基于1 000 MVA/1 000 kV特高壓變壓器的直流偏磁物理效應仿真研究

胥建文，李書連，杜建平，周訓通

（山東電力設備有限公司，山東 濟南 250011）

0 引言

作為特高壓輸電網中關鍵設備，1 000 kV特高壓變壓器的安全運行是整個特高壓電網安全穩定工作的前提，其在整個電力系統中的重要性隨著我國特高壓電網的逐步建設而日益攀升［1-3］。隨著我國交、直流特高壓電網的不斷建設和投運，在直流輸電工程中采用單極大地回路方式或雙極不對稱方式運行時，由直流地電位差產生的直流電流經變壓器中性點流入變壓器繞組中，從而引起變壓器直流偏磁現象［4-7］。此外，強烈的太陽活動導致地磁暴現象頻發，地磁擾動將產生地磁感應電流（geomagnetically induced current，簡稱 GIC，頻率為 0.0001～0.01 Hz）在工頻輸電網絡中流通，該頻率的GIC相對于系統工頻（50～60 Hz）的交流系統而言可看作是準直流，當GIC流入變壓器繞組中時，同樣會引起變壓器的直流偏磁現象［8-10］。變壓器遭受直流偏磁時，鐵芯飽和程度加深，漏磁通增大，從而導致變壓器局部過熱、振動和噪聲增加，降低絕緣材料的性能，減少設備壽命等一系列的電磁效應；鐵芯飽和同時引起勵磁電流波形畸變，導致諧波分量增大，造成無功損耗升高，嚴重影響系統電壓的穩定性，降低電能質量，甚至導致系統繼電保護裝置出現拒動或者誤動作嚴重威脅電網和其主要設備的安全穩定運行，給電網的運行帶來很大的安全隱患［11］。

對于變壓器的直流偏磁問題不論國內還是國外均做了多方面的深入研究，但研究內容主要偏向于特高壓變壓器的絕緣、試驗等相關方面，對于特高壓變壓器遭受直流電流擾動時的勵磁電流波形、諧波特性、無功功率和局部過熱等電磁特性還沒做相關的深入研究［12］。

目前，我國掛網運行的1 000 MVA／1 000 kV特高壓變壓器多為單相四柱式兩柱并聯結構。與傳統普通交流電力變壓器相比，特高壓變壓器容量更大、電壓更高、結構更加復雜、所帶負荷更多。此外，1 000 kV特高壓自耦變壓器的電氣連接方式更加復雜，各繞組之間不僅有磁的耦合，還有電的連接。

特高壓變壓器結構復雜，造價高［13］，直接通過試驗測量方法進行直流偏磁問題的研究難以實現，采用數值計算方法，基于單相四柱式雙主柱特高壓變壓器對主體變GIC直流偏磁諧波、無功損耗、結構件過熱進行分析，并提出相應抑制措施。

1 變壓器結構參數

產品型號：ODFPS-1000000／1000；額定容量：1000／1000／334 MVA；

額定頻率：50 Hz；

聯結組標號：Ia0I0 （三相YNa0d11）；

圖1 特高壓變壓器接線原理

噪聲水平：≤75 dB（A）。

特高壓變壓器為中性點變磁通調壓，分為主體變壓器和調壓補償變壓器兩部分，接線原理見圖1。主體變采用兩主柱并聯的結構方案，兩心柱套線圈，每柱1／2容量，高、中、低壓線圈全部并聯。調壓補償變壓器與主變壓器通過管母線進行連接，主體變和調壓變連接組合后可以作為一臺完整的變壓器使用，也可以將主體變單獨使用。主體變鐵芯采用單相三框四柱式結構，即兩主柱兩旁柱，鐵芯疊片采用0.27 mm厚進口優質、高導磁晶粒取向冷軋電工鋼帶疊成，采用五級步進搭接。

2 變壓器直流偏磁場路耦合模型

2.1 場路耦合原理

場路耦合法分為直接耦合和間接耦合兩種方式。基本原理是通過電壓實現場路耦合，將磁場方程與電路方程聯合計算，將各節點磁矢量和勵磁電流按照諧波分量分別計算，然后再整體迭代求解。

進行變壓器直流偏磁計算時，需綜合考慮其內部電磁耦合特性和鐵芯硅鋼片的非線性問題，以磁路為基礎，建立變壓器的場路耦合模型，并將非線性場路有限元法與時域龍格庫塔法相結合，求解迭代耦合，有效降低求解難度，提高計算效率。

根據圖1特高壓變壓器接線方式，采用L1～L6表示主體變壓器的6個繞組，建立特高壓變壓器主體變壓器各繞組連接電路圖，如圖2所示。

根據特高壓變壓器主體變壓器的鐵芯型式、線圈排布方式，建立特高壓變壓器主體變壓器的磁場模型，如圖3所示。

2.2 場路耦合計算模型

基于場路耦合法，根據變壓器的實際參數、尺寸，建立1 000 MVA／1 000 kV特高壓主體變壓器直流偏磁三維計算模型，如圖4所示。

特高壓變壓器電壓高、容量大，結構件尺寸差異大，根據其結構對稱性，取其1／2建立三維磁場分析模型。建模時在不影響產品磁場分析的前提下，僅對個別構件進行了適當的處理。在該產品模型中，所有導磁材料均按非線性考慮，鐵芯、夾件肢板磁屏蔽、油箱磁屏蔽設為27ZH095，按各向同性材料考慮；夾件、主要油箱部分、墊腳、撐板、旁柱拉板、夾件肢板取Q345鋼；中柱拉板，部分油箱取20Mn23Al低磁鋼。

