自耦變壓器直流偏磁特性仿真與分析

王娟

【摘 要】為分析電網自耦變壓器遭受直流偏磁的影響，本文應用 PSCAD 電磁暫態仿真軟件搭建了自耦變壓器仿真模型，分析了直流偏磁對變壓器勵磁電流、無功功率損耗以及諧波等的影響程度。仿真結果表明了，隨著直流偏磁電流的增加，勵磁電流波形逐漸變為尖頂波且諧波含量較大，同時，無功功率損耗也與直流偏磁電流呈線性關系增加。本文的研究成果可為今后國家大型電力網絡建設提供一定的參考依據。

【關鍵詞】電網；自耦變壓器；直流偏磁；磁滯特性

Analysis and simulation on Autotransformer DC bias property

WANG Juan

（Kun District Sub-bureau， Baotou Power Supply Bureau， Baotou Inner ongolia 014010，China）

【Abstract】In order to analyze the effect of power grid autotransformer suffering from dc bias. The paper sets up the simulation model of autotransformer using electromagnetic transient simulation software of PSCAD and analyzes the influence degree of transformer excitation current， reactive power loss and harmonic etc. suffered from dc bias. The simulation results show that the waveform of field current becomes the spire wave and the content of harmonic becomes more， following with the increase of dc bias current， at the same time， reactive power loss and dc bias current have a linear relationship. The research results of this paper provides certain reference basis for the construction of the future large state power network.

【Key words】Power grid； Autotransformer； DC bias； Hysteresis characteristic

0 引言

直流偏磁是指變壓器的一種非正常工作狀態，即在變壓器勵磁電流中出現了直流分量[1]。引起變壓器直流偏磁的主要因素有高壓直流輸電單極運行和太陽風暴引起的地磁感應電流。單極運行的高壓直流輸電是以大地返回方式運行，接地極電流會通過變壓器中性點流過變壓器繞組產生直流偏磁[2]。由太陽風暴引起的地磁感應電流頻率較低，一般為0.01-0.1Hz之間，相對于工頻電流來說，可以看作為準直流，經變壓器中性點流入電網[3]。GIC本身在電網中流通并不會產生很大危害，GIC衍生的變壓器效應危害更大，如無功損耗、諧波、噪聲等效應，嚴重時可引發電網停電事故，產生國民經濟損失[4]。其中變壓器振動噪聲、發熱等效應屬長期積累效應，在很大的GIC下會導致變壓器一次性損壞。變壓器無功的短期效應明顯，受侵害范圍內變壓器同時受影響，使電網產生無功波動的可能性大，危害電網的安全運行[5]。

隨著特高壓直流輸電工程的建設和發展，因變壓器直流偏磁而引發的不利影響在特高壓輸電工程投運階段及運行中時有發生，迫切需要研究直流偏磁對大型主變的影響及偏磁程度，進而制定相應的改進或抑制措施，確保電網的安全可靠運行。為此，本文通過PSCAD仿真軟件搭建500kV自耦變壓器仿真模型，分析GIC對變壓器勵磁電流、無功功率損耗以及諧波等的影響程度。

1 變壓器直流偏磁分析

正常變壓器由于勵磁電流較為合適，使得變壓器運行在較為穩定的情況下，而當變壓器由于注入了直流電流后，由于直流電流會在變壓器鐵芯中產生一個直流磁通與變壓器原有的勵磁磁通進行疊加是得變壓器鐵芯進入飽和狀態，其產生的直流磁通的大小可用公式表示為：

？漬dc=-∫UGICdt（1）

式中，為地磁感應電流在變壓器中產生的感應電動勢。這樣一來變壓器的勵磁電流由于注入的直流電流而發生畸變如圖1所示。

當變壓器發生直流偏磁之后，由于其存在的直流磁通使得變壓器的鐵心達到飽和的狀態，導致變壓器的勵磁電流發生較大程度的改變，使得勵磁電流的波形呈現為尖頂波的形狀，并便隨有大量的諧波產生，導致變壓器的無功功率損耗大幅度上升，系統電壓發生改變，引起繼電保護元件的錯誤動作，使得整個電力系統處于混亂的狀態。除此之外變壓器直流偏磁之后，由于變壓器的勵磁電流發生嚴重的畸變，使得變壓器繞組以及鐵心過熱，燒毀變壓器的相關元件，引起絕緣老化，機械結構反應遲鈍，直接影響著變壓器的使用壽命甚至可能導致變壓器的毀壞。

