為了快速而準(zhǔn)確地分析特高壓變壓器負(fù)載下直流偏磁對各繞組電流的影響，高電壓與電磁兼容北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)）的研究人員李冰、王澤忠、劉恪、楊簫簫、李明洋，在2020年第7期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，基于棱邊法時(shí)域場路耦合有限元模型，結(jié)合串聯(lián)電阻和電壓補(bǔ)償法對特高壓變壓器負(fù)載運(yùn)行情況進(jìn)行了直流偏磁計(jì)算與分析，對不同直流偏磁程度下繞組電流的畸變程度進(jìn)行了對比研究，并搭建特高壓變壓器縮比模型直流偏磁試驗(yàn)平臺(tái)對模型進(jìn)行驗(yàn)證。
我國能源儲(chǔ)備和電力負(fù)荷分布極不均衡，隨著風(fēng)電和太陽能等清潔能源的大規(guī)模開發(fā)，需要能源大范圍配置，因此迫切需要發(fā)展遠(yuǎn)距離大容量的輸電技術(shù)。特高壓輸電具有距離遠(yuǎn)、容量大、損耗低、占地省等顯著優(yōu)勢，是解決我國電網(wǎng)和能源發(fā)展難題的重要選擇。
特高壓變壓器是特高壓輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，它的安全穩(wěn)定對特高壓輸電系統(tǒng)至關(guān)重要。然而采用由單相自耦變壓器組成的特高壓變壓器組更容易受到偏磁直流電流的影響。變壓器的直流偏磁是一種非正常的工作狀態(tài)，變壓器繞組中產(chǎn)生直流偏磁的原因主要是來自太陽磁暴引起的地磁感應(yīng)電流、高壓直流輸電單極大地回路運(yùn)行侵入交流系統(tǒng)中的直流電流，以及由非線性負(fù)載產(chǎn)生的流入電網(wǎng)中的直流分量。
發(fā)生較大地磁暴事件時(shí)，測量到一臺(tái)735kV、550MVA的單相自耦變壓器中流入的偏置電流達(dá)到約每相100A，并持續(xù)長達(dá)1min。直流流入變壓器后將在鐵心中產(chǎn)生直流磁通，導(dǎo)致變壓器鐵心半周飽和、勵(lì)磁電流嚴(yán)重畸變、局部過熱、振動(dòng)噪聲增加等一系列問題，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了嚴(yán)重的威脅。
國內(nèi)外已經(jīng)有很多文獻(xiàn)對變壓器直流偏磁的問題展開了深入的研究與分析，大多通過試驗(yàn)測量和仿真計(jì)算來實(shí)現(xiàn)對變壓器直流偏磁的電磁特性的研究。目前關(guān)于特高壓變壓器的直流偏磁的研究僅考慮空載時(shí)的直流偏磁，只需考慮高壓側(cè)回路情況，而在實(shí)際負(fù)載運(yùn)行情況，特高壓自耦變壓器磁路結(jié)構(gòu)和電氣連接更為復(fù)雜，高、中和低壓側(cè)的回路之間互相影響，仿真模型更為復(fù)雜，均給特高壓變壓器的負(fù)載運(yùn)行時(shí)的直流偏磁特性分析增加了困難，以至于目前國內(nèi)外罕有文獻(xiàn)針對1000 kV大型自耦變壓器遭受直流偏磁負(fù)載情況時(shí)的電磁特性進(jìn)行詳細(xì)深入的分析研究。
高電壓與電磁兼容北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員，根據(jù)特高壓變壓器實(shí)際參數(shù)，建立特高壓變壓器場路耦合模型，針對直流分量易被忽略的難點(diǎn)，利用串聯(lián)電阻法和補(bǔ)償電壓法保障直流偏磁電流求解的快速性和準(zhǔn)確性。
圖1 縮比模型直流偏磁試驗(yàn)平臺(tái)對特高壓變壓器額定運(yùn)行狀態(tài)的直流偏磁情況進(jìn)行了仿真計(jì)算，分析在發(fā)生嚴(yán)重地磁暴情況下直流偏磁對額定運(yùn)行時(shí)各繞組電流的影響，通過搭建與特高壓變壓器相同的鐵心結(jié)構(gòu)，高、中、低壓側(cè)具備相同繞組匝數(shù)比和容量關(guān)系的縮比模型直流偏磁試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了所提模型的正確性。為特高壓變壓器在實(shí)際負(fù)載運(yùn)行情況下的直流偏磁問題以及對負(fù)載情況下的直流偏磁防護(hù)提供參考依據(jù)。
研究表明，各繞組電流的畸變程度會(huì)隨著直流偏磁的增加而不斷加劇，直流偏磁對各繞組電流造成的畸變主要集中在前半個(gè)周期，后半個(gè)周期影響較小；還將造成各次諧波的大量增加，尤其是2、3、4次諧波最為嚴(yán)重；各繞組電流的畸變區(qū)域與勵(lì)磁電流的畸變區(qū)域幾乎一致，其諧波的變化規(guī)律也大致相同，說明負(fù)載時(shí)繞組電流的變化很大程度取決于勵(lì)磁電流的變化。然而本研究僅分析了阻性負(fù)載的情況，之后將對不同類型的負(fù)載情況開展更多的研究。
以上研究成果發(fā)表在2020年第7期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“特高壓變壓器直流偏磁對繞組電流的影響”，作者為李冰、王澤忠、劉恪、楊簫簫、李明洋。