圖2 特高壓變壓器電路模型

圖3 特高壓變壓器磁路模型

圖4 特高壓變壓器主體變壓器計算模型

圖5 主體變負載等效電路

基于變壓器高—中運行工況，根據接線方式建立負載等效電路如圖5所示，高壓側接入電壓源，中壓側接入負荷。

3 變壓器負載直流偏磁諧波分析

額定負載情況下，計算直流偏磁電流分別為0 A、5 A、10 A、20 A、50 A和100 A時的直流偏磁情況。計算得到的不同直流偏磁電流下的原、副邊電流如圖6所示。

圖6 負載運行時，原、副邊電流

由圖6可知，變壓器負載運行時，隨著直流偏磁電流的增加，原邊電流逐漸受到直流電流的影響，有不同程度的畸變。相比于原邊電流，副邊電流受直流偏磁的影響并不明顯。

不同直流偏磁條件下，取原邊電流i1穩定后的完整周期瞬態電流進行傅里葉變換，各次諧波幅值隨直流變化的趨勢如圖7所示。

圖7 空載狀態下，原邊電流各次諧波幅值

從分析結果可以看出，隨著直流偏磁電流的增大，原邊電流中的2、3、4次諧波總體呈上升趨勢，其余各次諧波變化較小，2次諧波隨著直流電流的增加上升的最快。

4 變壓器負載直流偏磁無功功率計算

變壓器直流偏磁時，由接地中性點流入的直流電流產生直流磁通，導致變壓器磁通曲線整體上移或下移，從而引起變壓器鐵芯的半波飽和現象。隨著直流偏磁電流的增大，變壓器飽和程度加深，導致漏磁增大、動態電感減小，引起電流幅值增加，從而導致無功功率增加。

結合特高壓變壓器額定負載直流偏磁時的電流仿真計算結果，進行負載無功功率計算。特高壓變壓器三相負載情況下無功功率隨直流偏磁電流變化的趨勢如圖8所示，三相負載時的無功功率計算數據如表1所示。

圖8 負載狀態下，原邊電流各次諧波幅值

表1 負載無功功率計算結果

由圖8可知，變壓器負載工況下，隨著直流偏磁電流的增加，無功功率顯著增加，并與直流偏磁電流呈線性關系。在電網規模較大，變壓器數量多時，多臺變壓器的直流偏磁將會導致整個系統產生較大的無功波動，從而引起系統電壓不穩定，影響電網安全運行。

5 變壓器直流偏磁局部過熱分析

國家電網公司1 000 MVA／1 000 kV特高壓變壓器招標文件要求變壓器單相能承受6 A直流偏磁電流，分別對直流偏磁電流1 A、6 A、10 A情況下變壓器結構件漏磁進行分析，得到不同直流偏磁下，金屬構件磁通密度分布，如圖9～11所示，計算數據如表2所示。

圖9 不同直流偏磁電流下拉板磁通密度分布

圖10 不同直流偏磁電流下夾件磁通密度分布

圖11 不同直流偏磁電流下油箱磁通密度分布

表2 結構件最大磁密計算結果

通過對比可以清晰地說明直流偏磁對變壓器漏磁場的影響，隨著流過變壓器繞組直流電流的增加，變壓器鐵芯半波飽和后，鐵芯磁導率大幅下降，大量的漏磁通通過變壓器油、油箱壁、鐵芯拉板、鐵芯夾件或者鐵芯支撐板等結構件形成回路，導致各結構件磁密增加，渦流損耗增加。當直流偏磁達到一定數值并且持續時間較長時，將導致變壓器結構件產生局部過熱，從而影響變壓器正常運行。

借鑒變壓器行業的經驗并結合以往特高壓變壓器電磁設計、生產以及運行實際情況，當中性點直流偏磁電流小于10 A時，對于單相四柱式特高壓變壓器，可以安全運行。

6 結語

1 000 MVA／1 000 kV特高壓變壓器隨著直流偏磁電流的增加，2～4次諧波增加較快，當直流偏磁電流增大到一定數值，5～7次諧波幅值有所下降。

1 000 MVA／1 000 kV特高壓變壓器當變壓器發生直流偏磁現象時，其無功功率的增量非常顯著，并且隨著偏磁電流的增大，變壓器無功功率在持續增大，其變化情況可以作為判斷變壓器偏磁狀態的依據。

1 000 MVA／1 000 kV特高壓變壓器在直流偏磁電流小于10 A時可以安全運行，當直流偏磁電流大于10 A并持續時間較長時，則變壓器可能出現局部過熱甚至發生故障。在進行方案設計時應根據用戶要求，采取相應的措施，提高變壓器耐受直流偏磁能力，保證產品安全運行。