新型整流變壓器直流偏磁下的電磁特性分析

劉 濤，羅隆福，戴麗宦,3，劉俊華，胡是亞,4

(1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙410082；2.國網(wǎng)四川省電力公司南充供電公司，四川南充637000；3.國網(wǎng)湖南省電力公司漣源市供電分公司，湖南婁底417000；4.湖南省送變電工程公司，湖南長沙410082)

新型整流變壓器直流偏磁下的電磁特性分析

劉 濤1,2，羅隆福1，戴麗宦1,3，劉俊華1，胡是亞1,4

(1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙410082；2.國網(wǎng)四川省電力公司南充供電公司，四川南充637000；3.國網(wǎng)湖南省電力公司漣源市供電分公司，湖南婁底417000；4.湖南省送變電工程公司，湖南長沙410082)

利用Ansoft軟件建立了新型整流變壓器的場路耦合數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的有限元模型，采用非線性求解精確分析了直流偏磁條件下變壓器在空載和穩(wěn)態(tài)運行時的諧波電流情況，并通過加入特征次諧波電流源、投入濾波器研究變壓器在抑制諧波、減小機身振動、降低噪聲方面的功效，具有一定的實用價值。

新型整流變壓器；場路耦合；諧波抑制；電磁特性

諧波和直流偏磁是整流變壓器振動加劇的根本原因[1-2]。換流器產(chǎn)生的諧波電流流過變壓器的閥側(cè)繞組，產(chǎn)生諧波磁勢，形成諧波磁通，最終回饋網(wǎng)側(cè)；流經(jīng)變壓器繞組的直流電流有一部分作為勵磁電流使得鐵心磁密飽和，磁通發(fā)生偏移即直流偏磁，這與很多因素有關(guān)，例如太陽磁暴和直流系統(tǒng)單極運行。目前，國內(nèi)外雖已經(jīng)有了一定的研究，但對于諧波和直流偏磁引起變壓器振動加劇的機理還有待進(jìn)一步的研究，用于這一方面的仿真軟件主要有ANSYS、Ansoft、Matlab等，本文采用Ansoft作為分析軟件，主要出于以下兩方面的考慮：(1)實驗仿真需要采集變壓器各種運行狀況時詳細(xì)的電磁場數(shù)據(jù)，并進(jìn)行一系列較復(fù)雜的后處理；(2)實驗涉及三維瞬態(tài)磁場和耦合電路協(xié)同仿真[3]。

1 三維瞬態(tài)場和場路耦合計算原理

瞬態(tài)場計算用于分析某一段暫態(tài)工況內(nèi)，宏觀電氣參量或微觀電磁參量與時間的瞬態(tài)關(guān)系，且兼容于外加電路的控制。在低頻瞬態(tài)磁場下，對于三維非線性時域電磁場問題，麥克斯韋方程可以寫為：

在此基礎(chǔ)上，可以構(gòu)造出兩個恒等式：

在求解時，其棱邊上的矢量位自由度采用了一階元計算，而節(jié)點上的標(biāo)量位自由度采用二階元計算。

場路耦合是指將變壓器線圈按“場”觀點進(jìn)行有限元計算的同時又將它們作為元件與外加電壓或所帶負(fù)載連成電路，進(jìn)行電路分析，其中支路電流用感應(yīng)電勢和外部電路參數(shù)來描述[4]。

對新型整流變壓器電磁場有限元部分進(jìn)行數(shù)學(xué)建模時，近似地把變壓器周圍三倍空間看作電磁場分布部分，并假設(shè)為似穩(wěn)場，忽略位移電流，空間內(nèi)每個節(jié)點的矢量磁位A可由式(3)求得：式中：Q、K表示系數(shù)矩陣，Q可由有限元的單元分析得到，K與磁導(dǎo)率u有關(guān)，為磁感應(yīng)強度B的函數(shù)；C為線圈電流與各單元節(jié)點之間相互作用的關(guān)聯(lián)矩陣。

2 變壓器三維有限元模型

傳統(tǒng)的整流變壓器及濾波方案雖然應(yīng)用廣泛但在結(jié)構(gòu)上存在著一定程度的不足。濾波裝置接在網(wǎng)側(cè)，諧波和無功成分都會流過變壓器的原副方繞組，鐵心和結(jié)構(gòu)件中通過較強的諧波使得變壓器絕緣難度加大，損耗增加，振動和噪音大[5]。感應(yīng)濾波新型整流變壓器通過特殊的繞組布置結(jié)構(gòu)和阻抗匹配將濾波和無功補償裝置移到整流變壓器繞組內(nèi)部，從而克服了無功功率和諧波給變壓器帶來的不良影響[6]，目前該技術(shù)的整流變壓器已經(jīng)工程化應(yīng)用。要實現(xiàn)這種濾波方式需要同時滿足以下兩個條件：(1)濾波器應(yīng)力求達(dá)到諧振；(2)通過變壓器設(shè)計使濾波繞組的基波等值阻抗等于零或近似等于零[7-8]。

