大型電力變壓器直流偏磁現(xiàn)象分析

王海姣++高自偉++孫海明

摘 要：隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力業(yè)也得到了較快的發(fā)展，進(jìn)而大型電力變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象也屢見不鮮。而大型的電力變壓器經(jīng)常出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象就會(huì)在一定程度上影響變壓器運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，進(jìn)而就會(huì)影響變壓器的正常使用。因此，我們應(yīng)加強(qiáng)研究與分析大型電力變壓器直流偏磁現(xiàn)象，進(jìn)而有效地找到變壓器出現(xiàn)此種現(xiàn)象的原因，從而有效地避免變壓器出現(xiàn)此種現(xiàn)象。本文就針對(duì)大型電力變壓器直流偏磁現(xiàn)象進(jìn)行具體的分析與討論。

關(guān)鍵詞：大型變壓器；電力變壓器；直流偏磁；現(xiàn)象分析

中圖分類號(hào)：TM41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

直流偏磁現(xiàn)象的產(chǎn)生與變壓器接地中性點(diǎn)存在的直流電位差有關(guān)。其中，直流偏磁使變壓器會(huì)激勵(lì)電流中產(chǎn)生諧波，諧波的產(chǎn)生會(huì)使變壓器產(chǎn)生大量的無(wú)用功，造成消耗的增加，同時(shí)會(huì)對(duì)繼電器形成錯(cuò)誤保護(hù)，這樣就在一定程度上影響了大型變壓器運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。因此，我們應(yīng)不斷地分析大型變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象的原因，進(jìn)而不斷地提高變壓器的運(yùn)行效率。

1.變壓器直流偏磁的來(lái)源

只有了解了變壓器直流偏磁的具體來(lái)源，并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行具體分析，才能有效地避免大型變壓器出現(xiàn)直流偏磁的現(xiàn)象，進(jìn)而才能保證大型變壓器的有效使用，確保其正常工作。現(xiàn)對(duì)變壓器直流偏磁的來(lái)源進(jìn)行有效分析，希望能為相關(guān)工作者提供一定的借鑒。

1.1 直流輸電產(chǎn)生的地中電流

在對(duì)電流進(jìn)行長(zhǎng)距離輸送的過(guò)程中，如果使用直流輸電技術(shù)，能夠提升電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，確保電力輸送的穩(wěn)定。由于直流輸電技術(shù)其自身具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，因此，其在我國(guó)備受青睞，并得到了廣泛應(yīng)用。但是，直流輸電工程是以地表水和海水作為運(yùn)行回路，在這個(gè)過(guò)程中，高達(dá)幾千安倍的電流直接接地極注入大地，進(jìn)而就會(huì)在一定程度上對(duì)接地極自身以及周圍的設(shè)施產(chǎn)生一定的負(fù)面作用。與此同時(shí)，較大的電流會(huì)引起接地極周圍變電站接地網(wǎng)地電位發(fā)生改變，從而就會(huì)在某種程度上引起變壓器出現(xiàn)直流偏磁的現(xiàn)象，進(jìn)而會(huì)引起變壓器的磁飽和，使變壓器產(chǎn)生強(qiáng)大的振動(dòng)，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲污染，給人們的生活造成很大的影響。

1.2 磁暴產(chǎn)生的地磁感應(yīng)現(xiàn)象

變壓器直流偏磁的另一個(gè)主要來(lái)源就是磁暴產(chǎn)生的地磁感應(yīng)現(xiàn)象。太陽(yáng)表面的黑子等物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生風(fēng)能和射線流，這些生成物會(huì)共同對(duì)地球產(chǎn)生碰撞，從而出現(xiàn)磁暴，進(jìn)而使得變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象。其中，以太陽(yáng)風(fēng)引起的地磁暴危害最大，一旦產(chǎn)生地磁暴，極電流會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)，同時(shí)受到擾動(dòng)的地磁場(chǎng)會(huì)與其形成可變磁場(chǎng)，地球是一個(gè)導(dǎo)體，因此，就會(huì)在很大程度上導(dǎo)致變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象。

2.直流偏磁對(duì)變壓器勵(lì)磁電流的影響

一旦變壓器出現(xiàn)直流偏磁的現(xiàn)象，就會(huì)在一定程度上影響變壓器的勵(lì)磁電流。下面，就針對(duì)直流偏磁對(duì)變壓器勵(lì)磁電流的影響展開具體的分析與討論。

