自耦變壓器直流偏磁特性仿真與分析

王娟

【摘 要】為分析電網(wǎng)自耦變壓器遭受直流偏磁的影響，本文應(yīng)用 PSCAD 電磁暫態(tài)仿真軟件搭建了自耦變壓器仿真模型，分析了直流偏磁對(duì)變壓器勵(lì)磁電流、無功功率損耗以及諧波等的影響程度。仿真結(jié)果表明了，隨著直流偏磁電流的增加，勵(lì)磁電流波形逐漸變?yōu)榧忭敳ㄇ抑C波含量較大，同時(shí)，無功功率損耗也與直流偏磁電流呈線性關(guān)系增加。本文的研究成果可為今后國家大型電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供一定的參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】電網(wǎng)；自耦變壓器；直流偏磁；磁滯特性

Analysis and simulation on Autotransformer DC bias property

WANG Juan

（Kun District Sub-bureau， Baotou Power Supply Bureau， Baotou Inner ongolia 014010，China）

【Abstract】In order to analyze the effect of power grid autotransformer suffering from dc bias. The paper sets up the simulation model of autotransformer using electromagnetic transient simulation software of PSCAD and analyzes the influence degree of transformer excitation current， reactive power loss and harmonic etc. suffered from dc bias. The simulation results show that the waveform of field current becomes the spire wave and the content of harmonic becomes more， following with the increase of dc bias current， at the same time， reactive power loss and dc bias current have a linear relationship. The research results of this paper provides certain reference basis for the construction of the future large state power network.

【Key words】Power grid； Autotransformer； DC bias； Hysteresis characteristic

0 引言

直流偏磁是指變壓器的一種非正常工作狀態(tài)，即在變壓器勵(lì)磁電流中出現(xiàn)了直流分量[1]。引起變壓器直流偏磁的主要因素有高壓直流輸電單極運(yùn)行和太陽風(fēng)暴引起的地磁感應(yīng)電流。單極運(yùn)行的高壓直流輸電是以大地返回方式運(yùn)行，接地極電流會(huì)通過變壓器中性點(diǎn)流過變壓器繞組產(chǎn)生直流偏磁[2]。由太陽風(fēng)暴引起的地磁感應(yīng)電流頻率較低，一般為0.01-0.1Hz之間，相對(duì)于工頻電流來說，可以看作為準(zhǔn)直流，經(jīng)變壓器中性點(diǎn)流入電網(wǎng)[3]。GIC本身在電網(wǎng)中流通并不會(huì)產(chǎn)生很大危害，GIC衍生的變壓器效應(yīng)危害更大，如無功損耗、諧波、噪聲等效應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)可引發(fā)電網(wǎng)停電事故，產(chǎn)生國民經(jīng)濟(jì)損失[4]。其中變壓器振動(dòng)噪聲、發(fā)熱等效應(yīng)屬長期積累效應(yīng)，在很大的GIC下會(huì)導(dǎo)致變壓器一次性損壞。變壓器無功的短期效應(yīng)明顯，受侵害范圍內(nèi)變壓器同時(shí)受影響，使電網(wǎng)產(chǎn)生無功波動(dòng)的可能性大，危害電網(wǎng)的安全運(yùn)行[5]。

隨著特高壓直流輸電工程的建設(shè)和發(fā)展，因變壓器直流偏磁而引發(fā)的不利影響在特高壓輸電工程投運(yùn)階段及運(yùn)行中時(shí)有發(fā)生，迫切需要研究直流偏磁對(duì)大型主變的影響及偏磁程度，進(jìn)而制定相應(yīng)的改進(jìn)或抑制措施，確保電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。為此，本文通過PSCAD仿真軟件搭建500kV自耦變壓器仿真模型，分析GIC對(duì)變壓器勵(lì)磁電流、無功功率損耗以及諧波等的影響程度。

1 變壓器直流偏磁分析

正常變壓器由于勵(lì)磁電流較為合適，使得變壓器運(yùn)行在較為穩(wěn)定的情況下，而當(dāng)變壓器由于注入了直流電流后，由于直流電流會(huì)在變壓器鐵芯中產(chǎn)生一個(gè)直流磁通與變壓器原有的勵(lì)磁磁通進(jìn)行疊加是得變壓器鐵芯進(jìn)入飽和狀態(tài)，其產(chǎn)生的直流磁通的大小可用公式表示為：

？漬dc=-∫UGICdt（1）

式中，為地磁感應(yīng)電流在變壓器中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這樣一來變壓器的勵(lì)磁電流由于注入的直流電流而發(fā)生畸變?nèi)鐖D1所示。

