直流偏磁下變壓器磁滯回線的研究

直流偏磁下變壓器磁滯回線的研究

0試驗(yàn)與仿真研究回顧直接輸電壓的運(yùn)行方法有兩種：?jiǎn)螛O和雙極。當(dāng)極中的第一個(gè)極損壞或運(yùn)行時(shí)，大型直流通過(guò)地下能源系統(tǒng)的接地極流入大地。地下能源直接流在地下能源表面。同時(shí)，附近通信系統(tǒng)接地極的電位遠(yuǎn)離無(wú)界區(qū)域。此時(shí)，交流接地系統(tǒng)侵入了交流系統(tǒng)。例如通過(guò)變壓器中性點(diǎn)接地極進(jìn)入變壓器繞組，在變壓器繞組形成直流電流。侵入到交流系統(tǒng)的直流電流的大小除了與換流站與變電所的距離、交流電網(wǎng)的構(gòu)成及參數(shù)因素有關(guān)外，還與電流流經(jīng)的土壤電阻率密切相關(guān)，電阻率越高的地方更容易形成高的電位差，相應(yīng)地入侵到交流系統(tǒng)的直流電流越大。國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)就交直流混合輸電所產(chǎn)生的問(wèn)題進(jìn)行了一些研究和探討；就抑制中性點(diǎn)提出了一些措施；其中對(duì)變壓器的影響也有一些專題研究。國(guó)外就地磁感應(yīng)電流所引起的變壓器直流偏磁也進(jìn)行了一些理論和試驗(yàn)研究。試驗(yàn)表明三相組式(單相)變壓器的直流偏磁最為突出。由于變壓器非線性磁滯回線的復(fù)雜性，某些試驗(yàn)得出的結(jié)論在理論計(jì)算中并沒(méi)有得到精確的解釋，而有的理論上所研究的很難在試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。為研究實(shí)際的電力系統(tǒng)遭遇直流電流的入侵所產(chǎn)生的變壓器直流偏磁及其規(guī)律，本文將試驗(yàn)與仿真結(jié)合起來(lái)對(duì)單相變壓器直流偏磁問(wèn)題進(jìn)行了研究。試驗(yàn)對(duì)單相變壓器開(kāi)路、低功率三相四線制對(duì)稱負(fù)載、低功率三相四線制不對(duì)稱負(fù)載、低功率三相三線制不對(duì)稱負(fù)載(相當(dāng)于負(fù)載三角形連接)、額定功率下三相四線制對(duì)稱負(fù)載5種運(yùn)行情況下變壓器的一次繞組電流和電壓，二次繞組電壓進(jìn)行了測(cè)量。將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，并對(duì)試驗(yàn)變壓器直流偏磁進(jìn)行仿真。1變壓器非線性特性試驗(yàn)儀器主要有三相電源；六個(gè)結(jié)構(gòu)和銘牌參數(shù)相同的單相雙柱變壓器；示波器；數(shù)字萬(wàn)用表；直流電源等。變壓器主要參數(shù)如下：額定容量為2kW；電壓等級(jí)為1000/220V；一次與二次繞組的匝數(shù)比為為288/132ㄢ為將試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)合起來(lái)，首先對(duì)2組三相組式變壓器的非線性特性進(jìn)行了測(cè)量，變壓器1、2、3組成第一組三相變壓器；變壓器4、5、6組成第二組三相變壓器。圖1為測(cè)量的6個(gè)變壓器非線性曲線，可以看出除了第2組第2臺(tái)變壓器的非線性曲線稍有不同外，其余5臺(tái)變壓器的非線性曲線相當(dāng)吻合。2直流壓試和側(cè)磁強(qiáng)試驗(yàn)2.1變壓器靜態(tài)特性試驗(yàn)電路為三相電源通過(guò)三相輸電線進(jìn)入3個(gè)單相雙柱升壓變壓器組成的三相組式變壓器，經(jīng)過(guò)三相傳輸線進(jìn)入相同的3個(gè)單相雙柱降壓變壓器組成的三相組式變壓器，最后到達(dá)負(fù)載。試驗(yàn)電路如圖2所示。圖中us1,us2,us3分別為三相電源電壓，Zs1,Zs2,Zs3分別為三相電源阻抗，Z1,Z2,Z3分別是三相輸線的等效阻抗?？