基于1 000 MVA/1 000 kV特高压变压器的直流偏磁物理效应仿真研究

2018-08-01胥建文李书连杜建平周训通

山东电力技术 2018年7期

胥建文，李书连，杜建平，周训通

（山东电力设备有限公司，山东济南 250011）

0 引言

作为特高压输电网中关键设备，1 000 kV特高压变压器的安全运行是整个特高压电网安全稳定工作的前提，其在整个电力系统中的重要性随着我国特高压电网的逐步建设而日益攀升［1-3］。随着我国交、直流特高压电网的不断建设和投运，在直流输电工程中采用单极大地回路方式或双极不对称方式运行时，由直流地电位差产生的直流电流经变压器中性点流入变压器绕组中，从而引起变压器直流偏磁现象［4-7］。此外，强烈的太阳活动导致地磁暴现象频发，地磁扰动将产生地磁感应电流（geomagnetically induced current，简称 GIC，频率为 0.0001～0.01 Hz）在工频输电网络中流通，该频率的GIC相对于系统工频（50～60 Hz）的交流系统而言可看作是准直流，当GIC流入变压器绕组中时，同样会引起变压器的直流偏磁现象［8-10］。变压器遭受直流偏磁时，铁芯饱和程度加深，漏磁通增大，从而导致变压器局部过热、振动和噪声增加，降低绝缘材料的性能，减少设备寿命等一系列的电磁效应；铁芯饱和同时引起励磁电流波形畸变，导致谐波分量增大，造成无功损耗升高，严重影响系统电压的稳定性，降低电能质量，甚至导致系统继电保护装置出现拒动或者误动作严重威胁电网和其主要设备的安全稳定运行，给电网的运行带来很大的安全隐患［11］。

对于变压器的直流偏磁问题不论国内还是国外均做了多方面的深入研究，但研究内容主要偏向于特高压变压器的绝缘、试验等相关方面，对于特高压变压器遭受直流电流扰动时的励磁电流波形、谐波特性、无功功率和局部过热等电磁特性还没做相关的深入研究［12］。

目前，我国挂网运行的1 000 MVA／1 000 kV特高压变压器多为单相四柱式两柱并联结构。与传统普通交流电力变压器相比，特高压变压器容量更大、电压更高、结构更加复杂、所带负荷更多。此外，1 000 kV特高压自耦变压器的电气连接方式更加复杂，各绕组之间不仅有磁的耦合，还有电的连接。

特高压变压器结构复杂，造价高［13］，直接通过试验测量方法进行直流偏磁问题的研究难以实现，采用数值计算方法，基于单相四柱式双主柱特高压变压器对主体变GIC直流偏磁谐波、无功损耗、结构件过热进行分析，并提出相应抑制措施。

1 变压器结构参数

产品型号：ODFPS-1000000／1000；额定容量：1000／1000／334 MVA；

额定频率：50 Hz；

联结组标号：Ia0I0 （三相YNa0d11）；

图1 特高压变压器接线原理

噪声水平：≤75 dB（A）。

特高压变压器为中性点变磁通调压，分为主体变压器和调压补偿变压器两部分，接线原理见图1。主体变采用两主柱并联的结构方案，两心柱套线圈，每柱1／2容量，高、中、低压线圈全部并联。调压补偿变压器与主变压器通过管母线进行连接，主体变和调压变连接组合后可以作为一台完整的变压器使用，也可以将主体变单独使用。主体变铁芯采用单相三框四柱式结构，即两主柱两旁柱，铁芯叠片采用0.27 mm厚进口优质、高导磁晶粒取向冷轧电工钢带叠成，采用五级步进搭接。

2 变压器直流偏磁场路耦合模型

2.1 场路耦合原理

场路耦合法分为直接耦合和间接耦合两种方式。基本原理是通过电压实现场路耦合，将磁场方程与电路方程联合计算，将各节点磁矢量和励磁电流按照谐波分量分别计算，然后再整体迭代求解。

进行变压器直流偏磁计算时，需综合考虑其内部电磁耦合特性和铁芯硅钢片的非线性问题，以磁路为基础，建立变压器的场路耦合模型，并将非线性场路有限元法与时域龙格库塔法相结合，求解迭代耦合，有效降低求解难度，提高计算效率。

