电力变压器直流偏磁问题的工程模拟

电力变压器直流偏磁现象是变压器的一种非正常工作状况,是指在交流变压器激磁电流中出现了直流分量,导致变压器铁心中产生直流磁通。它使激磁电流峰值显著增大、波形严重不对称和畸变,产生大量谐波,导致铁心振动加剧,而且可能引起系统保护继电器的误动作,危害变压器和电力系统的安全运行;引起变压器铁心磁饱和,漏磁增加,损耗、温升增大,并可能引发金属结构件局部过热。 本文结合河北省自然科学基金重大资助项目《特高压电磁场的综合效应研究》(No.E2006001036)的要求,对电力变压器直流偏磁问题进行了实验研究和仿真分析。对实验研究所得数据进行了处理和分析,获得了电力变压器直流偏磁条件下“叠积型”铁心材料的电磁性能参数。利用神经网络直流偏磁磁滞模型对该材料的磁滞回线进行了模拟并对激磁电流进行计算。建立了便于工程应用的三维有限元仿真模型,对直流偏磁条件下变压器铁心的磁通分布和损耗分布进行了研究。主要内容如下: 1.提出可行的变压器直流偏磁实验方案,建立能真实地模拟在线运行的电力变压器发生直流偏磁状况时的实验系统,并对相关模型进行实验研究。 2.根据变压器直流偏磁的基本特征,从工程应用的角度系统研究电力变压器遭受直流偏磁时铁心的电磁特性问题。基于完全按照电力变压器铁心的标准设计和叠装工艺制作的产品级模型,对“叠积型”铁磁材料在直流偏磁条件下的平均B-H曲线、Φ-I曲线,损耗曲线等进行了详细考察,并与“标准条件”下获得的材料属性进行了对比分析,以解决直流偏磁仿真研究中依赖的那些材料特性问题。 3.根据实验获得的“叠积型”铁磁材料在直流偏磁工作条件下的材料性能数据,提出并建立神经网络直流偏磁磁滞模型,预测材料在不同的交流工作点以及不同的偏置磁场作用时材料的磁滞回线,为计算绕组的激磁电流和考虑磁滞特性的电磁场数值计算奠定基础。 4.提出一种求解变压器在直流偏磁条件下绕组激磁电流以及铁心直流偏置磁通的工程方法,进而确定了不同偏磁工况下激磁电流和铁心中工作磁通的波形。对激磁电流计算结果进行分析并与实验获得的数据进行对比,验证该计算方法的有效性。 5.针对目前广泛采用的两种引入直流量的实验方案(即直流量在同一个激磁绕组中串联加载和直流量分别在两个激磁绕组中并联加载),用实验结合仿真的办法对其进行了研究,考察了两者在直流偏磁实验中的区别和联系,从而确定了更接近直流偏磁真实情况且切实可行的实验方案,并为三维有限元仿真模型的建立提供参考。 6.确定电力变压器发生直流偏磁时的模型参数,利用三维电磁场分析软件MagNet对变压器处于各种不同的偏磁工作状况下叠片铁心中的磁通分布和损耗分布进行仿真分析,并与实验测量结果进行对比,验证本文仿真模型和计算方法的准确性。