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

胥建文，李書連，杜建平，周訓(xùn)通

（山東電力設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南 250011）

0 引言

作為特高壓輸電網(wǎng)中關(guān)鍵設(shè)備，1 000 kV特高壓變壓器的安全運(yùn)行是整個(gè)特高壓電網(wǎng)安全穩(wěn)定工作的前提，其在整個(gè)電力系統(tǒng)中的重要性隨著我國特高壓電網(wǎng)的逐步建設(shè)而日益攀升［1-3］。隨著我國交、直流特高壓電網(wǎng)的不斷建設(shè)和投運(yùn)，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(yùn)行時(shí)，由直流地電位差產(chǎn)生的直流電流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)流入變壓器繞組中，從而引起變壓器直流偏磁現(xiàn)象［4-7］。此外，強(qiáng)烈的太陽活動(dòng)導(dǎo)致地磁暴現(xiàn)象頻發(fā)，地磁擾動(dòng)將產(chǎn)生地磁感應(yīng)電流（geomagnetically induced current，簡稱 GIC，頻率為 0.0001～0.01 Hz）在工頻輸電網(wǎng)絡(luò)中流通，該頻率的GIC相對于系統(tǒng)工頻（50～60 Hz）的交流系統(tǒng)而言可看作是準(zhǔn)直流，當(dāng)GIC流入變壓器繞組中時(shí)，同樣會(huì)引起變壓器的直流偏磁現(xiàn)象［8-10］。變壓器遭受直流偏磁時(shí)，鐵芯飽和程度加深，漏磁通增大，從而導(dǎo)致變壓器局部過熱、振動(dòng)和噪聲增加，降低絕緣材料的性能，減少設(shè)備壽命等一系列的電磁效應(yīng)；鐵芯飽和同時(shí)引起勵(lì)磁電流波形畸變，導(dǎo)致諧波分量增大，造成無功損耗升高，嚴(yán)重影響系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性，降低電能質(zhì)量，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)拒動(dòng)或者誤動(dòng)作嚴(yán)重威脅電網(wǎng)和其主要設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，給電網(wǎng)的運(yùn)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(nèi)還是國外均做了多方面的深入研究，但研究內(nèi)容主要偏向于特高壓變壓器的絕緣、試驗(yàn)等相關(guān)方面，對于特高壓變壓器遭受直流電流擾動(dòng)時(shí)的勵(lì)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(guān)的深入研究［12］。

目前，我國掛網(wǎng)運(yùn)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(lián)結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、所帶負(fù)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(fù)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高［13］，直接通過試驗(yàn)測量方法進(jìn)行直流偏磁問題的研究難以實(shí)現(xiàn)，采用數(shù)值計(jì)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(jié)構(gòu)件過熱進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)抑制措施。

1 變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)

產(chǎn)品型號(hào)：ODFPS-1000000／1000；額定容量：1000／1000／334 MVA；

額定頻率：50 Hz；

聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)：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(diǎn)變磁通調(diào)壓，分為主體變壓器和調(diào)壓補(bǔ)償變壓器兩部分，接線原理見圖1。主體變采用兩主柱并聯(lián)的結(jié)構(gòu)方案，兩心柱套線圈，每柱1／2容量，高、中、低壓線圈全部并聯(lián)。調(diào)壓補(bǔ)償變壓器與主變壓器通過管母線進(jìn)行連接，主體變和調(diào)壓變連接組合后可以作為一臺(tái)完整的變壓器使用，也可以將主體變單獨(dú)使用。主體變鐵芯采用單相三框四柱式結(jié)構(gòu)，即兩主柱兩旁柱，鐵芯疊片采用0.27 mm厚進(jìn)口優(yōu)質(zhì)、高導(dǎo)磁晶粒取向冷軋電工鋼帶疊成，采用五級(jí)步進(jìn)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?；驹硎峭ㄟ^電壓實(shí)現(xiàn)場路耦合，將磁場方程與電路方程聯(lián)合計(jì)算，將各節(jié)點(diǎn)磁矢量和勵(lì)磁電流按照諧波分量分別計(jì)算，然后再整體迭代求解。

進(jìn)行變壓器直流偏磁計(jì)算時(shí)，需綜合考慮其內(nèi)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(chǔ)，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(shí)域龍格庫塔法相結(jié)合，求解迭代耦合，有效降低求解難度，提高計(jì)算效率。

