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变压器运行点降低作用论文
变压器运行点降低作用论文 关键词：高压直流输电 变压器 直流偏磁 电路-磁路耦合模型 摘要：当高压直流输电系统采用单极大地回路方式运行时，可能会有部分入地 电流流入中性点接地的电力变压器中， 这将给系统运行和变压器本身带来诸多不 利后果。采用电路-磁路耦合方法， 推导建立了可以考虑负载变化的单相心式变 压器模型， 对偏磁电流造成的变压器工作电流谐波增加等影响进行了详细分析， 并利用解析法对空载条件下的简化变压器模型进行了验证。还比较了由于负载不 同使得变压器处于不同工作点时偏磁电流影响的变化。仿真结果表明， 变压器运 行工作点降低对提高设备耐受直流偏磁干扰的能力有积极的作用。引言 随着 “西电东送、 南北互供、 全国联网” 战略的实施， 近几年来， 天 生桥至广州北郊、 三峡至常州、 三峡至广东、 贵州至广东直流输电工程陆续 建成。
在运行实践中， 当高压直流输电系统采用单极大地回路方式进行电能传 送时， 将会有最高达数千安培的直流电流流入大地。部分直流电流流经中性点 接地的电力变压器等设备， 在交流系统中形成回路， 从而由于直流偏磁效应， 使得电力变压器处于非正常的运行状态中， 最终导致了对设备本身以及所在电 力系统的干扰。如在 2002 年 12 月三峡至常州± 500 kV直流输电系统开始调试 和试运行以来， 常州武南两组500 kV主变压器噪声上升了约 20 dB。2003 年 4 月至 5 月， 在直流输电功率为 1 540 MW， 地中电流达3 320 A的大方式下， 测 量得到 500 kV武南主变压器的中性点直流电流最大值为 10.4 A， 噪声最高达 91.4 dB。此外， 南方电网贵广直流 2004 年 5 月的监测记录表明， 当以 750 MW 单极大地回路方式运行时， 春城站主变压器中性点直流电流达 34.5 A，噪 声为 93.9 dB， 谐波电压总畸变率达 2.1%。由于电力变压器对电力系统安全稳 定运行起着至关重要的作用， 因此国内相关电力运行部门和科研院所针对电力 变压器直流偏磁现象以及所造成的系统影响这一难题， 开展了大量的研究工作， 获得了许多有价值的研究成果。
笔者采用电路-磁路耦合的分析方法，推导建立 了简单交流系统中带有负载的单相双绕组心式电力变压器的数学模型， 并利用 解析法进行了验证。
通过考察该模型在不同幅值的偏磁电流下的表现， 获得了 关于变压器直流偏磁现象机理和所产生影响的定量描述， 分析了由于负载变化 而导致变压器处于不同工作点时所产生的差异。
研究结果可以为今后更进一步 的研究工作提供参考。一、计算原理 电路- 磁路耦合的计算方法通过将反映变压器端口特性和内部电磁场分 布的电路和磁路方程联合求解， 能更准确地反映变压器内在属性特征， 能更好 地满足系统分析的需要。当变压器受到直流偏磁电流干扰时， 在设备内部既存 在交流作用， 又存在直流作用， 变压器铁心极易进入高度饱和状态。
对这一 现象的研究必须综合考虑系统条件和变压器设备的本身特性， 因而利用电路- 磁路耦合的计算方法能获得物理概念更为明晰的分析结果。usys， Rsys， Lsys 和 Udc 分别表示交流系统等值交流电源、阻抗和直流电压源；
变压器原副边绕组 电阻和负载分别用 Rp， Rs 和 RL 来代表。而 ip， is 和 ep， es 则分别代 表原副边绕组电流和感应电势。根据图 1 所示系统电路结构， 可以列写出相关 电路方程见式(1) ：usys= ip( Rsys+Rp) +Lsysdipdt+ dψ pdt- Udc-dψ sdt=is(Rs+RL! ### #" ### # $)( 1)其中：ψ p， ψ s 代表原副边绕组各自所交链的总磁链。图 2 所 示是单相心式变压器的磁路模型， 其中 Rmp，Rms 和 Rmy 分别代表变压器 原副边铁心和上下铁轭磁阻；
Rma 表示两侧漏磁支路磁阻。而 Fp 和 Fs 则分 别表示原副边绕组电流所产生的磁动势;Φi ( i=1， 2， 3)为回路磁通。
结合图 2 所示的磁路模型， 列写相关磁路方程如下：[R(Φ) ][Φ]=[Nm][i] ( 2)其中：[R(Φ) ] 为磁阻矩阵， 各漏磁支路磁阻值可以由变压器短路及空载试验数据获得；
[Φ] 为回路磁通矩阵；
[Nm]， [i]分别为绕组匝数及电流矩阵。利用梯形积分公式将 式(1)转化为：[A][i( t+Δ t) ]=- [Nm]T[Φ( t+Δ t) ]+[S] ( 3)其中：[A]， [S] 是与外 加系统条件或前一时刻各状态量有关的系数矩阵。将式( 2)和式( 3)联立， 就可 以获得以矩阵形式表述的电路-磁路耦合方程：{[R(Φ) ]+[Nm][A]- 1[Nm]T}[Φ( t+Δ t) ]=[Nm][A]- 1[S]由于铁心材料的非线性， 需要利用牛顿- 拉夫 逊法进行迭代求解， 进而最终获得各状态量随时间的变化情况。
二、具体实例分析 三、结语 (1)采用电路- 磁路耦合方法和解析方法， 对空载条件下电力变压器直流 偏磁现象进行分析所得的结果表明， 受到直流偏磁电流干扰的电力变压器励磁 电流峰值会大幅增加， 原有各奇次谐波均有所增强， 而偶次谐波更是大量出现。
(2)在稳态条件下， 变压器直流偏磁电流注入侧产生畸变的工作电流的直流分量 实际上就是自中性点流入的偏磁电流。同时， 由于变压器铁心励磁特性曲线的 非线性， 直流偏磁状态下铁心主磁通的直流分量要小于偏磁电流单独作用时所 产生的直流磁通量。(3)当电力变压器运行于铁心励磁特性曲线上的不同工作点时， 其承受直流偏磁电流干扰的能力会受到一定的影响。
随着运行工作点的降 低， 同样幅值的直流偏磁电流所产生的干扰将会有所减弱。
