某220 kV變電站直流偏磁引起的電流諧波分析

徐志，李勝男

（云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217）

0 前言

隨著高壓直流輸電技術的不斷發展，其應用也越來越廣泛，而由此導致的變壓器直流偏磁現象也得到了廣泛地關注。目前，廣東和云南分別南方電網內直流輸電工程落點和起點最多的地方，也是受直流偏磁影響相對嚴重的地方，特別是廣東電網。廣東電網就發生過直流偏磁影響變壓器正常運行的事件，2015年±800 kV普僑直流系統調試直流偏磁試驗過程中，廣東電網就發生過直流偏磁導致電廠變壓器停運的案例。考慮到直流偏磁對變壓器的嚴重影響，南方電網在±800 kV云廣直流之后的所有新建投運的直流工程在系統試驗階段都安排了直流偏磁測試工作，以此評估直流投運后單極大地方式對周邊交流變壓器的影響程度，為電網運行提供參考。

變壓器直流偏磁一個顯著的特點是造成變壓器激磁電流嚴重畸變[1]，產生大量諧波，這方面的研究目前已有很多，但主要停留在基于試驗和仿真研究上，少有基于現場數據進行的分析。基于此，本文結合2016年6月投產的±500 kV金中直流偏磁測試數據進行直流偏磁引起的諧波分析。力求發現直流偏磁導致的諧波電流分布規律，探究基于諧波分布特點進行變壓器直流偏磁的診斷的可行性，進一步為變壓器直流偏磁的治理提供依據。

1 理論分析

1.1 變壓器直流偏磁的基本原理

從電磁場理論上講，直流分布的本質是交流電網等效直流網絡為入地直流電流提供了除大地之外的散流通路。變壓器交流過勵磁情況下，鐵心磁通密度增加，勵磁電流產生畸變，變壓器工作在磁化曲線非線性的區域，勵磁電流波形為尖頂波，且正負半波對稱，諧波成分為3次、5次、7次等奇數次諧波[2]，如圖1(a)所示。變壓器在直流偏磁下，直流與交流磁通相疊加，與直流偏磁方向一致的半個周波的鐵心飽和程度增加，另外半個周波的飽和程度減小，對應的勵磁電流波形呈現正負半波不對稱的形狀。隨著流入變壓器的直流電流增加，勵磁電流畸變愈嚴重，并在勵磁電流增大到一定程度后嚴重半周飽和，其諧波分量越來越大且出現隨直流電流增加而快速增長的偶次[3]（主要是2次）諧波，如圖1(b)所示。

圖1 變壓器過勵磁電流示意圖

1.2 考慮磁滯效應的變壓器模型

根據采用Jiles-Atherton原理[4]描述變壓器鐵心的磁化特性，其非磁化曲線采用改進的Langevin函數，根據該原理得到如下M-H關系：

式中，Man=Ms f(He)，f(He)為非磁滯磁化曲線表達式，Ms為飽和磁化強度，He為有效磁場，f是He的函數。α為平均場系數，反映磁疇間的耦合[5-6]。δ和K為磁疇牽制作用的參數。系數c為磁疇可逆運動的參數。Jiles-Atherton模型是一個多參數模型，其Ms、a、c、K和α參數的確定比較困難。

以變壓器的數學模型為基礎，建立起描述變壓器端口的電壓電流關系的數學方程。并將副邊歸算到原邊后的變壓器T型等效電路模型，可得到鐵心繞組的微分方程為：

式中，N1為原邊線圈匝數，S為鐵心截面積，為磁路等效長度，為勵磁電流。此模型適用于單相變壓器以及三相組式變壓器的仿真計算[7-8]。

變壓器由于導磁材料（硅鋼片的）磁化曲線的非線性關系，有直流分量時勵磁電流的畸變是由變壓器磁化曲線端部的非線性引起的，在一定勵磁電壓下，激磁電流的波形也取決于鐵芯的飽和程度[9-10]，即鐵芯磁密度Bm的大小。當變壓器處于飽和狀態，勵磁電流的大小除了與變壓器設計有關外，還與直流電流的大小密切相關。

2 仿真分析

220 kV某變電站，距離金中直流輸電工程送端接地極16公里左右，是受金中直流影響最大的變電站。進行偏磁測試的變壓器是該變電站1#主變，該變壓器是中山ABB公司的三相三繞組組合式變壓器，型號是SFSZ11-H-150000/220GYM，額定容量150 MW，高中低壓側額定電流分別是393.6 A、753.1 A、1202.8 A。空載損耗為94.04 kW(0.0006 pu)，高中壓側負載損耗為431.17 kW(0.0028 pu)，高中壓側漏抗為0.1 pu。

