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試驗與仿真研究回顧直接輸電壓的運行方法有兩種：單極和雙極。當極中的第一個極損壞或運行時，大型直流通過地下能源系統(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，附近通信系統(tǒng)接地極的電位遠離無界區(qū)域。此時，交流接地系統(tǒng)侵入了交流系統(tǒng)。例如通過變壓器中性點接地極進入變壓器繞組，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)的構成及參數(shù)因素有關外，還與電流流經(jīng)的土壤電阻率密切相關，電阻率越高的地方更容易形成高的電位差，相應地入侵到交流系統(tǒng)的直流電流越大。國內文獻就交直流混合輸電所產(chǎn)生的問題進行了一些研究和探討；就抑制中性點提出了一些措施；其中對變壓器的影響也有一些專題研究。國外就地磁感應電流所引起的變壓器直流偏磁也進行了一些理論和試驗研究。試驗表明三相組式(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雜性，某些試驗得出的結論在理論計算中并沒有得到精確的解釋，而有的理論上所研究的很難在試驗中得到驗證。為研究實際的電力系統(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，本文將試驗與仿真結合起來對單相變壓器直流偏磁問題進行了研究。試驗對單相變壓器開路、低功率三相四線制對稱負載、低功率三相四線制不對稱負載、低功率三相三線制不對稱負載(相當于負載三角形連接)、額定功率下三相四線制對稱負載5種運行情況下變壓器的一次繞組電流和電壓，二次繞組電壓進行了測量。將測量數(shù)據(jù)進行了處理，并對試驗變壓器直流偏磁進行仿真。1變壓器非線性特性試驗儀器主要有三相電源；六個結構和銘牌參數(shù)相同的單相雙柱變壓器；示波器；數(shù)字萬用表；直流電源等。變壓器主要參數(shù)如下：額定容量為2kW；電壓等級為1000/220V；一次與二次繞組的匝數(shù)比為為288/132ㄢ為將試驗與計算結合起來，首先對2組三相組式變壓器的非線性特性進行了測量，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為測量的6個變壓器非線性曲線，可以看出除了第2組第2臺變壓器的非線性曲線稍有不同外，其余5臺變壓器的非線性曲線相當吻合。2直流壓試和側磁強試驗2.1變壓器靜態(tài)特性試驗電路為三相電源通過三相輸電線進入3個單相雙柱升壓變壓器組成的三相組式變壓器，經(jīng)過三相傳輸線進入相同的3個單相雙柱降壓變壓器組成的三相組式變壓器，最后到達負載。試驗電路如圖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臺變壓器的非線性特性以及其它的特性基本一致，在進行開路試驗中，本實驗對第2組三相變壓器中的其中一個變壓器(第2組第3臺)進行了空載電流的測量，這時R1=R2=R3=0。圖3為3種直流入侵下的空載電流在5個周期內的波形，隨著直流電流的增加，空載電流正向峰值迅速增加，波形畸變嚴重。直流電流增加10倍，空載電流峰值增加5.1倍。對圖3的空載電流進行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，低次諧波增長明顯，高次諧波基本沒有變化。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。直流電流較小(<0.03A)時，峰值與諧波幅值隨直流電流的增加沒有規(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。同時空載電流的低次諧波隨直流的增長基本均表現(xiàn)為直線上升的趨勢。諧波次數(shù)越低，增長速度越快。隨著直流電流的增加，高次諧波也越來越表現(xiàn)為直線增長的趨勢。2.2次串聯(lián)電流的特性試驗電路如圖2所示，R1,R2,R3分別是功率為25W的3個燈泡等等效電阻。三相對稱，只對其中一相(C相)進行了測量。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。由于負載功率較小，一次繞組電流與勵磁電流具有可比性，在直流入侵后，電流畸變仍然是很嚴重的。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，電流峰值和各次諧波增加無規(guī)律，當直流電流繼續(xù)增大時。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。將圖14與圖10進行比較，可以看出1次、2次諧波幅值增加的速度與比開路稍大。但3次、4次增加的速度比開路要小。變壓器負載下峰值隨直流增長的速度稍有下降。2.3在不對稱負荷的情況下，變量的直接偏移試驗2.3.1直流電流對c相試驗如圖2所示，改變三相負載，A、B、C三相負載分別為2個25W燈泡串聯(lián)、2個25W燈泡并聯(lián)和1個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線連接在兩組變壓器之間，由于6臺變壓器線圈的等效電阻稍有不同，且整個回路的電阻不超過2?，因此在中性點通以直流后，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時，三相直流電流的分配曲線。直流電流很小時，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)了直流入侵導致的一次繞組電壓的變化?？梢钥吹诫妷合辔怀霈F(xiàn)輕微移動，峰值稍微變小。