电力变压器直流偏磁问题的研究毕业论文

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

毕业设计说明书

作 者： 学 号：

学 院： 电气工程学院

系(专业) ： 电气工程及其自动化

题 目： 电力变压器直流偏磁问题的研究

毕业设计（论文）中文摘要

毕业设计（论文）外文摘要

目 录

1. 绪论 ............................................................................................................................. 1

1.1.

1.2.

1.3.

2.

2.1.

2.2.

2.3.

3.

3.1.

3.2.

3.3.

3.4.

3.5. 课题背景及意义 . .............................................................................................. 1 课题研究概况 . .................................................................................................. 1 本文的研究内容 . .............................................................................................. 2 单相变压器直流偏磁状态发生的机理 . .......................................................... 3 交流电网中直流电流的来源 . .......................................................................... 5 变压器直流偏磁严重程度的影响因素 . .......................................................... 6 变压器仿真参数的计算 . ................................................................................ 10 单相变压器过励磁状况下励磁电流的仿真与分析 . .................................... 13 单相变压器直流偏磁状态励磁电流的仿真与分析 . .................................... 17 变压器直流偏磁工作状态下磁滞回线变化趋势 . ........................................ 22 小型电力系统中三相变压器直流偏磁工作状况仿真 . ................................ 28 电力变压器直流偏磁理论 ......................................................................................... 3 电力变压器直流偏磁仿真 ....................................................................................... 10

结 论 . ................................................................................................................................. 37

参 考 文 献 . ....................................................................................................................... 38

致 谢 . ................................................................................................................................. 40

附 录A . ............................................................................................................................. 41

附 录B . ............................................................................................................................. 42

1. 绪论

1.1. 课题背景及意义

我国地域广阔，资源丰富。同时，随着经济的快速发展，发电用电总量也在逐年提升。但我国的资源中心与电能需求中心分布十分不平衡。我国丰富的水能、煤炭资源主要分布在西南部、中西部与西北部。然而，经济与耗能中心集中在东南沿海地区。因此，我国的能源与电力进行着大规模的跨区域流动[1]。直流输电，特别是特高压直流输电在电力传输距离、电网互联以及传输容量方面有着自己独特的优势[2]。我国在2010年建成了向家坝-上海±800kV 直流输电线路，目前已经平稳运行四年多的时间；同时，锦屏-苏南±800kV 特高压直流输电线路等另外四条直流输电线路也将在2020年之前相继建成并投入运营。此外，为进一步提高输电效率与质量，±1100kV 特高压直流输电相关课题正在研究当中，其投入建设与运行也指日可待[3]。

然而，特高压直流输电自身也存在弊端，其中之一就是因直流输电引起的地中直流电流对交流电网中性点接地变压器的影响。直流电流通过交流电网中变压器中性点构成回路流通，导致变压器一系列电磁异常[4]。对变压器的危害有：变压器损耗增加，温升增大，部分结构件过热；震动加剧；噪声增加等。对电力系统危害有：产生谐波；增加无功损耗；影响继电保护装置的正确动作；直流电流造成变电所接地极腐蚀等[5]。因此，对于电力变压器直流偏磁问题的研究就颇具意义。

1.2. 课题研究概况

国外学者对于这一课题的研究始于1980年左右。地磁感应电流GIC

（Geomagnetically Induced Current）引起了电力变压器直流偏磁问题，导致了加拿大魁北克电力系统发生了严重的停电事故，从那时开始，国外开始了对GIC 以及变压器直流偏磁课题的研究。

国内开始这一课题研究的时间较国外晚。随着直流输电工程的大量建设，直流偏磁导致变压器故障的逐渐增多。国内关于此课题的研究也逐渐开始进行。

国外的研究对于直流输电导致的直流偏磁问题研究内容较少，主要关注由GIC 引起的直流偏磁问题；国内的研究主要关注由直流输电引起的变压器直流偏磁问题

[6] 。

1.3. 本文的研究内容

本课题针对这一课题，通过查阅相关资料，就产生直流偏磁的原因、直流偏磁导致单相变压器铁芯饱和的原理进行分析；将直流偏磁对变压器饱和影响的研究现状进行阐述；并对直流偏磁导致变压器饱和程度的影响因素进行研究。同时，在

MATLAB/SIMULINK环境下搭建单相、三相变压器模型。观察得到单相变压器经受直流偏磁时其励磁电流以及磁滞回线的改变；验证三相三柱变压器以及三相变压器组对相同大小的直流电流耐受能力的不同。

具体研究内容如下：

第一章 阐述了课题研究的意义，进而对直流偏磁机理，引发原因及影响因素做了简要分析，并对国内外研究现状进行概述。

第二章 对于直流偏磁机理，引发原因及影响因素进行进一步详细分析阐述，对直流偏磁相关内容进行较详细理论分析

第三章 通过MATLAB/SIMULINK搭建相关仿真模型，围绕搭建的模型对直流偏磁工作状态下变压器的工作情况进行观察分析，进一步验证理论结论。

2. 电力变压器直流偏磁理论

2.1. 单相变压器直流偏磁状态发生的机理

图 2.1变压器直流偏磁机理

Fig. 2.1 The mechanism of DC bias in transformer

交流电网中，中性点接地的两个或多个变压器为直流电流的流通形成了通路。当有直流电势作用在此回路上时，回路中会有直流电流流通。

图 2.1为变压器正常工作状态以及直流偏磁状态对比原理示意图。当直流分量入侵变压器绕组时，会使变压器铁芯中产生直流磁通 0，直流磁通与交流磁通向叠加，使得铁芯中总磁通正负半周幅值不再相等，而是向与直流磁通同向的一侧偏移，偏移的一侧磁通峰值增大。由于电力变压器铁芯的励磁特性的非线性，铁芯材料基本磁化曲线存在饱和，磁通峰值稍微超过铁芯膝点处的磁通值，就会使励磁电流急剧增大。同时，由于在磁通偏移的一侧铁芯进入严重饱和状态，主磁路磁阻急剧增大，漏磁通增加。从而，产生变压器自身以及电网的各种问题。