2.1 變壓器直流偏磁的機(jī)理分析

直流偏磁現(xiàn)象說(shuō)明變壓器處于一種不正常的狀態(tài)。由于某種原因使得變壓器組中產(chǎn)生了直流分量，造成變壓器的鐵芯中含有直流磁勢(shì)或直流磁通，從而就會(huì)引起一系列的電磁效應(yīng)。此外，偶次諧波會(huì)導(dǎo)致在勵(lì)磁電流中產(chǎn)生正半周尖頂波，一旦直流偏磁電流變大時(shí)，正半周尖頂波的振幅隨之增大。因此，勵(lì)磁電流的大小不僅與變壓器的設(shè)計(jì)有密切的關(guān)系，同時(shí)與直流電流的大小密不可分。

2.2 二維非線性場(chǎng)路耦合有限元法

場(chǎng)路耦合指的是變壓器中的線圈，對(duì)其處理遵循“微分”觀點(diǎn)或“場(chǎng)的原則，然后再通過(guò)有限元計(jì)算的一種處理方式。其中，直流偏磁對(duì)變壓器的空載運(yùn)行性能有一定的影響。

2.3 不同直流偏磁下鐵心工作狀態(tài)的改變

變壓器的鐵心會(huì)由于直流電流在變壓器中的作用而產(chǎn)生相應(yīng)的直流磁通。其中，當(dāng)直流磁通與交流磁通相互疊加產(chǎn)生作用時(shí)，會(huì)造成磁通在正常的工作狀態(tài)下發(fā)生上移，導(dǎo)致鐵心會(huì)在正半周上部發(fā)生飽和現(xiàn)象，勵(lì)磁電流會(huì)在此項(xiàng)的作用下出現(xiàn)變形，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的奇次諧波和偶次諧波。除此之外，不同的直流偏磁量會(huì)直接影響到對(duì)鐵心的飽和程度。

3.直流偏磁對(duì)變壓器損耗的影響

通過(guò)對(duì)直流偏磁對(duì)變壓器損耗產(chǎn)生影響的了解，可在一定程度上有效的避免大型電力變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象，進(jìn)而也就提高了變壓器運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。下面，就針對(duì)直流偏磁對(duì)變壓器損耗所產(chǎn)生的影響展開具體的分析與討論。

3.1 漏磁場(chǎng)的類型

變壓器的運(yùn)行狀態(tài)可以分為兩種，分別是穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)。其中變壓器的運(yùn)行穩(wěn)態(tài)就是指正常的對(duì)稱運(yùn)行和不對(duì)稱運(yùn)行，而變壓器的暫態(tài)運(yùn)行指的是當(dāng)變壓器空載合閘時(shí)，在此過(guò)程中可能會(huì)造成線路出現(xiàn)短路所出現(xiàn)的暫態(tài)短路電流現(xiàn)象。此外，當(dāng)變壓器的各繞組及其金屬構(gòu)件處于一定的漏磁場(chǎng)中，就會(huì)產(chǎn)生一定的渦流現(xiàn)象。渦流現(xiàn)象會(huì)造成電流密度的不均勻，這主要與橫截面的分布不均勻密切相關(guān)。交變電流如果在界面中的分布不均勻，會(huì)造成電路中電阻比通過(guò)直流電流時(shí)的電阻大的情況。

3.2 直流偏磁對(duì)變壓器漏磁場(chǎng)的影響

3.2.1 二維漏磁場(chǎng)分析

當(dāng)沒有一定的偏磁電流時(shí)，變壓器的漏磁場(chǎng)存在于繞組和繞組之間的絕緣部分。當(dāng)磁場(chǎng)中存在較少的磁力線通過(guò)時(shí)，不同電流強(qiáng)度的偏磁電流，其漏磁場(chǎng)的分布就不同。譬如：當(dāng)偏磁電流為5A時(shí)，漏磁場(chǎng)在壓板的分布較為明顯。而當(dāng)偏磁電流為10A的時(shí)候，磁力線會(huì)通過(guò)各個(gè)金屬構(gòu)件，磁力線的密度與電流的強(qiáng)度呈現(xiàn)正比例關(guān)系。

3.2.2 三維模型漏磁磁密分布

實(shí)際的變壓器鐵心和箱壁在空間結(jié)構(gòu)上并不是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)的，所以，二維或者軸對(duì)稱模型的相似性只是適用于某個(gè)部分而非整體。因此，我們需要對(duì)三維漏磁場(chǎng)進(jìn)行深入分析。經(jīng)分析可得：當(dāng)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電流的增加會(huì)造成各個(gè)金屬構(gòu)件漏磁的磁密值大幅度的增加。

