500kV电力变压器直流偏磁故障分析

杨凯强，李强，叶红枫，山江川，刘念，谢驰

(1.四川大学电气信息学院，四川成都610065 2.中核核电运行管理有限公司，浙江海盐314300)

500kV电力变压器直流偏磁故障分析

杨凯强1，李强2，叶红枫2，山江川2，刘念1，谢驰1

(1.四川大学电气信息学院，四川成都610065 2.中核核电运行管理有限公司，浙江海盐314300)

针对电力变压器发生直流偏磁的现象，采用ANSYS软件研究其内部磁场和励磁电流的畸变率变化情况。为分析某电厂变压器所受到的影响，该文建立大型电力变压器的二维瞬态场数学模型。在考虑到初始条件和边界条件下，利用场路耦合有限元法研究变压器在不同直流入侵后铁心内部磁场的变化，并且计算不同直流偏磁下励磁电流的总谐波畸变率。理论分析和仿真结果表明:变压器铁心饱和程度随着直流偏磁的增大而增大，励磁电流谐波量也随之增加，畸变率也越来越大。

超高压;变压器;直流偏磁;励磁电流;有限元;场路耦合;磁通密度

0 引言

随着近年来高压直流输电的蓬勃发展，变压器直流偏磁问题越显突出，已成为实际工程中急需解决的问题［1－2］。引起变压器直流偏磁现象有两个原因:1)太阳风暴引起的地磁场的变化在大地表面形成电位梯度，地表电位梯度通过变压器接地中性点在变压器绕组中形成地磁感应电流，频率在0.001～1 Hz，与工频50 Hz相比可以看作为直流，其值最高可达200A［3］;2)高压直流输电单极大地回路运行方式或者高压直流输电双极不对称运行方式造成的直流电流通过接地中性点进入变压器绕组［4］。直流电流入侵到变压器绕组内会使铁心产生直流磁通，并引发一系列的电磁效应。直流磁通使得铁心总磁通出现半周饱和的情况，即励磁电流正负半周不对称。从而会加剧铁心磁通的饱和程度，进而引起变压器励磁电流谐波含量、漏磁增加，振动、噪声增大，温度升高，损耗增加。所以对变压器直流偏磁现象的研究对电力系统安全稳定的运行和变压器的生产具有重要的指导意义。

目前针对变压器直流偏磁的研究中，专家学者针对励磁电流进行了专题研究［5－6］。Yang等［7］对直流偏磁下变压器的铜耗和铁耗上升，铁心、变压器油和其他构件的温度升高做了研究分析，但作者并没有就励磁电流是如何畸变以及畸变的程度作相应的研究。Tian等［8］研究了直流偏磁对500 kV电力系统的影响。文献［9－10］针对直流偏磁引起的变压器振动、噪声问题做了计算分析，并得出振动频谱和噪音分贝等结果，振动严重时夹具螺栓会被振动松掉，最终导致整个变压器损毁。文献［11］基于变压器铁心的结构，提出了通过对偶性原理建立电路模型，该电路模型只使用一个电路就可以表示变压器的所有电磁效应。文献［12］提出了直流偏磁下变压器的电路磁路模型，并且进行了实验和仿真分析。

本文通过电磁场理论和有限元法，考虑到初始条件和边界条件下，采用ANSYS软件建立了基于有限元的变压器铁心二维计算模型。通过该模型研究了变压器在直流偏磁条件下，铁心的磁通密度在特定路径下的变化规律以及空载励磁电流谐波的变化。

1 直流偏磁下变压器励磁电流特性

1.1 变压器参数

仿真实例所用变压器的型号为DFP－250000/ 500 TH。具体参数如表1所示。

表1 变压器技术参数

1.2 基本理论

单相变压器的场路模型如图1所示。φ0为绕组漏磁通;φ1、φ2为铁心主磁通;L为绕组自感;M为绕组互感。

图1 变压器场路模型

根据变压器的磁路和等效电路模型，在二次侧开路情况下，可以得到计算直流偏磁下变压器一次侧励磁电流［13］方程为

式中:uac——一次侧交流电压源;

Udc——直流电压源，其为入侵电压值，根据国家标准规定取值;

R、L——变压器绕组的电阻和电感;

N——一次绕组线圈匝数;

φ——变压器铁心的磁通;

i——变压器励磁电流。

1.3 直流偏磁下励磁电流计算结果分析

对直流偏磁下的励磁电流波形进行快速傅里叶分解得到总的谐波畸变率和各次谐波的含量［14］。

图2 直流偏磁时励磁电流谐波畸变率

图3 直流偏磁时励磁电流各次谐波含量

不同直流偏磁条件下，励磁电流的谐波畸变率与直流电流的关系曲线如图2所示。随着直流电流的增加，谐波畸变率THD呈现缓慢增加的趋势，即励磁电流的波形畸变也越来越严重。各次谐波的含量如图3所示，直流电流入侵后，励磁电流不仅含有奇次谐波还出现了偶次谐波。并且随着直流电流的增加，各次谐波含量均有不同程度的增加，可以明显看出2、4次谐波增量比3、5次谐波增量更加显著，即偶次谐波增量更加明显，其中以2次谐波增量最大。