在课题早期的研究中，变压器中的直流电流只用作用于变压器中性点的直流电势结合电网中直流相应的等效电阻电路进行计算，没有考虑铁芯材料的非线性，这样将

会带来较大的误差。以下分析方法定量的分析了直流偏磁时，变压器励磁电流中直流分量的组成部分。

文献[7]用两段不同斜率的折线模拟了铁芯的基本磁化曲线，如图 2.2所示：

图 2.2铁芯非线性的分断线性模拟

Fig. 2.2 Core nonlinear simulations with subsection linear

其中：i 为励磁电流；i m 基频励磁电流；i h 由饱和导致的励磁电流畸变部分；I b 偏磁直流电流；I m 为i m 的峰值；I 为i 的有效值；k 1为线段OA 的斜率；k 2线段AB 的斜率；

经推导：由饱和导致的励磁电流畸变部分：

i h =(h -1)(I m sin (ωt )-I m +I b )

饱和导致的励磁电流畸变部分中的直流分量为：

I -=（2-1） (h -1)

2π((π-2α)(I m -I b ) )（2-2）

励磁电流总的直流分量为：

I ==I -+I b （2-3）

由此可得出结论为：电流变压器发生直流偏磁时，由于铁芯基本磁化曲线非线性，侵入绕组的直流电流一部分成为直流磁通ϕ0通过ϕ-i 曲线对应的偏磁直流分量i b ，另一部分成为励磁电流通过傅里叶分解得到的直流分量。即由于铁芯基本磁化曲线非线性，变压器直流偏磁状态下，侵入绕组的直流电流与直流磁通不是ϕ-i 曲线的对应关系。

以上模拟方法计算的结果说明，由于变压器铁芯的非线性，侵入变压器绕组的直流电流没有全部用来产生直流磁通，因此铁芯能够自然具备一定的抵抗直流入侵的作用。但这是以励磁电流谐波含量增大与峰值增大为代价的。

2.2. 交流电网中直流电流的来源

流入变压器中性点的直流电流来源主要有两种，即直流输电的单级大地回路运行方式导致地中直流电流以及太阳风辐射导致地磁爆现象引起的地表电势ESP(Earth surface potential)与地磁感应电流GIC(Geomagnetically Induced Current )。

直流输电在单极大地回路以及双极不平衡运行方式工作时，均会在大地中流过很大的直流电流，从而产生直流电势差，直流电位差产生的直流电流通过变压器绕组会导致直流偏磁的发生。同时，由于太阳离子辐射导致地磁风暴会在地表感应出地磁感应电压并产生地磁感应电流，交流电网频率一般是地磁感应电流频率的几百倍，因此，GIC 相当于直流。这一较大的直流电流通过变压器中性点流入变压器绕组，同样会产生直流偏磁问题。研究表面，由这两种直流电势差导致的直流偏磁问题并无本质区别

[10]。

直流输电导致地中直流电流 2.2.1

我国的能源与电力负荷中心远离，只能通过远距离输送电能以供给自身需求，因而直流输电以其自身的优势得到了大力发展。特高压直流输电系统的运行方式主要有单极、双极和同极三种。我国直流输电系统几乎都采用双极中性点接地运行方式，如图 2.3所示。当双极运行不平衡时或因检修、调试等情况下采取单级大地回路运行方式时，以大地为回路的直流电流会在换流接地极附近产生直流电势。这一直流电势作用在接地变压器的中性点上会导致变压器直流偏磁的发生。

图 2.3直流输电单极大地回路运行方式

Fig. 2.3 HVDC in unipolar-earth running mode

2.2.2 由太阳风辐射导致地磁爆现象引起的直流电流

太阳风等自然现象会引发地球外部磁场发生剧烈变化。由于地球本身是一个导体，变化的磁场会在地球表面感应出地表电势ESP 。当ESP 作用在电网中两中性点接地变压器的接地点时，会在两变压器绕组和电网中产生地磁感应电流GIC ，如图

2.4。GIC 峰值最大可达几百安培，频率是工频交流的几万到几百万分之一，这样的特点使得GIC 可以被看做准直流电流。

图 2.4电网中GIC 的分布

Fig. 2.4 Distribution of GIC in power grid

2.3. 变压器直流偏磁严重程度的影响因素

2.3.1 变压器铁芯材料性能以及运行磁密取值

变压器铁芯饱和的本质是变压器铁芯硅钢片磁化特性非线性[7]。就铁芯的自身特性而言，铁芯基本磁化曲线中，膝点位置、变压器工作点位置以及弯曲处的平滑程度均影响着变压器承受直流偏磁的能力。首先，目前变压器硅钢片多采用优质冷轧取向硅钢片。此类硅钢片的含硅量在3%以上，性能较好[11]。优质的冷轧取向硅钢片的膝