換流變壓器不同工況下的鐵心磁特性研究

段曉軍，王仁，遲主升

（廣州西門子變壓器有限公司，廣州 510530）

0 引言

近年來隨著我國特高壓直流工程的迅猛發展，輸電工程容量越來越大，傳輸電壓等級逐步提高［1-2］。換流變壓器作為直流輸電工程中的核心設備，傳統直流輸電技術通過換流變壓器通過與換流閥的相互配合，在直流輸電的發送端將交流電整流成為直流電，在輸電線路的接收端再將直流電逆變成為交流電［3］，從而實現能量交直交的轉化。而換流變壓器的安全可靠運行直接決定著輸電系統的可靠性，目前換流變壓器設計除了傳統意義上的電磁參數優化設計之外，換流變壓器變壓器在故障條件下變現特性也顯得十分必要，特別是故障條件下鐵心的磁特性也直接影響著其內部短路力設計的邊界條件，通過電磁場仿真分析對其換流變在不同工況下的鐵心磁特性分布進行研究也是故障分析中的重要課題之一。

本文以某直流工程的實際換流變壓器項目為例，通過采用三維有限元磁場仿真的方法對換流變壓器在非短路工況下的空載工況、負載工況的鐵心磁密進行了分析，分析得到了鐵心中主磁通的分布特點，并通過與解析法對比驗證了仿真方法的可靠性，分析得到了正常工況下鐵心在空載與負載工況下磁密分布云圖類似且均未發生飽和，仿真得到了在負載感性負載條件下由于空間漏磁的疊加主磁通會對芯柱磁通有削。對換流變壓器在故障條件下的空載工況、負載工況的鐵心磁密進行了仿真分析，得到了換流變壓器在發生內部短路故障工況下鐵心會因為短路安匝而出現局部的飽和特性，因此在故障條件下繞組受力分析需要考慮由于鐵心飽和的漏磁邊界影響。

1 仿真模型基本信息

本文研究模型為某工程一臺實際換流變壓器為例，換流變壓器為單相且額定容量415 MVA，網側繞組的額定電壓為，閥側繞組的額定電壓為174.9 kV，基本參數如表1 所示。鐵心型式為單相2／2 鐵心，每個鐵心上的繞組排布從鐵心向外依次為閥側繞組、網側繞組、調壓繞組，其中閥側繞組與網側繞組均為端部接線結構，調壓繞組為軸向上、下兩個部分并聯結構，繞組排布示意圖如圖1所示。

表1 變壓器基本技術參數

圖1 繞組排布

仿真采用Infolytica公司的MagNet 3D仿真模塊，對換流變壓器不同工況進行了磁場仿真分析。仿真模型的鐵心采用2／2鐵心形式，鐵心模型建立考慮各級疊厚度與內部油道空隙，忽略鐵心內部各片間漆膜涂層以及片間搭接氣隙的影響，忽略繞組模型建立繞組內部墊塊分布影響。考慮本文研究換流變壓器正常運行工況以及網側內部短路工況，因此在右側故障芯柱將網側繞組進行分區處理，故障工況條件下其中8-34 餅考慮為短路區域，運行條件調壓繞組部分接入主電氣回路，因此調壓繞組同樣按照分區處理，另外考慮到仿真時效性的問題，忽略其他鐵磁材料的影響，器身的總體模型如圖2所示。

圖2 器身模型

考慮到仿真的時效性，對于網格剖分鐵心以及空氣劃分最大網格尺寸為限度，對于產生磁通繞組區域的體網格適當加密，整體器身劃分網格如圖3 所示。通過MagNet 軟件自帶的Circuit 電路功能對變壓器實現網側非故障或者故障的工況設定，仿真采用求解器新一臺考慮鐵心材料的非線性特征，以達到準確評估不同工況條件下磁飽和特性的目的。

圖3 變壓器器身網格剖分

2 正常工況條件鐵心磁通分布特點

求解案例考慮正常工況1網側繞組施加電壓源且閥側繞組空載開路，根據基爾霍夫電壓感應定律［3］的概念進行描述，對于特定鐵心直徑與勵磁繞組匝數的產品，當變壓器的外部施加電壓確定后，鐵心內的磁密基本可以確定可用下式計算求解［4］：

式中：E為電磁感應電動勢；f 為頻率；B 為鐵心芯柱磁密峰值；S為鐵心截面積。

仿真求解采用非線性求解器［5-7］，在Circuit 電路中網側施加線電壓775 kV，將兩個芯柱的網側繞組進行反向并聯處理，其網側繞組尾部反向串入調壓繞組3 級共24 匝，在網側各區域未額外設置短路工況，正常空載條件下電路連接圖如圖4 所示。變壓器在工況1 空載條件下鐵心磁密分布云圖如圖5 所示，從工況1正常空載仿真結果分析，磁通全部集中在鐵心框架內部且鐵心未見飽和，且空間漏磁可以忽略不計。最大磁密出現在上部主鐵軛位置，峰值為1.755 T，芯柱磁密峰值的仿真結果為1.595 T，如果考慮0.965 的鐵心填充系數，實際真實磁密為1.595／0.965 ＝1.653 T，采用式（1）解析計算結果為1.651 T，兩者計算結果結構吻合，證明了仿真模型的準確性。

