换流变压器不同工况下的铁心磁特性研究

段晓军，王仁，迟主升

（广州西门子变压器有限公司，广州 510530）

0 引言

近年来随着我国特高压直流工程的迅猛发展，输电工程容量越来越大，传输电压等级逐步提高［1-2］。换流变压器作为直流输电工程中的核心设备，传统直流输电技术通过换流变压器通过与换流阀的相互配合，在直流输电的发送端将交流电整流成为直流电，在输电线路的接收端再将直流电逆变成为交流电［3］，从而实现能量交直交的转化。而换流变压器的安全可靠运行直接决定着输电系统的可靠性，目前换流变压器设计除了传统意义上的电磁参数优化设计之外，换流变压器变压器在故障条件下变现特性也显得十分必要，特别是故障条件下铁心的磁特性也直接影响着其内部短路力设计的边界条件，通过电磁场仿真分析对其换流变在不同工况下的铁心磁特性分布进行研究也是故障分析中的重要课题之一。

本文以某直流工程的实际换流变压器项目为例，通过采用三维有限元磁场仿真的方法对换流变压器在非短路工况下的空载工况、负载工况的铁心磁密进行了分析，分析得到了铁心中主磁通的分布特点，并通过与解析法对比验证了仿真方法的可靠性，分析得到了正常工况下铁心在空载与负载工况下磁密分布云图类似且均未发生饱和，仿真得到了在负载感性负载条件下由于空间漏磁的叠加主磁通会对芯柱磁通有削。对换流变压器在故障条件下的空载工况、负载工况的铁心磁密进行了仿真分析，得到了换流变压器在发生内部短路故障工况下铁心会因为短路安匝而出现局部的饱和特性，因此在故障条件下绕组受力分析需要考虑由于铁心饱和的漏磁边界影响。

1 仿真模型基本信息

本文研究模型为某工程一台实际换流变压器为例，换流变压器为单相且额定容量415 MVA，网侧绕组的额定电压为，阀侧绕组的额定电压为174.9 kV，基本参数如表1 所示。铁心型式为单相2／2 铁心，每个铁心上的绕组排布从铁心向外依次为阀侧绕组、网侧绕组、调压绕组，其中阀侧绕组与网侧绕组均为端部接线结构，调压绕组为轴向上、下两个部分并联结构，绕组排布示意图如图1所示。

表1 变压器基本技术参数

图1 绕组排布

仿真采用Infolytica公司的MagNet 3D仿真模块，对换流变压器不同工况进行了磁场仿真分析。仿真模型的铁心采用2／2铁心形式，铁心模型建立考虑各级叠厚度与内部油道空隙，忽略铁心内部各片间漆膜涂层以及片间搭接气隙的影响，忽略绕组模型建立绕组内部垫块分布影响。考虑本文研究换流变压器正常运行工况以及网侧内部短路工况，因此在右侧故障芯柱将网侧绕组进行分区处理，故障工况条件下其中8-34 饼考虑为短路区域，运行条件调压绕组部分接入主电气回路，因此调压绕组同样按照分区处理，另外考虑到仿真时效性的问题，忽略其他铁磁材料的影响，器身的总体模型如图2所示。

图2 器身模型

考虑到仿真的时效性，对于网格剖分铁心以及空气划分最大网格尺寸为限度，对于产生磁通绕组区域的体网格适当加密，整体器身划分网格如图3 所示。通过MagNet 软件自带的Circuit 电路功能对变压器实现网侧非故障或者故障的工况设定，仿真采用求解器新一台考虑铁心材料的非线性特征，以达到准确评估不同工况条件下磁饱和特性的目的。

图3 变压器器身网格剖分

2 正常工况条件铁心磁通分布特点

求解案例考虑正常工况1网侧绕组施加电压源且阀侧绕组空载开路，根据基尔霍夫电压感应定律［3］的概念进行描述，对于特定铁心直径与励磁绕组匝数的产品，当变压器的外部施加电压确定后，铁心内的磁密基本可以确定可用下式计算求解［4］：

式中：E为电磁感应电动势；f 为频率；B 为铁心芯柱磁密峰值；S为铁心截面积。

仿真求解采用非线性求解器［5-7］，在Circuit 电路中网侧施加线电压775 kV，将两个芯柱的网侧绕组进行反向并联处理，其网侧绕组尾部反向串入调压绕组3 级共24 匝，在网侧各区域未额外设置短路工况，正常空载条件下电路连接图如图4 所示。变压器在工况1 空载条件下铁心磁密分布云图如图5 所示，从工况1正常空载仿真结果分析，磁通全部集中在铁心框架内部且铁心未见饱和，且空间漏磁可以忽略不计。最大磁密出现在上部主铁轭位置，峰值为1.755 T，芯柱磁密峰值的仿真结果为1.595 T，如果考虑0.965 的铁心填充系数，实际真实磁密为1.595／0.965 ＝1.653 T，采用式（1）解析计算结果为1.651 T，两者计算结果结构吻合，证明了仿真模型的准确性。