而當發生直流偏磁較為嚴重時可能會使得變壓器退出系統的正常運行，使得電力傳輸中斷，產生大規模停電事故，產生難以估量的經濟損失。

2 仿真分析

本文在PSCAD仿真環境下搭建了500kV自耦變壓器仿真模型，詳細參數見文獻[6]。

2.1 勵磁電流分析

通過仿真模型不斷改變注入變壓器的直流電流進行分析計算變壓器勵磁電流和磁通的變化情況來說明引起的偏磁程度，具體見表1所示。

表1所示的數據可以清楚的反映出隨著直流電流值得不斷增加，變壓器的勵磁峰值電流不斷增加，形成明顯的尖頂波，其磁通也隨著直流電流的增加其飽和程度不斷加深。

2.2 諧波分析

變壓器在不同GIC下，其勵磁電流的諧波成分及其總諧波失真分析如表2所示。

從表2可以看出，當直流電流注入變壓器后由于勵磁電流發生畸變會產生大量的諧波，會導致變壓器工作異常，可能引起變壓器發生故障，對電力系統造成一定的損失。

2.3 無功損耗分析

變壓器直流偏磁引起勵磁電流畸變，必然會造成無功功率損耗的增加。然而，注入直流電流會引起變壓器無功功率損耗存在什么樣的關系值得研究，為此，本文通過仿真模型計算出輸入直流電流與變壓器無功損耗的值如表3所示。

從表3可以看出，變壓器的無功功率損耗主要原因是直流電流通過變壓器中性點流入變壓器鐵心后產生相應的直流磁通，這會使得變壓器鐵心向著飽和的方向發展，產生直流偏磁，增加變壓器的無功功率損耗。而直流磁通又會在變壓器勵磁電流中感應出相應的直流勵磁電流分量，使得變壓器飽和近一步加劇再一次加劇鐵心的飽和程度，使得鐵心電抗增加，變壓器無功損耗也隨之增加。

3 結論

通過對變壓器在直流偏磁下的勵磁電流、諧波成分以及無功功率損耗的分析和仿真可以得出如下結論：

變壓器的勵磁電流會在某一個方向產生飽和，使得勵磁電流波形產生半波飽和的現象，使得變壓器運行點發生變化，影響電力系統的正常運行；

變壓器中會產生大量諧波，使得變壓器頻率發生波動，變壓器損耗增加，變壓器運行不正常最終引起變壓器故障；

變壓器在遭受直流偏磁后其無功功率損耗會急劇增加，會引起局部節點電壓偏低，嚴重時會促使電力系統電壓失穩，甚至會造成電力系統電壓崩潰，導致大面積停電事故發生。

【參考文獻】

[1]苑舜，王天施.電力變壓器直流偏磁研究綜述[J].高壓電器，2010，46（3）：83-87.

[2]鐘連宏，陸培均.直流接地極電流對中性點直接接地變壓器的影響[J].高電壓技術，2003，29（8）：12-13.

[3]劉連光，劉春明，張冰，等.中國廣東電網的幾次強進暴影響事件[J].地球物理學報，2008，51（4）：976-981.

[4]Albertson V D，Thorson J M，Clayton R E，et al. Solar-induced-currents in power systems： cause and effects[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1973（2）：471-477.

[5]Girgis R， Vedante K. Effects of GIC on power transformers and power systems[C].Transmission and Distribution Conference and Exposition（T&D）， 2012 IEEE PES，2012：1-8.

[6]楊曉輝，王豐華，段若晨，等.500kV電力變壓器直流偏磁耐受性能的仿真研究[J].電力系統保護與控制，2014（42）：60-66.

[責任編輯：王楠]