磁路磁阻對電力變壓器直流偏磁的影響

黨艷陽 張欣宜

【摘 要】研究表明：磁路磁阻對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?；诖?，本文在不同直流偏磁下，對兩臺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，太陽等離子風(fēng)的動態(tài)變化與地磁場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，將發(fā)生直流偏磁現(xiàn)象，導(dǎo)致變壓器鐵心每隔半個周期磁飽和、勵磁電流增大、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內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[9]對一臺單相電力變壓器在不同直流偏磁下的勵磁電流展開了仿真及實驗研究。文獻(xiàn)[10]采用有限元法對變壓器的渦流損耗進(jìn)行了仿真計算。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，通過場路耦合法對單相電力變壓器的直流偏磁問題進(jìn)行了對比分析，給出了空載及負(fù)載下的電流波形。文獻(xiàn)[12]采用6臺單相變壓器構(gòu)成三相組式變壓器，對其在不同接線狀態(tài)下的輸出電流進(jìn)行了測量及諧波分析，并將計算值與實驗值進(jìn)行了對比。文獻(xiàn)[13] 基于產(chǎn)品級疊片鐵心模型，對變壓器在直流偏磁下的勵磁電流進(jìn)行了仿真及實驗研究。

在直流偏磁抑制方面，國內(nèi)外學(xué)者采取了一系列的措施對直流偏磁進(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)帶來了不安全因素。目前看，從變壓器設(shè)計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)用場路耦合法對兩臺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)行了仿真與實驗分析，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。

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)的變壓器對直流偏磁的反應(yīng)不同，首先采用場路耦合法對兩臺不同磁阻大小的單相四柱電力變壓器空載特性進(jìn)行了分析與計算。圖1所示為Idc=2.5A時小磁阻電力變壓器磁密分布。圖2所示為Idc=2.5A時大磁阻電力變壓器磁密分布。

3.結(jié)論

本文通過場路耦合法對160kVA（2000V/400V）不同磁阻大小的兩臺電力變壓器在直流偏磁條件下的勵磁電流、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)計電力變壓器時，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.特變電工沈陽變壓器集團(tuán)有限公司；2.西安供電公司長安分局）