎和層次，導致高電流低阻抗故障。通常，早期的匝間絕緣缺陷不會從線路上吸引足夠的電流來操作普通的過載斷路器或甚至更敏感的保護裝置，如差動繼電器。實際上，常規(guī)變壓器百分比差動保護的主要功能是限制內部缺陷造成的損壞程度、盡可能迅速地隔離故障，而不是提供繞組損壞早期階段的指示。此外，差分繼電保護安全性(即避免錯誤觸發(fā))是一個主要問題，是以犧牲保護靈敏度為代價獲得的。因此，傳統(tǒng)的變壓器差動保護在發(fā)展成為更嚴重和更昂貴的接地故障前通常不夠靈敏，不足以檢測匝間繞組絕緣缺陷。

2 直流偏磁現(xiàn)象分析

直流偏磁現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在電磁裝置中，如電力變壓器、鐵芯電抗器和其他高壓電氣設備中。當直流偏置發(fā)生時會引起一系列問題，如諧波、振動、噪聲、反應、渦流等現(xiàn)象。研究通常集中在這些裝置中鐵芯的磁化行為測量。傳統(tǒng)測量方法主要有愛潑斯坦框架測量法和單片測量法，其主要缺點是只能在離線條件下進行測量。此外，鐵芯在直流偏置條件下磁路長度難以準確測量，導致實驗誤差。后來又提出幾種在線測量直流偏磁通量的方法，但這些直流偏置下的實現(xiàn)與直流電流、勵磁電流、負載電流等因素密切相關，在直流偏置特性下很難準確、清晰地測量磁通。

在變壓器運行過程中通過鐵芯的磁通造成鐵芯損耗，通過繞組的電流也造成繞組損耗，即基本銅損耗和基本鐵損耗。變壓器鐵損包括基本鐵損和附加鐵損，變壓器基本鐵損與頻率和鐵芯磁感應強度有關，直流偏磁對變壓器基本鐵損影響不大。目前對變壓器中性點允許直流流量的研究已有一定的成果，本文提出了包括繞組和箱體之外的非磁性空間在內的離心路徑的詳細等效電路。將該模型應用于三相三橋臂變壓器，從勵磁電流的諧波含量、無功功率和有功功率的增加及繞組銅損耗等方面研究了直流磁鏈偏移對變壓器性能的影響。在直流偏置條件下，變壓器鐵芯的總磁通由直流磁通和交流磁通疊加而成，這將導致勵磁電流波形在一定的方向上產(chǎn)生偏移，這種偏移取決于注入電流(變壓器的直流注入分量)的正負值。

3 勵磁電流的計算流程分析

本文首先設計了分析直流偏磁條件的三橋臂三相變壓器的整體雙電路模型，這種雙等效電路與傳統(tǒng)等效電路的不同之處在于，在a 相的藍色虛線圓內對離心磁通路采用了詳細的電路，另外兩個相有相同的電路[2]。圖1示出了如何從所述磁性結構得到所述核外等效電路，可看出線性電感(L1～L5)表示繞組之外的非磁性空間(油隙)，非線性支路表示儲罐元件。

圖1 (a)由對偶原理得到的離心磁通路、(b)磁路和(c)電等效電路

為計算線性電感(L1～L5)采用商業(yè)軟件ANSYS-Maxwellv.15。在有限元模擬中排除了罐體單元(壁、蓋和底)，并在罐體表面設置了一組邊界條件。這些零值和無窮值是通過一組通量切向(t)和通量法線(n)邊界條件的每個單元分別實現(xiàn)。

為驗證離心模型和研究直流偏磁現(xiàn)象，考慮了一個300kVA 的三橋臂三相變壓器。本裝置為YN-YN 矢量組，電壓等級為11.430/0.235kV，設計資料包括繞組和鐵芯尺寸、容器尺寸及其與有源部分的距離，以及包括在廣泛勵磁范圍內的開路零序測試在內的完整測試結果。為計算離心線性電感建立了基于三維有限元法的單元模型，由于沒有考慮鐵心的渦流效應，因此采用了磁勢的靜態(tài)公式。在仿真過程中采用自適應網(wǎng)格劃分方法，對每次運動過程中的元件尺寸進行細化和分析，使能量誤差小于0.05%。

研究結果，勵磁電流波形基本上相對于x 軸是對稱的，同時沒有直流電流，由于磁通飽和，電流主要包含三次諧波、五次諧波和其他奇次諧波，根據(jù)傅立葉變換家族中的關系，隨著直流電流的增大，勵磁電流中出現(xiàn)了偶次諧波并隨之增大。正半周期存在一個峰值，當無直流電流時峰值遠大于勵磁電流，電流畸變程度增大。當直流電流為0.4A 時激勵電流的總諧波失真度為89.235%，幾乎是無直流電流時總諧波失真度的三倍。隨著直流電流的增加勵磁電流中的各級諧波都增加，其中二次諧波的增加速度最快，高次諧波的增加速度較小。本文采用專門設計的比例變換器和等效數(shù)值模型對特高壓變壓器直流偏磁時的電磁特性進行了評估，仿真結果與實驗結果吻合較好，說明了分析的有效性。隨著直流電流的侵入磁通量增加，此外堆芯操作點迅速進入飽和狀態(tài)。當直流電流為1A 流入繞組時，勵磁電流峰值約為正常值的18倍。同時諧波的幅值迅速增加，特別是1、2、3次諧波。大量的諧波會給變壓器和電網(wǎng)帶來一系列的問題[3]。