3.2.3 漏磁場(chǎng)引起的損耗效應(yīng)與熱效應(yīng)分析

如果變壓器繞組的導(dǎo)體存在于某個(gè)漏磁場(chǎng)中，在這個(gè)磁場(chǎng)中便會(huì)出現(xiàn)渦流損耗的現(xiàn)象，造成電流密度會(huì)由于導(dǎo)線橫截面分布不均而出現(xiàn)不均勻的情況。與此同時(shí)，由于鐵心疊片的特殊性質(zhì)，只有疊片垂直進(jìn)入到磁場(chǎng)時(shí)，才會(huì)發(fā)生損耗現(xiàn)象，損耗的產(chǎn)生會(huì)在一定程度上引起鐵心溫度的提升。而當(dāng)增加直流偏磁電流時(shí)，進(jìn)入到壓板和夾件的漏磁通就會(huì)產(chǎn)生大幅度增加，造成渦流損損耗增加，從而也就在一定程度上引起了溫度的提升。

3.3 直流偏磁對(duì)變壓器損耗影響的分析

3.3.1 空載運(yùn)行時(shí)直流偏磁對(duì)金屬構(gòu)件渦流損耗的影響

如果存在直流偏磁電流時(shí)，電壓器在空載運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的漏磁場(chǎng)，進(jìn)而不僅會(huì)產(chǎn)生一定的渦流損耗效應(yīng)，而且還會(huì)引起變壓器局部溫度過(guò)熱的現(xiàn)象。因此，變壓器處于空載運(yùn)行的狀態(tài)時(shí)，直流偏磁作用于磁場(chǎng)中，會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁電流達(dá)到飽和的狀態(tài)，造成鐵心與空氣間的磁導(dǎo)率趨于一致，變壓器的漏磁增大，從而就會(huì)影響大型電力變壓器的正常運(yùn)行。

4.直流偏磁對(duì)變壓器溫升的影響

4.1 變壓器溫升的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

電力變壓器在正常的使用過(guò)程中，其環(huán)境的溫度和冷卻介質(zhì)溫度為：最高氣溫為+40℃，最熱的月平均氣溫為+30℃。此外，一般情況下對(duì)于電器連接線和油箱內(nèi)部的構(gòu)件不限定溫度的升高幅度和范圍，但應(yīng)當(dāng)確保溫度在提升過(guò)程中不要過(guò)高。

4.2 變壓器的散熱方式

4.2.1 熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)方式是變壓器常見的散熱方式。其中，在變壓器中，通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式實(shí)現(xiàn)繞組最熱處的熱點(diǎn)到繞組外部的熱量。

4.2.2 對(duì)流散熱

熱對(duì)流指的是固體表面和與其接觸的流體之間會(huì)產(chǎn)生一定的溫差，溫差的產(chǎn)生就會(huì)導(dǎo)致熱交換現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)發(fā)生變壓器的對(duì)流散熱現(xiàn)象時(shí)，其流體的主要流動(dòng)方式為：自燃對(duì)流以及強(qiáng)迫對(duì)流兩種方式。

4.2.3 輻射散熱

熱輻射對(duì)能量的傳遞主要是依靠電磁波進(jìn)行的。當(dāng)輻射發(fā)生時(shí)，不需要物質(zhì)之間的直接接觸，同時(shí)，也不需要任何媒介的參與。同樣的物質(zhì)在溫度不一樣的情況下會(huì)有不同的熱輻射能力。同樣的物質(zhì)只有處于同一溫度下，整體的熱輻射能力才會(huì)最強(qiáng)。

4.3 變壓器溫升的仿真計(jì)算

4.3.1 變壓器溫升的計(jì)算

電力變壓器在運(yùn)行的過(guò)程中，由于繞組、鐵心以及金屬構(gòu)件間會(huì)出現(xiàn)能量的損耗，損耗會(huì)變成相應(yīng)的熱量進(jìn)行發(fā)散進(jìn)入到周圍的物質(zhì)中，從而導(dǎo)致變壓器的溫度上升。在變壓器工作的時(shí)候，會(huì)受到漏磁場(chǎng)的影響，導(dǎo)致局部發(fā)生過(guò)熱的情況。所以，有必要建立起變壓器溫升計(jì)算的二維模型，將初始的溫度限定為40℃，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器溫升的有效計(jì)算。

結(jié)語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)于電的需求量也逐漸的增加。因此，我們就應(yīng)不斷的分析與研究大型電力變壓器出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象的原因，進(jìn)而不斷的提升變壓器運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。因此，我們應(yīng)首先認(rèn)識(shí)變壓器直流偏磁的來(lái)源，進(jìn)而了解到直流偏磁對(duì)變壓器勵(lì)磁電流的影響、直流偏磁對(duì)變壓器損耗的影響以及直流偏磁對(duì)變壓器溫度的提升的影響，進(jìn)而有效避免變壓器中產(chǎn)生直流偏磁等情況，以此來(lái)有效的提高大型變壓器運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

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