换流变压器直流偏磁现象的数值模拟研究

换流变压器直流偏磁现象的数值模拟研究

孙小伟

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司昆明局云南昆明650000）

摘要：在高压直流输电工程当中换流变压器属于重要设备，在直流线路和交流电网之间起到协调和连接作用。直流电网的运行方式和工程设计会使直流偏磁现象影响换流变压器。直流偏磁能够增加低次谐波和励磁电流畸形等情况，相应增加损耗现象。本文主要是探讨研究换流变压器直流偏磁现象的数值模拟，希望能够对相关人员起到一定的参考性价值。

关键词：换流变压器；直流偏磁现象；数值模拟

由于存在某些影响因素，使直流分量流经换流变压器绕组，使铁芯当中出现直流磁通，导致出现电磁效应。两端接地处之间的电势差能够决定直流分量的大小，并且与运行状态，设备构造以及连接方式等具有较大关联性，因此在实际分析期间需要全面掌握直流偏磁概念。当前，换流变压器当中出现了较多直流偏磁现象，严重影响了电网运行稳定性，并且对换流变压器也会造成损坏影响。

1、换流变压器直流偏磁的有限元分析

1.1电磁场理论基础

（1）麦克斯韦方程组：通过求解麦克斯韦方程组能够对电磁场的基本规律进行描述，并且电磁场分析技术的主要依据。在该方程组的衍生的偏微分形式也广泛应用在有限元问题离散求解当中。因此在实际分析之前需要掌握和领悟电磁场基础概念，麦克斯韦方程组如下所示：

在上式当中，——旋度算子；——散度算子；分别表示磁场强度，传导电流密度；外施电流密度，感应涡流密度，速度电流密度，电通量密度，电场强度，磁场感应强度矢量，体电荷密度。

（2）定解边界条件：1）第一类边界条件：，该种边界条件给定的是待求量在边界上的值，——已知位置的一般函数。2）第二类边界条件：，该边界条件已知求解量位于边界面上的法向导数值。3）第三类边界条件：，该边界条件给定的是边界面上求解量和沿法向的导数之间线性组合的值，其中，。

1.2模型创建和求解

（1）产品仿真模型：现阶段，我国大部分电网都应用单相双绕组换流变压器。其铁芯结构主要是单相两柱带旁轭式，两个铁芯丧柱上的网和阀侧绕组属于并联连接。绕组布局从铁心开始顺序为网侧，调压和阀侧绕组，主要包括纠结连续式，单层圆筒式等型式，从油箱上部套管将网测绕组首端引出线导出，之后将有载开关连接在末端引出线。阀侧绕组的引出线从油箱壁侧引出。如图1所示：

图1器身结构

（2）有限单元法求解：换流变压器结构与磁场对称性在创建有限元模型时更加便捷，能够确保计算精度，将绕组相对导磁率设置为1，油相对导磁率设置为1，油箱相对导磁率设置为200；铜线的电阻率为，针对油区域使用三角形网格进行划分，绕组，油箱是主要求解区域，使用映射四边形网格划分，部分精度高于油区。

建立外部电路时需要将电动势能和绕组区域电流耦合在一起，并且在每组耦合设置独立编号，电磁相量满足。将边界条件加载到油箱外壁，之后在每个独立回路的接地节点施加的自由度约束，并且通过瞬态分析模型，利用时间迭代循环计算直到求解收敛。确保网侧绕组的端部电压为额定电压，将直流电流添加到阀侧，对空载无偏磁的运行性能进行计算，之后增加直流分量，对空载损耗，铁芯磁场分布以及励磁电流波形进行计算。

在分析直流偏磁现象时需要对该模型实施短路试验仿真模拟。网侧绕组施加工频交流电压，阀侧绕组短路，在对输出和输入关系进行控制之后能够将网侧绕组电流满足稳定值，这样就能够对短路阻抗进行求解，表1为理论值和仿真计算值比较，从表内数据能够看出，两者之间具有较小偏差，因此该模型较为合理。

表1对比理论数据和仿真数据

2、绕组电流计算结果与分析

2.1计算空载电流

按照变压器的磁势平衡定律能够看出，使用励磁磁动势能够建立主磁通，从空载到负载数据变化幅度较小。相比于负载励磁电流来说，空载变化较小，并且负载电流显著大于空载电流。由此可以看出，可以应用励磁电流直流入侵影响情况对直流偏磁度对变压器运行干扰实施定量分析。所以，此课题主要是对空磁情况下换流变压器的空载特性进行分析。

换流变压器空载运行主要指网侧线圈连接交流激励，阀侧线圈断

开电流和负载电流处于零时状态，下图为相量示意图，能够看出，空载电流由磁化电流和铁耗电流组成。所以在对空载电流进行计算时对磁化电流和铁耗电流进行计算，这样就能够得到总空载电流。

图2换流变压器空载运行相量图

铁耗电流是空载损耗要求，可以应用下式进行计算：

在上式当中，和分别表示空载损耗和设备额定容量。

此次研究的换流变压器铁心柱和铁轭形状相同，可以利用求解励磁无功功率对磁化电流实施计算，如下解析公式：

在上式当中，——励磁电流附加系数；——铁芯中总的接缝数；——铁芯总质量；——接缝处净截面积；——单位质量硅钢片的励磁容量；——斜接缝区域单位面积的励磁容量；

从以上分析能够看出磁化电流和铁耗电流矢量和就是总空载电流，在实际设置时需要预留裕度，必须控制在允许值范围内。

3、结束语

综上所述，此次研究主要是在磁场和电路耦合理论基础之上建立了换流变压器受到直流偏磁时的二维涡流场求解模型。在变压器负载运行期间，在不同偏磁工况下，绕组电流不会表现出显著差异，这样将无法对直流偏磁对变压器的影响进行分析，所以需要从变压器空载运行状态方式实施仿真分析，建立仿真分析模型，阐述变压器空载电流的解析计算方法，包括无功分量和有功分量，希望借此研究能够对换流变压器的研究分析起到参考性价值。

参考文献

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