根據(jù)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(gè)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(jù)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(jì)算模型

基于場路耦合法，根據(jù)變壓器的實(shí)際參數(shù)、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(jì)算模型，如圖4所示。

特高壓變壓器電壓高、容量大，結(jié)構(gòu)件尺寸差異大，根據(jù)其結(jié)構(gòu)對稱性，取其1／2建立三維磁場分析模型。建模時(shí)在不影響產(chǎn)品磁場分析的前提下，僅對個(gè)別構(gòu)件進(jìn)行了適當(dāng)?shù)奶幚?。在該產(chǎn)品模型中，所有導(dǎo)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(shè)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(jì)算模型

圖5 主體變負(fù)載等效電路

基于變壓器高—中運(yùn)行工況，根據(jù)接線方式建立負(fù)載等效電路如圖5所示，高壓側(cè)接入電壓源，中壓側(cè)接入負(fù)荷。

3 變壓器負(fù)載直流偏磁諧波分析

額定負(fù)載情況下，計(jì)算直流偏磁電流分別為0 A、5 A、10 A、20 A、50 A和100 A時(shí)的直流偏磁情況。計(jì)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(fù)載運(yùn)行時(shí)，原、副邊電流

由圖6可知，變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)，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(wěn)定后的完整周期瞬態(tài)電流進(jìn)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(tài)下，原邊電流各次諧波幅值

從分析結(jié)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(fù)載直流偏磁無功功率計(jì)算

變壓器直流偏磁時(shí)，由接地中性點(diǎn)流入的直流電流產(chǎn)生直流磁通，導(dǎo)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(xiàn)象。隨著直流偏磁電流的增大，變壓器飽和程度加深，導(dǎo)致漏磁增大、動(dòng)態(tài)電感減小，引起電流幅值增加，從而導(dǎo)致無功功率增加。

結(jié)合特高壓變壓器額定負(fù)載直流偏磁時(shí)的電流仿真計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行負(fù)載無功功率計(jì)算。特高壓變壓器三相負(fù)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(fù)載時(shí)的無功功率計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。

圖8 負(fù)載狀態(tài)下，原邊電流各次諧波幅值

表1 負(fù)載無功功率計(jì)算結(jié)果

由圖8可知，變壓器負(fù)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(guān)系。在電網(wǎng)規(guī)模較大，變壓器數(shù)量多時(shí)，多臺(tái)變壓器的直流偏磁將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的無功波動(dòng)，從而引起系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定，影響電網(wǎng)安全運(yùn)行。

5 變壓器直流偏磁局部過熱分析

國家電網(wǎng)公司1 000 MVA／1 000 kV特高壓變壓器招標(biāo)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(jié)構(gòu)件漏磁進(jìn)行分析，得到不同直流偏磁下，金屬構(gòu)件磁通密度分布，如圖9～11所示，計(jì)算數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)件最大磁密計(jì)算結(jié)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(dǎo)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(jié)構(gòu)件形成回路，導(dǎo)致各結(jié)構(gòu)件磁密增加，渦流損耗增加。當(dāng)直流偏磁達(dá)到一定數(shù)值并且持續(xù)時(shí)間較長時(shí)，將導(dǎo)致變壓器結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生局部過熱，從而影響變壓器正常運(yùn)行。

借鑒變壓器行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合以往特高壓變壓器電磁設(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及運(yùn)行實(shí)際情況，當(dāng)中性點(diǎn)直流偏磁電流小于10 A時(shí)，對于單相四柱式特高壓變壓器，可以安全運(yùn)行。

6 結(jié)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(dāng)直流偏磁電流增大到一定數(shù)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(dāng)變壓器發(fā)生直流偏磁現(xiàn)象時(shí)，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(xù)增大，其變化情況可以作為判斷變壓器偏磁狀態(tài)的依據(jù)。

1 000 MVA／1 000 kV特高壓變壓器在直流偏磁電流小于10 A時(shí)可以安全運(yùn)行，當(dāng)直流偏磁電流大于10 A并持續(xù)時(shí)間較長時(shí)，則變壓器可能出現(xiàn)局部過熱甚至發(fā)生故障。在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)用戶要求，采取相應(yīng)的措施，提高變壓器耐受直流偏磁能力，保證產(chǎn)品安全運(yùn)行。