表2 直流偏磁下励磁电流幅值

表2为不同直流电流下励磁电流的幅值。从表中可以看出，随着直流电流的增加，励磁电流波形正半周期的幅值也随之增大，而负半周期的幅值却随之减小。由此可见，随着直流电流的增大，励磁电流的波形畸变也越来越严重。

2 变压器铁心磁场分析

2.1 电磁场分析模型建立

根据实际的变压器结构参数建立变压器二维模型，变压器结构参数如表3所示。

表3 变压器结构参数

2.2 变压器磁场仿真计算结果与分析

通过外电路给变压器绕组通入0，5，10 A的直流电流。仿真计算在不同直流偏磁下铁心的磁通密度的变化，计算结果如图4所示。

由图可知，随着直流量的增加，磁通密度也随之增加。这是因为进入到绕组的直流电流会在铁心内产生直流磁通，并与交流磁通叠加形成总磁通，并且直流电流越大其产生的直流磁通也越大。这就造成了随直流电流的增加，铁心的磁通密度也增加。

为了更好地分析铁心内部的磁通密度的分布情况，特选择铁心具有代表性的路径进行分析。如图5所示，X路径穿过绕组和3个芯柱，Y路径横贯铁心中心柱。

图4 直流偏磁时磁通密度分布图

图5 500 kV变压器求解场域简图

图6给出了X、Y路径在不同直流量下磁通密度的分布。

图6 X、Y路径处的磁通密度分布

由图6可以看出随着直流量的增加，路径X、Y处的磁通密度也稳步增加，但是增加的幅度并不大。由图7可以得出X路径的磁通密度幅值大于Y路径。两个路径的磁通密度随直流电流的增加而增加，而且增加的速率也相同。并且随着直流电流的增加两路径磁通密度的增加速率开始减缓，这是由于直流电流增大导致铁心磁饱和，从而抑制铁心磁通密度的增加。

图7 直流偏磁时X、Y位置的磁通密度幅值

3 抑制措施

由于发生直流偏磁时，变压器的正常运行会受到干扰，严重时将危害整个电力系统的正常运行，所以必须对直流偏磁加以抑制。通过理论分析与仿真计算，提出如下3种抑制措施:

1)电容隔直法。在变压器中性点串联接入电容，即可完全阻止直流电流通过中性点流入变压器。

2)中性点串联小电阻。变压器中性点串联小电阻之后，会提升中性点的电位，从而阻碍直流流入中性点，从而达到抑制直流偏磁的效果。

3)中性点注入反向直流电流。通过在变压器中性点处加装直流发生装置来实现。直流发生装置可以控制输出直流电流的大小和方向。通过向接地网输出反向电流来降低或升高其电位，这样就可以减少由接地网流入中性点接地变压器的直流电流，从而达到抑制直流偏磁的目的。

4 结束语

本文采用场路耦合的方法，通过对500kV变压器在直流偏磁下励磁电流和磁通密度的仿真与分析，分析了励磁电流在直流偏磁下谐波含量变化规律，可得如下结论:

1)在没有直流偏磁现象时，励磁电流的谐波主要含有奇次谐波。随着直流电流的入侵，励磁电流谐波不仅含有奇次谐波，还出现了偶次谐波，并且随着直流电流的增大，各次谐波含量增加的程度不同。偶次谐波增加趋势更加显著，尤其以二次谐波增量最大。

2)直流电流的入侵对变压器铁心的磁场分布影响较大。随着直流电流的增大，磁通密度显著增大。当直流电流增大到10A时，铁心趋于饱和，磁通密度的增加速率下降。

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(编辑:李妮)

Analysis of DC bias fault of the UHV power transformer

YANG Kaiqiang1，LI Qiang2，YE Hongfeng2，SHAN Jiangchuan2，LIU Nian1，XIE Chi1
(1.School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China; 2.CNNC Nuclear Operation Management Co.，Ltd.，Haiyan 314300，China)

The magnetic field and the distortion rate of exciting current are studied adopting the software ANSYS in illusion to the phenomenon of DC bias of power transformer.A 2D transient mathematical model of large power transformer is proposed in this paper for the analysis of generator transformer.The change of transformer magnetic field under DC bias is studied adopting field－circuit coupling FEM under the consideration of initial and boundary conditions.And the change of exciting current harmonic current is calculated under different DC bias.The results of theory analysis and simulation show that the transformer saturation degree，the content of exciting current harmonic and the distortion rate of exciting current harmonic are increased with the increase of DC current.

UHV;transformer;DC bias;exciting current;FEM;field－circuit coupling;magnetic flux density

A

1674－5124(2016)11－0140－05

10.11857/j.issn.1674－5124.2016.11.028

2016－04－02;

2016－05－17

杨凯强(1991－)，男，山东临沂市人，硕士研究生，专业方向为高电压技术应用。