根据图1特高压变压器接线方式，采用L1～L6表示主体变压器的6个绕组，建立特高压变压器主体变压器各绕组连接电路图，如图2所示。

根据特高压变压器主体变压器的铁芯型式、线圈排布方式，建立特高压变压器主体变压器的磁场模型，如图3所示。

2.2 场路耦合计算模型

基于场路耦合法，根据变压器的实际参数、尺寸，建立1 000 MVA／1 000 kV特高压主体变压器直流偏磁三维计算模型，如图4所示。

特高压变压器电压高、容量大，结构件尺寸差异大，根据其结构对称性，取其1／2建立三维磁场分析模型。建模时在不影响产品磁场分析的前提下，仅对个别构件进行了适当的处理。在该产品模型中，所有导磁材料均按非线性考虑，铁芯、夹件肢板磁屏蔽、油箱磁屏蔽设为27ZH095，按各向同性材料考虑；夹件、主要油箱部分、垫脚、撑板、旁柱拉板、夹件肢板取Q345钢；中柱拉板，部分油箱取20Mn23Al低磁钢。

图2 特高压变压器电路模型

图3 特高压变压器磁路模型

图4 特高压变压器主体变压器计算模型

图5 主体变负载等效电路

基于变压器高—中运行工况，根据接线方式建立负载等效电路如图5所示，高压侧接入电压源，中压侧接入负荷。

3 变压器负载直流偏磁谐波分析

额定负载情况下，计算直流偏磁电流分别为0 A、5 A、10 A、20 A、50 A和100 A时的直流偏磁情况。计算得到的不同直流偏磁电流下的原、副边电流如图6所示。

图6 负载运行时，原、副边电流

由图6可知，变压器负载运行时，随着直流偏磁电流的增加，原边电流逐渐受到直流电流的影响，有不同程度的畸变。相比于原边电流，副边电流受直流偏磁的影响并不明显。

不同直流偏磁条件下，取原边电流i1稳定后的完整周期瞬态电流进行傅里叶变换，各次谐波幅值随直流变化的趋势如图7所示。

图7 空载状态下，原边电流各次谐波幅值

从分析结果可以看出，随着直流偏磁电流的增大，原边电流中的2、3、4次谐波总体呈上升趋势，其余各次谐波变化较小，2次谐波随着直流电流的增加上升的最快。

4 变压器负载直流偏磁无功功率计算

变压器直流偏磁时，由接地中性点流入的直流电流产生直流磁通，导致变压器磁通曲线整体上移或下移，从而引起变压器铁芯的半波饱和现象。随着直流偏磁电流的增大，变压器饱和程度加深，导致漏磁增大、动态电感减小，引起电流幅值增加，从而导致无功功率增加。

结合特高压变压器额定负载直流偏磁时的电流仿真计算结果，进行负载无功功率计算。特高压变压器三相负载情况下无功功率随直流偏磁电流变化的趋势如图8所示，三相负载时的无功功率计算数据如表1所示。

图8 负载状态下，原边电流各次谐波幅值

表1 负载无功功率计算结果

由图8可知，变压器负载工况下，随着直流偏磁电流的增加，无功功率显著增加，并与直流偏磁电流呈线性关系。在电网规模较大，变压器数量多时，多台变压器的直流偏磁将会导致整个系统产生较大的无功波动，从而引起系统电压不稳定，影响电网安全运行。

5 变压器直流偏磁局部过热分析

国家电网公司1 000 MVA／1 000 kV特高压变压器招标文件要求变压器单相能承受6 A直流偏磁电流，分别对直流偏磁电流1 A、6 A、10 A情况下变压器结构件漏磁进行分析，得到不同直流偏磁下，金属构件磁通密度分布，如图9～11所示，计算数据如表2所示。

图9 不同直流偏磁电流下拉板磁通密度分布

图10 不同直流偏磁电流下夹件磁通密度分布

图11 不同直流偏磁电流下油箱磁通密度分布

表2 结构件最大磁密计算结果

通过对比可以清晰地说明直流偏磁对变压器漏磁场的影响，随着流过变压器绕组直流电流的增加，变压器铁芯半波饱和后，铁芯磁导率大幅下降，大量的漏磁通通过变压器油、油箱壁、铁芯拉板、铁芯夹件或者铁芯支撑板等结构件形成回路，导致各结构件磁密增加，涡流损耗增加。当直流偏磁达到一定数值并且持续时间较长时，将导致变压器结构件产生局部过热，从而影响变压器正常运行。

借鉴变压器行业的经验并结合以往特高压变压器电磁设计、生产以及运行实际情况，当中性点直流偏磁电流小于10 A时，对于单相四柱式特高压变压器，可以安全运行。