該實驗變壓器由三個單相雙柱帶旁軛變壓器組成，每相變壓器左右鐵心柱上接有三個繞組，依次為網(wǎng)側(cè)繞組、濾波側(cè)繞組、閥側(cè)繞組，其實物如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)見表1。根據(jù)變壓器的實際參數(shù)，建立有限元剖分模型如圖2所示。

圖1 單相整流變壓器實物

圖2 有限元剖分模型

表1 新型整流變壓器單相主要技術(shù)參數(shù)

3 仿真計算分析

3.1 新型整流變壓器直流偏磁實驗

結(jié)合電力系統(tǒng)中磁暴引起變壓器直流偏磁及直流輸電線路單極運行對交流系統(tǒng)變壓器影響情況。在變壓器兩邊網(wǎng)側(cè)繞組注入額定電壓激勵源，并將一可調(diào)直流電源作為直流偏磁激勵串入其中一側(cè)(簡稱左柱)，另一側(cè)做對比實驗。首先調(diào)整變壓器閥側(cè)負(fù)載，使變壓器工作在額定范圍附近，然后通過調(diào)整直流電壓源的輸出改變網(wǎng)側(cè)電流的直流偏置量，經(jīng)過后處理得到不同直流偏置量下勵磁電流如表2所示(直流偏磁所引起的諧波分量主要在前6次，故本次實驗只提取前六次諧波進(jìn)行分析，表2中諧波電流量為實際電流與基波電流的百分比，其他表格同理)。

由表2對比可知，右柱網(wǎng)側(cè)電流雖然受到了直流偏置的影響，但并不明顯，這與變壓器結(jié)構(gòu)有關(guān)，由磁通路徑的選擇可知，大部分的偏磁通通過左側(cè)旁軛和左柱形成回路，只有較少部分通過右柱和右側(cè)旁軛形成回路。通過比較不同直流偏磁下諧波成分，得出當(dāng)直流偏磁量較小時，可視為工作在線性區(qū)域內(nèi)，但當(dāng)直流偏磁量較大時，如直流量大于勵磁電流時，鐵心大半個周期進(jìn)入非線性區(qū)域，其磁導(dǎo)率嚴(yán)重下降，使得漏磁迅速增大，由電磁力計算公式F=BILsinα知繞組所受電磁力會增大，繞組振動加劇。左柱網(wǎng)側(cè)繞組(直流偏磁側(cè))負(fù)載電流的諧波數(shù)值分析如表3所示。

表2 額定負(fù)載下勵磁電流

在誤差范圍內(nèi)，直流偏置對額定負(fù)載電流的影響很小。在相同直流偏置電壓下，負(fù)載的存在與否對原邊電流直流分量和高次諧波分量幾乎沒有影響。負(fù)載的存在對原邊電流的基波影響最大，因為負(fù)載情況下，變壓器原邊電流主要由負(fù)載電流構(gòu)成，對于副邊而言，其電壓波形從理論上應(yīng)為正弦波形，故負(fù)載的存在與否對原邊電流基波分量的影響最大。

表3 負(fù)載下網(wǎng)側(cè)電流

3.2 變壓器電磁特性實驗

因通過變壓器兩柱的主磁通大小相等，方向相反，故只列出一側(cè)繞組的電磁特性?？紤]到變壓器諧波電流來源于閥側(cè)非線性負(fù)載、直流偏磁主要是由飽和情況下鐵心非線性引起等實際運行情況，在外電路設(shè)計時，將諧波電流源從整流變壓器閥側(cè)繞組中注入，并在濾波側(cè)接入3、5次全調(diào)諧裝置。

3.2.1 新型整流變壓器電場特性

為真實反應(yīng)新型整流變壓器的電場特性，以系統(tǒng)實測電流為依據(jù)，在閥側(cè)繞組上注入3、5次諧波電流，有效值為：24.306 A、14.584 A(閥側(cè)三角形接法繞組)；42.106 A、25.264 A(閥側(cè)星型接法繞組)。通過對變壓器的四種運行狀態(tài)進(jìn)行仿真，取得各繞組電流波形如圖3所示，網(wǎng)側(cè)繞組，濾波側(cè)繞組，閥側(cè)繞組曲線分別為藍(lán)色、粉紅色、紅色曲線。

圖3 繞組電流波形

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在實施了感應(yīng)濾波后，諧波電流很好地被屏蔽于并聯(lián)的單調(diào)諧濾波支路中，新型整流變壓器及濾波系統(tǒng)具有很好的濾波效果。

通過后處理分析，未濾波時網(wǎng)側(cè)電流波形與閥側(cè)電流波形類似，諧波含量較大，3、5次諧波含量分別為：32.512 0%、20.568 1%。投入閥側(cè)濾波器時，繞組諧波電流得到了很好的抑制。新型整流變壓器網(wǎng)側(cè)電流近似為正弦波，一次側(cè)繞組電流3、5次諧波含有率分別降為：3.294 4%、3.587 8%。由此可見，感應(yīng)濾波會大大降低變壓器的諧波繞組損耗及諧波繞組電動力。同時，直流偏磁在一定程度上會增加電流的偶次諧波含量。

