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直流偏磁条件下电力变压器谐波的仿真计算与试验研究.pdf
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1、试验研究 直流偏磁条件下电力变压器谐波的 仿真计算与试验研究 郭满生 1,梅桂华2,刘东升1,程志光1 (1.保定天威保变电气股份有限公司,河北 保定 071056;2.广东电网公司电力科学研究院, 广东 广州 510600) 摘要:对变压器在不同直流偏磁条件下励磁电流谐波进行了研究,并进行了仿真分析。 关键词:变压器;直流偏磁;励磁电流;谐波 中图分类号:TM406文献标识码:B文章编号:10018425(2010)12002805 1 引言 近 年 来 , 随 着 我 国 超 高 压 直 流 输 电 系 统 (HVDC)的广泛运用,换流站附近的中性点接地变 压器出现了直流偏磁现象。 当直流
2、输电系统单极大 地回线方式或双极不平衡方式运行时, 巨大的直流 电流注入大地,经大地流到直流系统的另一端,流过 时在流经的大地路径上产生电位差。 当两个变电站 之间地质条件较差(电阻较大)时,电位差也较大。如 果交流变压器在附近运行,直流电流将通过变压器 中性点接地点及输电线路组成的通路流经两侧变压 器绕组, 这一流经变压器绕组的直流电流作为励磁 电流,必然要在铁心内部产生一定数值的直流磁通, 引起变压器直流偏磁问题。 其结果是加剧铁心磁密 的饱和程度,从而产生谐波,引起噪声、过热和振动 等问题, 对接地极附近中性点接地变压器的正常工 作造成较大的影响,严重时可造成变压器的损坏,并 可能引起保
3、护的误动。 随着我国直流输电系统的不 断发展,变压器直流偏磁问题日益突出,并已经成为 变压器制造厂家所必须解决的重要课题。 直流偏磁条件下, 获得的励磁电流通常是非正 弦波形,且正负半周严重非对称,随着直流电流的增 大,激励源的高次谐波分量明显增加。因此直流偏磁 问题是一个非线性、非对称瞬态场问题。要进行变压 器直流偏磁条件下励磁电流的仿真计算, 就必须对 变压器铁心在直流偏磁条件下的磁场特性等进行深 入分析。基于变压器产品级模型,笔者在对偏磁条件 下变压器铁心磁场特性进行深入研究的基础上,对 变压器偏磁励磁电流及其谐波进行了仿真计算。 对 变压器谐波测量的试验表明, 仿真计算结果满足工 程需
4、要, 该变压器不同直流偏磁条件下得到的谐波 特性是符合实际的。 2 直流偏磁条件下变压器铁心的磁化特性 2.1关于产品级模型 为了研究大型变压器的偏磁特性,按照1/50的 比例,制作了变压器模型,考虑到直流偏磁对单相变 压器的影响最大,制作的模型为单相三柱结构,其材 料和结构均与大型变压器产品相同, 模型的有关技 术参数如表1所示。 Simulation Calculation and Test Research on Harmonic Wave in Power Transformer under DC Bias GUO Man-sheng1, MEI Gui-hua2, LIU Dong-
5、sheng1, CHENG Zhi-guang1 (1.Baoding Tianwei Baobian Electric Co., Ltd., Baoding 071056, China; 2.Guangdong Power Test & Research Institute, Guangzhou 510600, China) Abstract:The excitation harmonic currents of transformer under different direct current are researched. It is simulated and analyzed. K
6、ey words:Transformer;DC bias;Excitation current;Harmonic wave TRANSFORMER 第 47 卷 第 12 期 2010 年 12 月 Vol.47 December No.12 2010 郭满生、 梅桂华、 刘东升等: 直流偏磁条件下电力变压器谐波的仿真计算与试验研究第 12 期 2.2直流偏磁条件下变压器铁心的-I曲线 该模型实测空载电流I0=3.2A,在试验研究的基 础上得到的直流偏磁电流为Idc=1.26A、2.53A、3.2A (相应于空载电流有效值的40%、80%和100%)时的 -I曲线,如图1所示。 由于没有测得直