圖12(a)為無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為B-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)超過了B相，原因在于C相的入侵直流電流比例在進一步加大。因此直流電流的分配不均導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。變化規(guī)律與空載電流各次諧波隨時間的變化規(guī)律是一致的。2.3.2變壓器負載端三相直流電流試驗結果分析根據(jù)圖2，將負載的中性線去掉，這樣形成三相三線制的負載連接。負載大小同2.3.1。圖14顯示了同一時刻三相直流電流的分配比例。圖15、圖16分別為無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得出結論：變壓器負載端三相四線制和三相三線制對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。這說明，相同負荷下三相三線制比三相四線制更容易直流偏磁。2.4次舉升機構同負載功率的關系將圖2中低功率負載改為3個額定功率的負載Y0連接，這時變壓器工作在額定功率負載下。從前面的試驗可以看出一次繞組的畸變是由于勵磁電流的畸變導致的。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。變壓器額定負載運行下，額定電流遠大于勵磁電流，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規(guī)律與前面兩種情況基本相同。由于額定電流比勵磁電流要大得多，所以變壓器相同的直流偏磁下，額定功率運行下的一次繞組電流畸變并沒有低功率運行下一次繞組電流的畸變明顯，但它們的諧波增長規(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試驗模型的計算3.1磁滯回線的確定變壓器的直流偏磁問題來源于變壓器的非線性磁滯回線。圖1是已經(jīng)測量了變壓器的非線性單值曲線，由于沒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，變壓器鐵心的工作磁密變大，用試驗測量的非線性單值曲線來進行模擬計算顯然是不夠的。本文利用磁滯回線與勵磁電流的關系來確定鐵心的磁滯回線。在此基礎上進行直流偏磁的計算。利用建立在Jiles-Atherton理論基礎之上的磁滯回線理論，通過改變5個相應的參數(shù)，可實現(xiàn)不同的非線性磁滯回線形狀。通過仿真計算，結合試驗的鐵心非線性曲線，找到與測量的勵磁電流相同波形的計算勵磁電流波形，從而確定計算所用的磁滯回線即為測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為所對應的3個勵磁電流波形。從5種磁滯回線及相對應的勵磁電流波形可以看出，回線面積越小，勵磁電流峰值越尖銳。3.2在直接試驗變量磁體下進行模擬計算3.2.1仿真結果和分析根據(jù)3.1節(jié)所述的方法，本文在試驗勵磁電流波形的基礎上，通過仿真磁滯回線參數(shù)的改變，使仿真勵磁電流波形與試驗勵磁電流基本一致，以得到變壓器的磁滯回線。圖21為仿真勵磁電流波形所對應的鐵心磁滯回線。從圖22可看到仿真和試驗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磁電流仿真波形和試驗波形的擬合。隨著直流電流的增加，變壓器的偏磁程度越來越嚴重，磁滯回線的兩回線將越來越靠近，趨向非線性單值曲線。相對應的勵磁電流峰值越來越尖銳。諧波分布也越來越豐富。仿真和試驗波形吻合較好。3.2.2次串聯(lián)二次網(wǎng)絡參數(shù)的仿真模型在變壓器二次繞組端接上額定負載，這時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，通過仿真得到其勵磁電流和一次繞組電流的時間曲線的變化。圖25是無直流和直流為0.25A下的勵磁電流，相對應地，圖26是無直流和直流為0.25A下的一次繞組電流。勵磁電流嚴重畸變，一次繞組電流出現(xiàn)偏移，與圖17的試驗結果吻合。在仿真中，將直流偏磁下的一次繞組電流波形與無直流偏磁下的勵磁電流波形相減，得到一個與無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。同時說明，變壓器直流偏磁對變壓器負載端基本沒有影響，一次繞組電流近似為二次繞組電流與勵磁電流的疊加，因此在二次繞組不受直流偏磁影響情況下，變壓器直流偏磁導致一次繞組電流畸變實際是勵磁電流的畸變。文中通過利用建立在Jiles-Atherton理論基礎之上的非線性變壓器鐵心模型，對試驗變壓器開路和額定負載下的直流偏磁問題進行了仿真，仿真結果與試驗結果吻合良好。這證實了仿真模型的有效性。針對不同的變壓器，只需了解變壓器的有關參數(shù)，如變壓器容量、電壓等級、匝數(shù)比、非線性特性、等效磁路長和鐵心面積等就可對其直流偏磁問題進行仿真研究。4次串聯(lián)電流的特性(1）直流入侵單相變壓器導致變壓器空載電流嚴重畸變，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載運行下，一次繞組電流與勵磁電流具有可比性，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。一次繞組電流在基礎值大于空載電流情況下，其隨直流電流增加線性增加。(3）三相不對稱負載運行下，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刻偏磁最嚴重，繞組電流峰值和諧波最大。(4）相同負荷下三相