图4 变压器空载电路连接

图5 工况1 网侧正常空载运行铁心磁密分布云图

正常负载运行工况2条件为网侧绕组施加电压源且阀侧绕组带0.5 H 感性负载工况，仿真模型的Circuit设定在图4的基础上增加阀侧绕组电感负载，变压器在工况2 条件下铁心磁密分布云图如图6所示，负载正常工况下铁心磁密分布与空载正常工况条件下分布类似，最大磁密出现在上部主铁轭位置且铁心未见饱和，其峰值为1.501 T，芯柱磁密峰值为仿真结果为1.250 T，网侧与阀侧之间漏磁磁密峰值为0.123 T，该漏磁数值取决于负载电流的大小。

图6 工况2 网侧正常负载运行铁心磁密分布云图

工况2负载条件下绕组切面漏磁分布矢量图如图7 所示，从漏磁的矢量图可以发现，在主磁通的方向向上时刻，因为同一时刻的内侧绕组通过铁心闭合的磁通方向向下，所以由绕组漏磁引起的磁通方向与其主磁通方向相反，因此在带有感性负载条件下芯柱磁通会与漏磁条件下产生一定的相互叠加削弱效果，因此相比于工况1 来说，工况2 芯柱内磁密下降了约21%。

图7 工况2 网侧正常负载运行磁密矢量图

为了定量描述器身内部磁通分布情况，在器身建立了4个切面，切面1 为窗口高度3／4 水平切面位置，切面2 为窗口高度1／2 水平切面位置，切面3 为铁心主窗口中心垂直切面位置，切面4 右侧旁柱窗口中心垂直切面位置，切面示意图如图8 所示，工况1 与工况2 的磁密仿真结果如表2所示。

图8 工况1 磁密提取切面示意图

表2 不同切面磁密分布表

3 内部短路故障条件铁心磁通分布特点

除了上述的正常工况条件下，当变压器发生内部短路的磁密分布同样需要研究。内部短路工况3 考虑右侧芯柱网侧绕组分为3个区，故障条件下考虑B2 区间发生短路，在Circuit 电路方法对该区域的首尾进行短接以模拟其短路故障工况［8-9］，网侧内部发生短路故障电路且阀侧空载连接图如图9 所示。变压器在工况3条件下铁心磁密分布云图如图10 所示，过饱和磁通主要集中在故障芯柱中上部以及右侧旁柱回路的却与，且已经该区域达到饱和的程度，最大漏磁出现在主芯柱上部3／4位置且磁密为2.154 T，主窗口上铁轭中心磁密为2.031 T，旁柱中心磁密为2.06 T，切面1网侧与阀侧之间空间漏磁磁密峰值为0.394 T。

图9 网侧内部短路且空载电路连接

图10 工况3 网侧短路空载运行铁心磁密分布云图

仿真工况4为负载条件下的网侧内部短路工况，即网侧绕组B2区域发生短路且阀侧绕组带0.5 H 感性负载工况，仿真模型的Circuit在图9的基础上增加阀侧绕组电感负载，变压器在工况4条件下铁心磁密分布云图如图11 所示。与工况3 空载下内部故障工况条件下磁密分布类似，磁通主要集中在故障芯柱中上部以及右侧旁柱回路位置且已经达到饱和的程度，最大漏磁出现在主芯柱上部3／4 位置磁密为2.081 T，主窗口中心上铁轭中心磁密为2.021 T，旁柱中心磁密为2.040 T，空间漏磁切面1 网侧与阀侧之间磁密峰值为0.294 T。本文研究的4 种工况下模型磁密仿真结构如表3 所示，非故障条件下铁心磁密均未发生饱和，内部故障条件下由于短路安匝产生的漏磁影响，远离故障短路环侧会整体呈现区域饱和特性，铁心饱和后的漏磁回归边界会因此而发生改变，因此在故障分析中需要考虑漏磁边界变化而产生的短路力变化［10］，工况3 空载条件发生内部短路的漏磁分布如图12 所示。

图11 工况4 网侧短路负载运行铁心磁密分布云图

表3 全工况下不同切面磁密分布表

图12 工况3 网侧空载矢量运行分布云图

4 结束语

本文以某工程一台实际换流变压器产品为例，采用了3D有限元仿真软件对换流变压器的阀侧空载或者负载工况，网侧正常励磁或者发生内部短路的不同工况进行了仿真分析，可以得到如下结论。

（1）换流变压器网侧正常运行条件下阀侧空载、负载条件铁心均不会发生饱和，空载工况最大磁密出现在上部主铁轭位置，峰值为1.755 T，芯柱磁密峰值仿真结果为1.595 T；负载工况磁密分布与空载工况类似，但带有感性负载条件下芯柱磁通会与漏磁条件下产生一定的叠加减小的效果。

（2）换流变压器网侧内部短路条件故障条件且阀侧空载、负载工况下磁密主要集中在故障芯柱中心上部以及右侧旁柱回路区域且铁心会发生饱和，空载故障条件下最大漏磁出现在主芯柱上部3／4位置磁密为2.154 T，负载故障条件下相同位置最大漏磁会略有下降为2.081 T，在故障分析条件下需要考虑漏磁边界变化而引起的短路力影响。