直流偏磁條件下變壓器勵磁電流仿真及實驗研究

宋佩利 祁斌 孫臻 連鶴林

摘要：針對電力網變壓器直流偏磁問題，本文基于一臺單相變壓器，對其空載運行時的直流偏磁問題進行了仿真及實驗研究。對比不同直流偏磁下的勵磁電流及諧波波形，對直流偏磁下偶次諧波增大原因進行了分析研究。對比仿真及實驗結果，其變化趨勢一致，驗證了仿真的正確性和可靠性。為研究大型電力變壓器直流偏磁現象奠定了基礎。

關鍵詞：變壓器;直流偏磁;勵磁電流;諧波

1?緒論

由于直流輸電網、地磁暴變化等因素，引起變壓器中性點接地電位升高，使變壓器鐵心每隔半個周期就會出現磁飽和，勵磁電流畸變。直流的入侵，使變壓器出現嚴重的偏磁飽和現象，引起鐵心漏磁增大、金屬結構件損耗增加、溫升增加、局部過熱、絕緣破壞、噪聲增大、振動加劇等后果。直流偏磁的大小和持續時間的長短也會影響變壓器關聯電網的安全運行，系統電壓降低，系統繼電器誤動作等[1-4]。許多學者將注意力轉移到變壓器直流偏磁問題上來。

本文針對一臺單相變壓器，建立其空載運行時的等效模型，利用有限元方法對其直流偏磁下的勵磁電流及諧波進行仿真。并對該變壓器進行直流偏磁條件下空載實驗，與仿真結果比較，驗

證了仿真方案的正確性與可行性。為研究大型電力變壓器直流偏磁現象奠定了基礎。

2?磁特性測量

考慮到變壓器結構、接縫以及搭接形式的影響，首先對變壓器的磁特性進行測量。實驗電路連接圖如圖1所示。系統經過穩壓器輸出一額定電壓為220V相對穩定的交流電壓，通過可調變壓器調節加到變壓器二次側電壓大小，變壓器一次側開路。A為示波器交流電流鉗，V為示波器高壓探頭[5]。

利用調壓器逐漸增加被試變壓器二次側電壓大小，利用示波器交流電流鉗和差分探頭測量勵磁電流波形及一次側電壓值波形。

根據電磁感應定律：

可以得到磁感應強度B的計算公式：

式中，為初級繞組的感應電勢，為通過鐵心的磁鏈，為一次側匝數，為鐵心橫截面積。

引入平均磁路長度，根據全電流定律：

可以得到磁場強度的計算公式：

通過公式（1）、（2）對以上數據進行計算處理，得到對應的磁場強度和磁感應強度，繪制出變壓器在空載運行時的基本磁化曲線如圖2所示，磁滯回環族如圖3所示。

3?模型變壓器仿真分析

表1所示為變壓器基本參數。根據表1參數，對變壓器進行系統仿真，得到不同直流偏磁下的勵磁電流和諧波波形。如圖4、圖5所示。

由圖4可以看出，無直流時勵磁電流正負半周對稱，偏磁電流0.5A時勵磁電流向上偏移，偏磁電流1A時勵磁電流繼續向上偏移，波形嚴重畸變。

由圖5可以看出，無直流時勵磁電流諧波以奇次諧波為主，3次諧波含量最大。偏磁電流0.5A時，偶次諧波增加比較明顯，奇次諧波也有所增加，2次諧波與3次諧波含量基本相等。偏磁電流1A時，各次諧波均明顯增加，2次諧波增加最為明顯，其諧波含量已超過3次諧波含量。

4?模型變壓器實驗分析

圖6為變壓器直流偏磁實驗接線圖。兩臺變壓器T1、T2參數、尺寸完全一致。一次側并聯接入電網，二次側反向串聯，以抵消由直流引入帶來的反電勢。將直流源DC串聯接入二次側，通過可調變阻器調節偏磁電流大小。圖7所示為實驗現場。

5直流偏磁下變壓器偶次諧波產生機理

如圖10所示，為直流偏磁下，變壓器空載電流波形。當無直流偏磁時，勵磁電抗僅與感應電勢及空載電流有關;當發生直流偏磁時，勵磁電抗與交直流共同作用下產生的感應電勢及勵磁電流有關。

因此，通過回路電阻的反饋，使勵磁繞組中出現偶次諧波電壓，產生偶次諧波磁通。

6結論

[1]?李泓志，崔翔，盧鐵兵，程志光，劉東升，焦翠萍.?變壓器直流偏磁的電路-磁路模型[J].中國電機工程學報，2009，29（27）：119-125.

[2]?李曉萍，文習山.三相五柱變壓器直流偏磁計算研究[J].中國電機工程學報，2010，30（1）：127-131.

[3]?趙小軍，李琳，程志光，魯君偉，焦翠坪.應用諧波平衡有限元法的變壓器直流偏磁現象分析[J].中國電機工程學報，2010，30（21）：103-108.

[4]?彭晨光，劉連光.基JA理論的750K自耦變壓器直流偏磁研究[J].華東電力，2010，38（3）：349-353.

[5]?趙志剛，劉福貴，顏威利，張俊杰，劉蘭榮，范亞娜，程志光.直流偏磁條件下變壓器激磁電流的實驗與分析[J].電工技術學報，2010.25（4）：71-76.