3.2.2 磁場特性分析

圖4 整流變壓器勵磁電流曲線

圖4為整流變壓器勵磁電流曲線。對比發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)濾波使得整流變壓器磁特性有了很大改善，其主磁密非常接近正弦波，勵磁電流正弦性也變得很好。未投濾波器時，鐵心主磁通含有一定量的高頻分量，勵磁電流含有大量高次諧波分量。鐵心材料在交變磁場中時會被反復(fù)交變磁化，渦流損耗增大。磁鑄相互之間不停地摩擦，消耗能量，造成損耗，也就是磁滯損耗。感應(yīng)濾波的實施有效抑制了鐵芯中高頻交變磁場所產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗。直流入侵下主磁密并沒有發(fā)生偏移，即磁通無偏移，勵磁電流也沒有發(fā)生畸變，但波形總體有所偏移，即勵磁電流中增加了直流分量，特別在投入濾波器的情況下，直流偏磁使得勵磁電流的直流分量增加了12%。

同時，變壓器鐵心振動主要是由硅鋼片的磁滯伸縮引起，且是以兩倍頻率做周期性振動，未投濾波器時，鐵心主磁通中含有高次諧波，則鐵心振動也含有大量高頻分量，噪聲增加，并且使變壓器鐵心的自振頻率等于或接近其本身共振頻率的可能性大大增加，鐵心產(chǎn)生共振的可能性也大大增加。濾波器的投入大大改善了變壓器的勵磁特性，有效降低了變壓器鐵心的振動與噪聲，大大減小了變壓器鐵芯發(fā)生共振的可能性。

4 總結(jié)

本文根據(jù)新型整流變壓器的實際結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立新型整流變壓器場路耦合數(shù)學(xué)模型和有限元模型，利用瞬態(tài)求解方法，通過場路耦合法對新型整流變壓器的電磁特性進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明新型整流變壓器的電磁特性較傳統(tǒng)整流變壓器得到大大改善。由于鐵心磁化曲線的非線性，對于工作于近飽和狀態(tài)的新型變壓器，直流偏磁會使得變壓器漏磁增大，諧波特別是偶次諧波含量增大，繞組的電動力也會增大，進(jìn)而導(dǎo)致繞組發(fā)生共振的可能性增加。實施了感應(yīng)濾波的新型整流變壓器，網(wǎng)側(cè)電流中的諧波含量大大降低，諧波電流很好地被屏蔽于全調(diào)諧濾波支路和公共繞組所構(gòu)成的閉合回路中，新型整流變壓器及濾波系統(tǒng)具有很好的濾波效果，大大降低了變壓器的諧波繞組損耗及諧波繞組電動力，勵磁電流和鐵心主磁通波形接近正弦，這有助于降低變壓器鐵心損耗和振動。

[1]王志敏，顧文業(yè)，顧曉安.大型電力變壓器鐵心電磁振動數(shù)學(xué)模型[J].變壓器，2004，41(6)：1-5.

[2]賀以燕.高壓直流整流變壓器結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)及試驗[J].電力設(shè)備，2006，7(11)：53-57.

[3]張倩，胡仁喜，康士廷.Ansys12.0電磁學(xué)有限元分析從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[4]許加柱，羅隆福，李季，等.基于場路耦合法的大電流互感器屏蔽繞組分析[J].中國電機工程學(xué)報，2006，26(23)：167-172.

[5]POVH D.Role of HVDC transmision in future energy develop[J].IEEE Power Engineering Review，2000，145(2)：10-25.

[6]羅隆福，李季，許加柱，等.基于新型整流變壓器的諧波治理研究[J].高壓電器，2006，42(2)：96-98.

[7]王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功補償[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

[8]李季，羅隆福，許加柱.新型整流變壓器的諧波電流分析與計算[J].電工技術(shù)學(xué)報，2008，23(8)：53-59.

Analysis of electromagnetic characteristics of novel converter transformer under circumstance of DC magnetic bias

LIU Tao1,2,LUO Long-fu1,DAI Li-huan1,3,LIU Jun-hua1,HU Shi-ya1,4
(1.College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha Hunan 410082,China;2.State Grid Nanchong Power Supply Company,Nanchong Sichuan 637000,China;3.State Grid Lianyuan Power Supply Company,Loudi Hunan 417000,China;4.Hunan Electric Power Construction Company,Changsha Hunan 410082,China)

A field-circuit coupled mathematical model and the corresponding 3D finite element model of a new type converter transformer were established by Ansoft.By adopting the method of nonlinear calculation,the harmonic current on the condition of DC magnetic bias was accurately analyzed, including both no-load and steady-state operation of the transformer.The function of the transformer on suppressing harmonic,reducing body vibration and noise was studied through adding characteristics subharmonic and the filter,and it was of some practical value.

novel converter transformer;field-circuit coupled;harmonic suppression;electromagnetic characteristics

TM 42

A

1002-087 X(2017)10-1479-03

2017-03-12

國家自然科學(xué)基金(51077045)

劉濤(1987—)，男，四川省人，碩士生，主要研究方向為變壓器物理場分析。