磁路磁阻對(duì)電力變壓器直流偏磁的影響

黨艷陽(yáng) 張欣宜

【摘 要】研究表明：磁路磁阻對(duì)電力變壓器性能具有較大影響，磁阻大小能夠在一定程度上改變電力變壓器允許通過直流的能力。基于此，本文在不同直流偏磁下，對(duì)兩臺(tái)不同磁阻大小的單相四柱電力變壓器進(jìn)行了仿真研究。給出了不同直流偏磁下變壓器的磁密分布。為從設(shè)計(jì)角度提高電力變壓器抗直流偏磁能力奠定了基礎(chǔ)。

1.引言

一方面，隨著全世界范圍內(nèi)高壓大容量長(zhǎng)距離直流輸電系統(tǒng)的應(yīng)用，以大地返回方式運(yùn)行的直流輸電系統(tǒng)接地極電流將通過變壓器中性點(diǎn)進(jìn)入到變壓器繞組；另一方面，太陽(yáng)等離子風(fēng)的動(dòng)態(tài)變化與地磁場(chǎng)相互作用引起的地磁風(fēng)暴，進(jìn)而產(chǎn)生的地球表面電位梯度感生的地電流也會(huì)通過變壓器中性點(diǎn)進(jìn)入到變壓器繞組。當(dāng)直流電流進(jìn)入到變壓器繞組時(shí)，將發(fā)生直流偏磁現(xiàn)象，導(dǎo)致變壓器鐵心每隔半個(gè)周期磁飽和、勵(lì)磁電流增大、鐵心漏磁增大、金屬結(jié)構(gòu)件損耗及溫升增加等后果[1-8]。

因此，直流偏磁問題引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[9]對(duì)一臺(tái)單相電力變壓器在不同直流偏磁下的勵(lì)磁電流展開了仿真及實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[10]采用有限元法對(duì)變壓器的渦流損耗進(jìn)行了仿真計(jì)算。文獻(xiàn)[11]分別采用在一次側(cè)和二次側(cè)注入直流的方法，通過場(chǎng)路耦合法對(duì)單相電力變壓器的直流偏磁問題進(jìn)行了對(duì)比分析，給出了空載及負(fù)載下的電流波形。文獻(xiàn)[12]采用6臺(tái)單相變壓器構(gòu)成三相組式變壓器，對(duì)其在不同接線狀態(tài)下的輸出電流進(jìn)行了測(cè)量及諧波分析，并將計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比。文獻(xiàn)[13] 基于產(chǎn)品級(jí)疊片鐵心模型，對(duì)變壓器在直流偏磁下的勵(lì)磁電流進(jìn)行了仿真及實(shí)驗(yàn)研究。

在直流偏磁抑制方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采取了一系列的措施對(duì)直流偏磁進(jìn)行了抑制（中性點(diǎn)串電阻法、中性點(diǎn)串電容法、中性點(diǎn)反向直流電流注入法、電位補(bǔ)償法、交流輸電線路串電阻、改善電網(wǎng)中直流電流的分布等）[14-15]。傳統(tǒng)的抑制方式都是在外部添加補(bǔ)償裝置，雖然能夠?qū)ψ儔浩髌烹娏鬟M(jìn)行一定的抑制，但增加了電力系統(tǒng)的復(fù)雜程度，改變了電力變壓器的有效接地，這給電力系統(tǒng)帶來(lái)了不安全因素。目前看，從變壓器設(shè)計(jì)上采取怎樣的措施抑制直流偏磁的影響，尚未能很好地解決。

本文應(yīng)用場(chǎng)路耦合法對(duì)兩臺(tái)不同磁阻大小的電力變壓器在直流偏磁下的空載特性進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)分析，給出了不同直流偏磁下的空載電流、磁密分布、磁化曲線等，研究方法及結(jié)論可有效指導(dǎo)電力變壓器設(shè)計(jì)。

2.直流偏磁下電力變壓器空載特性研究

研究表明：變壓器耐受直流偏磁的能力與其自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同結(jié)構(gòu)的變壓器對(duì)直流偏磁的反應(yīng)不同，首先采用場(chǎng)路耦合法對(duì)兩臺(tái)不同磁阻大小的單相四柱電力變壓器空載特性進(jìn)行了分析與計(jì)算。圖1所示為Idc=2.5A時(shí)小磁阻電力變壓器磁密分布。圖2所示為Idc=2.5A時(shí)大磁阻電力變壓器磁密分布。

3.結(jié)論

本文通過場(chǎng)路耦合法對(duì)160kVA（2000V/400V）不同磁阻大小的兩臺(tái)電力變壓器在直流偏磁條件下的勵(lì)磁電流、磁密分布、B-H曲線等進(jìn)行了仿真研究。從仿真結(jié)果中可以看出，改變電力變壓器鐵心的磁阻對(duì)直流偏磁在變壓器中的分布具有較大的影響。電力變壓器鐵心磁阻越大允許通過的直流偏磁越強(qiáng)，但磁阻的增大將使電力變壓器的空載損耗增加。因此，在設(shè)計(jì)電力變壓器時(shí)，應(yīng)綜合考慮電力變壓器的效率及允許通過的直流偏磁大小。

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（作者單位：1.特變電工沈陽(yáng)變壓器集團(tuán)有限公司；2.西安供電公司長(zhǎng)安分局）