7、流磁通, 图1只是交流偏磁磁 化曲线,即值关于I轴上下对称。 实际上,偏磁时 由于交直流共同作用, 交流磁通须加上一个,图 2中列出了Idc=3.2A时考虑和没有考虑偏 磁条件下交直流共同作用时的平均磁化曲线。 变压 器直流偏磁条件下励磁电流的计算将以考虑偏 磁条件下交直流共同作用时平均磁化曲线为基础。 3 单相三柱电力变压器偏磁条件下励磁电流 谐波的仿真计算和试验 3.1仿真计算 当变压器中存在直流偏磁时, 励磁电流的波形 发生严重畸变,正半周出现尖峰,且其峰值较无偏磁 时大得多,如图3中的虚线表示的电流。本项目仿真 计算采用迭代法。 计算条件为: (1)偏置后的磁通波形为正弦波。 (2)直
8、流偏置量Idc。 (3)铁心的-I曲线。 该方法的基本原理:先假定适当的偏磁量B,根 据变压器铁心的磁化特性(-I曲线),得到相应的 励磁电流波形f(t),非正弦、非对称的周期量;将该 励磁电流的按式(1)确定直流分量Ixdc: Ixdc= 1 T T 0 乙f(t)dt (1) 将Ixdc与已知的偏磁电流相Idc比较, 根据二者 相等的目标修正偏磁量B;经过反复计算比较最终 确定相应的偏磁量B和励磁电流波形f(t)。 3.2试验研究 试验线路如图4所示, 图中Tr为试验变压器, D1为变压器模型,直流源电流可调,调节一定的直 流电流,施加变压器模型以额定电压,就可以从功率 分析仪中测得励磁电
9、流的波形。 4 结果分析 该变压器无偏磁情况下即Idc=0时,变压器励磁 表1直流偏磁单相变压器模型技术参数 型号D-50/231 电压/kV(2318%)/231 联结组标号Ii0 短路阻抗/%7.85 绕组匝数(HV/LV)69/64 铁心用硅钢片型号30RGH120 额定磁密/T1.69 Talbe 1Parameters of single -phase transformer under DC bias Idc=1.26AIdc=2.53AIdc=3.2A 0 10203040-10-20 0.01 -0.01 -0.02 I/A /Wb 图1当Idc=1.26A、2.53A、3.2
10、A时-I曲线 Fig.1 -I curves during Idc=1.26A, 2.53A and 3.2A 图2当Idc=3.2A时-I曲线(考虑) 0.02 0.01 -0.01 0 102030-10 没有考虑 考虑 /Wb I/A -0.02 Fig.2-I curves during Idc=3.2A (r) (t) 0 t (a) (c) (b) i(t) i(t) t - 图3直流电流对变压器励磁电流的影响 Fig.3Influence of direct current to excitation current of transformer 29 第 47 卷 电流波形如图
11、5a所示, 当Idc=1.26A、2.53A、3.2A时 的励磁电流波形如图5b图5d所示。 其幅值和频谱 数值分别如图6、图7所示。 分析图5的波形,得到图6及表2、表3,可以看 出, 不同直流偏磁条件下的励磁电流仿真计算值与 试验值有效值偏差在5%以内,说明仿真计算是正确 的。 不同直流偏磁条件下的励磁电流实测值频谱分 析与仿真结果比较如图7所示, 从图7中可以看出 TrCTD1 Idc M 图4励磁电流测试线路 Fig.4Test circuit of excitation current 实测值仿真计算值 00.010.020.030.040.05 I/A T/s 25 20 15 1
12、0 5 0 -5 (c)Idc=2.53A 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 00.010.020.030.040.05 实测值仿真计算值 (a)Idc=0A T/s I/A 实测值 仿真计算值 I/A T/s (b)Idc=1.26A 00.010.020.030.04 0.05 15 10 5 0 -5 30 25 20 15 10 5 0 -5 实测值 仿真计算值 0 0.010.020.030.040.05 I/A T/s (d)Idc=3.2A 图5励磁电流波形图 Fig.5Waveforms of excitation current 8 6 4 2 0 024 Irms
13、/A Idc/A 5 4 3 2 1 00 100200 Imi/Im0 Idc/Am-1 试验值 仿真计算值 仿真计算值 试验值 图6励磁电流有效值和幅值曲线 Fig.6Curves of amplitude and effective value of excitation current 8 6 4 2 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 试验值仿真值 频率/Hz I/A (a)Idc=0A 8 6 4 2 0 I/A 050 100 150 200 250 300 350 400 450 500 试验值仿真值 频率/Hz (b)Idc=
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