紤]到6臺(tái)變壓器的非線性特性以及其它的特性基本一致，在進(jìn)行開(kāi)路試驗(yàn)中，本實(shí)驗(yàn)對(duì)第2組三相變壓器中的其中一個(gè)變壓器(第2組第3臺(tái))進(jìn)行了空載電流的測(cè)量，這時(shí)R1=R2=R3=0。圖3為3種直流入侵下的空載電流在5個(gè)周期內(nèi)的波形，隨著直流電流的增加，空載電流正向峰值迅速增加，波形畸變嚴(yán)重。直流電流增加10倍，空載電流峰值增加5.1倍。對(duì)圖3的空載電流進(jìn)行FFT，得到圖4的直流偏磁空載電流的諧波分布(零次諧波為直流分量)。隨著直流電流的增加，低次諧波增長(zhǎng)明顯，高次諧波基本沒(méi)有變化。直流電流增加10倍，1次、2次和3次諧波分別增加了4.8、6.1和2.6倍。圖5、圖6分別為空載電流峰值和各低次諧波隨直流電流的變化趨勢(shì)。直流電流較小(<0.03A)時(shí)，峰值與諧波幅值隨直流電流的增加沒(méi)有規(guī)律；直流電流繼續(xù)增大，空載電流峰值隨直流呈現(xiàn)直線上升的趨勢(shì)。同時(shí)空載電流的低次諧波隨直流的增長(zhǎng)基本均表現(xiàn)為直線上升的趨勢(shì)。諧波次數(shù)越低，增長(zhǎng)速度越快。隨著直流電流的增加，高次諧波也越來(lái)越表現(xiàn)為直線增長(zhǎng)的趨勢(shì)。2.2次串聯(lián)電流的特性試驗(yàn)電路如圖2所示，R1,R2,R3分別是功率為25W的3個(gè)燈泡等等效電阻。三相對(duì)稱，只對(duì)其中一相(C相)進(jìn)行了測(cè)量。圖7為入侵直流電流分別為0.002、0.028和0.236A一次繞組電流的波形。由于負(fù)載功率較小，一次繞組電流與勵(lì)磁電流具有可比性，在直流入侵后，電流畸變?nèi)匀皇呛車?yán)重的。圖8和圖9分別為一次繞組電流峰值和各次諧波隨直流電流的變化曲線。直流電流小于0.09A時(shí)，電流峰值和各次諧波增加無(wú)規(guī)律，當(dāng)直流電流繼續(xù)增大時(shí)。繞組電流峰值與各次諧波的幅值隨直流電流的變化規(guī)律仍然顯示直線上升趨勢(shì)。將圖14與圖10進(jìn)行比較，可以看出1次、2次諧波幅值增加的速度與比開(kāi)路稍大。但3次、4次增加的速度比開(kāi)路要小。變壓器負(fù)載下峰值隨直流增長(zhǎng)的速度稍有下降。2.3在不對(duì)稱負(fù)荷的情況下，變量的直接偏移試驗(yàn)2.3.1直流電流對(duì)c相試驗(yàn)如圖2所示，改變?nèi)嘭?fù)載，A、B、C三相負(fù)載分別為2個(gè)25W燈泡串聯(lián)、2個(gè)25W燈泡并聯(lián)和1個(gè)25W的燈泡。為了盡量使每相的直流電流入侵大小基本相同，采用等效電阻基本是相同的三根導(dǎo)線連接在兩組變壓器之間，由于6臺(tái)變壓器線圈的等效電阻稍有不同，且整個(gè)回路的電阻不超過(guò)2?，因此在中性點(diǎn)通以直流后，三相的入侵直流電流并不完全相同。圖10是7次不同直流入侵試驗(yàn)時(shí)，三相直流電流的分配曲線。直流電流很小時(shí)，直流在三相中基本是平均分配，隨著直流電流增加，三相中的直流分配越來(lái)越不平衡。C相直流電流的分配比例明顯大于A和B相。圖11表現(xiàn)了直流入侵導(dǎo)致的一次繞組電壓的變化。可以看到電壓相位出現(xiàn)輕微移動(dòng)，峰值稍微變小。圖12(a)為無(wú)直流入侵下的一次繞組的三相電流，三相功率大小排列為B-C-A，一次繞組電流峰值大小的順序?yàn)锽-C-A。圖12(b)為直流入侵后三相一次繞組電流，A、B、C三相入侵電流分別為0.34A、0.37A和0.46A。雖然B相無(wú)直流下的一次繞組電流最大，但直流入侵后C相的各次諧波已經(jīng)超過(guò)了B相，原因在于C相的入侵直流電流比例在進(jìn)一步加大。因此直流電流的分配不均導(dǎo)致三相直流偏磁的程度不同。