偏磁測試過程中，35 kV低壓側負荷幾乎為零，為了簡化仿真計算，建模選用220 kV雙繞組變壓器進行仿真計算。詳細參數按照1#主變高中壓側參數進行設置。

在電力系統電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC中進行直流偏磁仿真分析，如圖2所示，仿真采樣頻率為292 kHz。變壓器飽和模型是仿真分析的關鍵所在。

圖2 直流偏磁仿真模型

PSCAD/EMTDC中UMEC變壓器模型可以很方便的設置變壓器的飽和特性，選用UMEC單相雙繞組變壓器模型構成變壓器模型。鑒于Jiles-Atherton模型的變壓器鐵芯飽和模型[11-12]，需要的參數較多，而且有些需要通過實驗來獲得，而變壓器廠家又沒有提供。仿真考慮在該模型的基礎上，采用插值法擬合勵磁V-I特性曲線來表示鐵芯飽和特性[13-14]。變壓器模型及飽和特性如下圖3所示。

圖3 直流偏磁仿真模型

模擬金中直流單極大地不同功率運行方式時流入變壓器中性點的電流情況，在變壓器高中壓側接地點注入分別5 A，15 A以及2 A和4A的直流電流。并分析變壓器高壓側勵磁電流情況。具體如圖4所示。圖4（a）是流入變壓直流電流為15 A時的高壓側電流頻譜圖，由圖可以得出以下結論：

圖4 直流偏磁仿真結果

1）直流偏磁造成的勵磁電流諧波主要分布在2次到8次，2次諧波最大，其次和4次和5次諧波。

2）3次、6次、9次等3的倍數次諧波電流相對較小。

3）在直流電流上升過程中，諧波會出現瞬時增大，這一點從諧波趨勢圖也可以看出。

對于第二點，3的倍數次諧波電流較小，考慮是由于YY接線的原因或者是鐵芯結構造成的，后來對單相變壓器進行了同樣參數下的仿真，發現3的倍數次諧波仍然很小。至此，可以認為造成3的倍數次諧波小的原因主要是直流磁通飽和造成的，與變壓器鐵芯結構及接線方式無關。

圖4（b）是仿真過程中2-10次電流諧波的趨勢圖。由圖不難發現：隨著流入變壓器的直流分量的增大，勵磁電流畸變越來越嚴重，1#主變高壓側電流中諧波電流越來越大；具體是，2-10次諧波都在增大，其中2次諧波增大最為明顯、其次是4次、5次諧波，3次、6次、9次諧波等零序諧波增大最不明顯。

3 實際測試數據與分析

3.1 測試方法與數據

進行金中直流單極大地運行直流偏磁測試試驗。

直流入地電流依次為700 Adc，1600 Adc，3200 Adc。1#主變高壓側檢測到流入大地的偏磁電流分別為-1.2 Adc，-3.2 Adc，-6.5 Adc。偏磁電流趨勢圖如圖5所示。

圖5 1#主變高壓側中性點直流電流趨勢圖

同時用諧波分析儀器記錄到高壓電流諧波情況如下圖6所示。

圖6 1#主變高壓側（2-10次）諧波電流趨勢圖

對比分析圖5和圖6，排除電網背景諧波的影響（主要是3次和5次諧波影響）。可以發現隨著流入變壓器直流電流的增大，2-10次諧波電流也在增大，其中2次諧波增大最為明顯、其次是4次、5次諧波，而3次、6次、9次諧波等零序諧波相對不明顯。

3.2 測試結果分析

實際測試試驗結果與仿真結果基本吻合，這說明對于三相組合式變壓器而言，直流偏磁對勵磁電流諧波的影響有以下規律：

1）諧波含量隨著偏磁電流的增大而增大；

2）直流偏磁將產生大量的偶次諧波，以2次諧波為主，4次、5次諧波次之，3的倍數次諧波相對最小；

3）最后，考慮到單相變壓器和三相組合式變壓器鐵芯結構的相似點，直流偏磁對二者影響相同，該結論適用于單相變壓器。

4 結束語

本文結合仿真結果和實測數據，二者相互佐證，很好的揭示了變壓器直流偏磁的諧波電流特點。諧波分量以2次諧波為主，4次、5次諧波次之，3的倍數次諧波相對最小。這與常見的非線性負荷等引起的電網諧波有明顯區別。研究工作進一步了解了變壓器直流偏磁諧波分布規律，為變壓器直流偏磁診斷提供了可靠依據。考慮到不同鐵芯結構的變壓器的勵磁磁場分布的不同，特別是自耦變壓器、三相三柱變壓器以及三相五柱變壓器等，還有待進一步研究，這也將是以后類似研究工作的重點。