圖4 變壓器空載電路連接

圖5 工況1 網側正常空載運行鐵心磁密分布云圖

正常負載運行工況2條件為網側繞組施加電壓源且閥側繞組帶0.5 H 感性負載工況，仿真模型的Circuit設定在圖4的基礎上增加閥側繞組電感負載，變壓器在工況2 條件下鐵心磁密分布云圖如圖6所示，負載正常工況下鐵心磁密分布與空載正常工況條件下分布類似，最大磁密出現在上部主鐵軛位置且鐵心未見飽和，其峰值為1.501 T，芯柱磁密峰值為仿真結果為1.250 T，網側與閥側之間漏磁磁密峰值為0.123 T，該漏磁數值取決于負載電流的大小。

圖6 工況2 網側正常負載運行鐵心磁密分布云圖

工況2負載條件下繞組切面漏磁分布矢量圖如圖7 所示，從漏磁的矢量圖可以發現，在主磁通的方向向上時刻，因為同一時刻的內側繞組通過鐵心閉合的磁通方向向下，所以由繞組漏磁引起的磁通方向與其主磁通方向相反，因此在帶有感性負載條件下芯柱磁通會與漏磁條件下產生一定的相互疊加削弱效果，因此相比于工況1 來說，工況2 芯柱內磁密下降了約21%。

圖7 工況2 網側正常負載運行磁密矢量圖

為了定量描述器身內部磁通分布情況，在器身建立了4個切面，切面1 為窗口高度3／4 水平切面位置，切面2 為窗口高度1／2 水平切面位置，切面3 為鐵心主窗口中心垂直切面位置，切面4 右側旁柱窗口中心垂直切面位置，切面示意圖如圖8 所示，工況1 與工況2 的磁密仿真結果如表2所示。

圖8 工況1 磁密提取切面示意圖

表2 不同切面磁密分布表

3 內部短路故障條件鐵心磁通分布特點

除了上述的正常工況條件下，當變壓器發生內部短路的磁密分布同樣需要研究。內部短路工況3 考慮右側芯柱網側繞組分為3個區，故障條件下考慮B2 區間發生短路，在Circuit 電路方法對該區域的首尾進行短接以模擬其短路故障工況［8-9］，網側內部發生短路故障電路且閥側空載連接圖如圖9 所示。變壓器在工況3條件下鐵心磁密分布云圖如圖10 所示，過飽和磁通主要集中在故障芯柱中上部以及右側旁柱回路的卻與，且已經該區域達到飽和的程度，最大漏磁出現在主芯柱上部3／4位置且磁密為2.154 T，主窗口上鐵軛中心磁密為2.031 T，旁柱中心磁密為2.06 T，切面1網側與閥側之間空間漏磁磁密峰值為0.394 T。

圖9 網側內部短路且空載電路連接

圖10 工況3 網側短路空載運行鐵心磁密分布云圖

仿真工況4為負載條件下的網側內部短路工況，即網側繞組B2區域發生短路且閥側繞組帶0.5 H 感性負載工況，仿真模型的Circuit在圖9的基礎上增加閥側繞組電感負載，變壓器在工況4條件下鐵心磁密分布云圖如圖11 所示。與工況3 空載下內部故障工況條件下磁密分布類似，磁通主要集中在故障芯柱中上部以及右側旁柱回路位置且已經達到飽和的程度，最大漏磁出現在主芯柱上部3／4 位置磁密為2.081 T，主窗口中心上鐵軛中心磁密為2.021 T，旁柱中心磁密為2.040 T，空間漏磁切面1 網側與閥側之間磁密峰值為0.294 T。本文研究的4 種工況下模型磁密仿真結構如表3 所示，非故障條件下鐵心磁密均未發生飽和，內部故障條件下由于短路安匝產生的漏磁影響，遠離故障短路環側會整體呈現區域飽和特性，鐵心飽和后的漏磁回歸邊界會因此而發生改變，因此在故障分析中需要考慮漏磁邊界變化而產生的短路力變化［10］，工況3 空載條件發生內部短路的漏磁分布如圖12 所示。

圖11 工況4 網側短路負載運行鐵心磁密分布云圖

表3 全工況下不同切面磁密分布表

圖12 工況3 網側空載矢量運行分布云圖

4 結束語

本文以某工程一臺實際換流變壓器產品為例，采用了3D有限元仿真軟件對換流變壓器的閥側空載或者負載工況，網側正常勵磁或者發生內部短路的不同工況進行了仿真分析，可以得到如下結論。

（1）換流變壓器網側正常運行條件下閥側空載、負載條件鐵心均不會發生飽和，空載工況最大磁密出現在上部主鐵軛位置，峰值為1.755 T，芯柱磁密峰值仿真結果為1.595 T；負載工況磁密分布與空載工況類似，但帶有感性負載條件下芯柱磁通會與漏磁條件下產生一定的疊加減小的效果。

（2）換流變壓器網側內部短路條件故障條件且閥側空載、負載工況下磁密主要集中在故障芯柱中心上部以及右側旁柱回路區域且鐵心會發生飽和，空載故障條件下最大漏磁出現在主芯柱上部3／4位置磁密為2.154 T，負載故障條件下相同位置最大漏磁會略有下降為2.081 T，在故障分析條件下需要考慮漏磁邊界變化而引起的短路力影響。