圖13分別是三相一次繞組的各次諧波隨直流電流的變化曲線。均表現(xiàn)為隨直流直線上升的趨勢(shì)。變化規(guī)律與空載電流各次諧波隨時(shí)間的變化規(guī)律是一致的。2.3.2變壓器負(fù)載端三相直流電流試驗(yàn)結(jié)果分析根據(jù)圖2，將負(fù)載的中性線去掉，這樣形成三相三線制的負(fù)載連接。負(fù)載大小同2.3.1。圖14顯示了同一時(shí)刻三相直流電流的分配比例。圖15、圖16分別為無(wú)和有直流電流下的三相一次繞組電流及諧波分布。三相四線制和三相三相制試驗(yàn)得出結(jié)論：變壓器負(fù)載端三相四線制和三相三線制對(duì)直流電流的分配有一定的影響。三相四線制和三相三線制中，C相均表現(xiàn)為直流分配比例最大，所以C相的諧波始終是最大的。A、B兩相的直流電流的分配比例在2種情況下發(fā)生了變化。三相四線制中的B相直流電流分配稍大于A相，則B相除一次諧波外的其它諧波含量比A相稍大。三相三線制中A相直流電流大于B相直流電流，則A相中除一次諧波外的其它次諧波次數(shù)幅值均比B相大，A相一次繞組電流THD值比B相大。三相三線制入侵的直流電流大約為三相四線制的1/2，但2種情況的直流偏磁程度卻是相近的。這說(shuō)明，相同負(fù)荷下三相三線制比三相四線制更容易直流偏磁。2.4次舉升機(jī)構(gòu)同負(fù)載功率的關(guān)系將圖2中低功率負(fù)載改為3個(gè)額定功率的負(fù)載Y0連接，這時(shí)變壓器工作在額定功率負(fù)載下。從前面的試驗(yàn)可以看出一次繞組的畸變是由于勵(lì)磁電流的畸變導(dǎo)致的。在一次繞組電流較小的情況下，變壓器直流偏磁后使一次繞組電流畸變比較明顯。變壓器額定負(fù)載運(yùn)行下，額定電流遠(yuǎn)大于勵(lì)磁電流，即便變壓器直流偏磁，一次繞組電流的畸變并不很明顯。三相基本對(duì)稱，圖17為其中一相(C相)的一次繞組電流在不同直流入侵下的波形變化。在3種直流入侵下一次繞組電流的變化情況額定功率下的變壓器直流偏磁下的一次繞組電流諧波增長(zhǎng)規(guī)律與前面兩種情況基本相同。由于額定電流比勵(lì)磁電流要大得多，所以變壓器相同的直流偏磁下，額定功率運(yùn)行下的一次繞組電流畸變并沒(méi)有低功率運(yùn)行下一次繞組電流的畸變明顯，但它們的諧波增長(zhǎng)規(guī)律是相似的。圖18所示為一次繞組電流低次諧波隨直流電流的變化曲線，隨著變壓器負(fù)載功率的增加，1次、3次等奇次諧波隨直流電流的增加而增加的速度下降。偶次諧波基本不變。3試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠?jì)算3.1磁滯回線的確定變壓器的直流偏磁問(wèn)題來(lái)源于變壓器的非線性磁滯回線。圖1是已經(jīng)測(cè)量了變壓器的非線性單值曲線，由于沒(méi)有確知工作下的磁滯回線的剩磁和矯頑力，還不能確定變壓器鐵心的磁滯回線。隨著直流偏磁程度的加強(qiáng)，變壓器鐵心的工作磁密變大，用試驗(yàn)測(cè)量的非線性單值曲線來(lái)進(jìn)行模擬計(jì)算顯然是不夠的。本文利用磁滯回線與勵(lì)磁電流的關(guān)系來(lái)確定鐵心的磁滯回線。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行直流偏磁的計(jì)算。利用建立在Jiles-Atherton理論基礎(chǔ)之上的磁滯回線理論，通過(guò)改變5個(gè)相應(yīng)的參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)不同的非線性磁滯回線形狀。通過(guò)仿真計(jì)算，結(jié)合試驗(yàn)的鐵心非線性曲線，找到與測(cè)量的勵(lì)磁電流相同波形的計(jì)算勵(lì)磁電流波形，從而確定計(jì)算所用的磁滯回線即為測(cè)量變壓器鐵心的磁滯回線。圖19為不同回線面積(不同剩磁和矯頑力)下的磁滯回線。圖20為所對(duì)應(yīng)的3個(gè)勵(lì)磁電流波形。