當(dāng)變壓器發(fā)生直流偏磁之后，由于其存在的直流磁通使得變壓器的鐵心達(dá)到飽和的狀態(tài)，導(dǎo)致變壓器的勵(lì)磁電流發(fā)生較大程度的改變，使得勵(lì)磁電流的波形呈現(xiàn)為尖頂波的形狀，并便隨有大量的諧波產(chǎn)生，導(dǎo)致變壓器的無功功率損耗大幅度上升，系統(tǒng)電壓發(fā)生改變，引起繼電保護(hù)元件的錯(cuò)誤動(dòng)作，使得整個(gè)電力系統(tǒng)處于混亂的狀態(tài)。除此之外變壓器直流偏磁之后，由于變壓器的勵(lì)磁電流發(fā)生嚴(yán)重的畸變，使得變壓器繞組以及鐵心過熱，燒毀變壓器的相關(guān)元件，引起絕緣老化，機(jī)械結(jié)構(gòu)反應(yīng)遲鈍，直接影響著變壓器的使用壽命甚至可能導(dǎo)致變壓器的毀壞。

而當(dāng)發(fā)生直流偏磁較為嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)使得變壓器退出系統(tǒng)的正常運(yùn)行，使得電力傳輸中斷，產(chǎn)生大規(guī)模停電事故，產(chǎn)生難以估量的經(jīng)濟(jì)損失。

2 仿真分析

本文在PSCAD仿真環(huán)境下搭建了500kV自耦變壓器仿真模型，詳細(xì)參數(shù)見文獻(xiàn)[6]。

2.1 勵(lì)磁電流分析

通過仿真模型不斷改變注入變壓器的直流電流進(jìn)行分析計(jì)算變壓器勵(lì)磁電流和磁通的變化情況來說明引起的偏磁程度，具體見表1所示。

表1所示的數(shù)據(jù)可以清楚的反映出隨著直流電流值得不斷增加，變壓器的勵(lì)磁峰值電流不斷增加，形成明顯的尖頂波，其磁通也隨著直流電流的增加其飽和程度不斷加深。

2.2 諧波分析

變壓器在不同GIC下，其勵(lì)磁電流的諧波成分及其總諧波失真分析如表2所示。

從表2可以看出，當(dāng)直流電流注入變壓器后由于勵(lì)磁電流發(fā)生畸變會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，會(huì)導(dǎo)致變壓器工作異常，可能引起變壓器發(fā)生故障，對(duì)電力系統(tǒng)造成一定的損失。

2.3 無功損耗分析

變壓器直流偏磁引起勵(lì)磁電流畸變，必然會(huì)造成無功功率損耗的增加。然而，注入直流電流會(huì)引起變壓器無功功率損耗存在什么樣的關(guān)系值得研究，為此，本文通過仿真模型計(jì)算出輸入直流電流與變壓器無功損耗的值如表3所示。

從表3可以看出，變壓器的無功功率損耗主要原因是直流電流通過變壓器中性點(diǎn)流入變壓器鐵心后產(chǎn)生相應(yīng)的直流磁通，這會(huì)使得變壓器鐵心向著飽和的方向發(fā)展，產(chǎn)生直流偏磁，增加變壓器的無功功率損耗。而直流磁通又會(huì)在變壓器勵(lì)磁電流中感應(yīng)出相應(yīng)的直流勵(lì)磁電流分量，使得變壓器飽和近一步加劇再一次加劇鐵心的飽和程度，使得鐵心電抗增加，變壓器無功損耗也隨之增加。

3 結(jié)論

通過對(duì)變壓器在直流偏磁下的勵(lì)磁電流、諧波成分以及無功功率損耗的分析和仿真可以得出如下結(jié)論：

變壓器的勵(lì)磁電流會(huì)在某一個(gè)方向產(chǎn)生飽和，使得勵(lì)磁電流波形產(chǎn)生半波飽和的現(xiàn)象，使得變壓器運(yùn)行點(diǎn)發(fā)生變化，影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行；

變壓器中會(huì)產(chǎn)生大量諧波，使得變壓器頻率發(fā)生波動(dòng)，變壓器損耗增加，變壓器運(yùn)行不正常最終引起變壓器故障；

變壓器在遭受直流偏磁后其無功功率損耗會(huì)急劇增加，會(huì)引起局部節(jié)點(diǎn)電壓偏低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)促使電力系統(tǒng)電壓失穩(wěn)，甚至?xí)斐呻娏ο到y(tǒng)電壓崩潰，導(dǎo)致大面積停電事故發(fā)生。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：王楠]