從5種磁滯回線及相對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流波形可以看出，回線面積越小，勵(lì)磁電流峰值越尖銳。3.2在直接試驗(yàn)變量磁體下進(jìn)行模擬計(jì)算3.2.1仿真結(jié)果和分析根據(jù)3.1節(jié)所述的方法，本文在試驗(yàn)勵(lì)磁電流波形的基礎(chǔ)上，通過(guò)仿真磁滯回線參數(shù)的改變，使仿真勵(lì)磁電流波形與試驗(yàn)勵(lì)磁電流基本一致，以得到變壓器的磁滯回線。圖21為仿真勵(lì)磁電流波形所對(duì)應(yīng)的鐵心磁滯回線。從圖22可看到仿真和試驗(yàn)2種波形總體上吻合較好。圖23為不同直流電流下的偏磁的磁滯回線，圖24為不同直直流入侵下的勵(lì)磁電流仿真波形和試驗(yàn)波形的擬合。隨著直流電流的增加，變壓器的偏磁程度越來(lái)越嚴(yán)重，磁滯回線的兩回線將越來(lái)越靠近，趨向非線性單值曲線。相對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流峰值越來(lái)越尖銳。諧波分布也越來(lái)越豐富。仿真和試驗(yàn)波形吻合較好。3.2.2次串聯(lián)二次網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的仿真模型在變壓器二次繞組端接上額定負(fù)載，這時(shí)一次繞組的額定電流峰值為1.8A，分別在一次繞組中注入0A、0.25A的直流電流，通過(guò)仿真得到其勵(lì)磁電流和一次繞組電流的時(shí)間曲線的變化。圖25是無(wú)直流和直流為0.25A下的勵(lì)磁電流，相對(duì)應(yīng)地，圖26是無(wú)直流和直流為0.25A下的一次繞組電流。勵(lì)磁電流嚴(yán)重畸變，一次繞組電流出現(xiàn)偏移，與圖17的試驗(yàn)結(jié)果吻合。在仿真中，將直流偏磁下的一次繞組電流波形與無(wú)直流偏磁下的勵(lì)磁電流波形相減，得到一個(gè)與無(wú)直流偏磁下一次繞組電流完全相同的波形。從變壓器等效電路圖中已經(jīng)得到解釋。同時(shí)說(shuō)明，變壓器直流偏磁對(duì)變壓器負(fù)載端基本沒(méi)有影響，一次繞組電流近似為二次繞組電流與勵(lì)磁電流的疊加，因此在二次繞組不受直流偏磁影響情況下，變壓器直流偏磁導(dǎo)致一次繞組電流畸變實(shí)際是勵(lì)磁電流的畸變。文中通過(guò)利用建立在Jiles-Atherton理論基礎(chǔ)之上的非線性變壓器鐵心模型，對(duì)試驗(yàn)變壓器開(kāi)路和額定負(fù)載下的直流偏磁問(wèn)題進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。這證實(shí)了仿真模型的有效性。針對(duì)不同的變壓器，只需了解變壓器的有關(guān)參數(shù)，如變壓器容量、電壓等級(jí)、匝數(shù)比、非線性特性、等效磁路長(zhǎng)和鐵心面積等就可對(duì)其直流偏磁問(wèn)題進(jìn)行仿真研究。4次串聯(lián)電流的特性(1）直流入侵單相變壓器導(dǎo)致變壓器空載電流嚴(yán)重畸變，空載電流峰值與各次諧波隨直流電流的增加基本上直線上升。諧波次數(shù)越低，增加越快。各次諧波相位也隨入侵直流電流的變化而變化。(2）單相變壓器低功率負(fù)載運(yùn)行下，一次繞組電流與勵(lì)磁電流具有可比性，直流入侵變壓器，一次繞組電流出現(xiàn)嚴(yán)重畸變。峰值和各次諧波分量的幅值隨直流電流增加表現(xiàn)為直線上升的趨勢(shì)。一次繞組電流在基礎(chǔ)值大于空載電流情況下，其隨直流電流增加線性增加。(3）三相不對(duì)稱負(fù)載運(yùn)行下，直流電壓產(chǎn)生的直流電流在三相中的分配不均勻。由于直流分配不均，直流電流大的一相在同一時(shí)刻偏磁最嚴(yán)重，繞組電流峰值和諧波最大。(4）相同負(fù)荷下三相