基于爱泼斯坦方圈的直流偏磁实验及分析

陈 斌， 朱 亮，许蓬莱

（台州电业局，浙江 临海 317000）

输配电

基于爱泼斯坦方圈的直流偏磁实验及分析

陈 斌， 朱 亮，许蓬莱

（台州电业局，浙江 临海 317000）

在高压直流输电的单极大地运行方式中，直流电流通过接地的中性点流入变压器绕组会给电力变压器造成危害。随着直流输电的应用和发展，直流偏磁问题已经得到越来越多的重视。对于直流偏磁问题的研究不仅有利于揭示直流偏磁机理，而且对变压器的设计和运行有着重要的指导意义。本文利用爱泼斯坦方圈进行了直流偏磁测试。通过对励磁电流各次谐波的分析，研究了直流偏磁对励磁电流及饱和铁心的影响。

高压直流输电；直流偏磁；电力变压器；谐波；励磁电流

1 变压器直流偏磁问题

由于绕组中直流偏置电流的存在，变压器铁心中会产生直流磁势和相应的直流磁通。直流磁通与交流磁通相迭加，总磁通增大，从而使得变压器工作点上移，铁心严重饱和，励磁电流中产生大量谐波[1]。直流偏磁不仅会使变压器自身温度升高，噪声增大，严重影响其工作性能和使用寿命，还会使电网出现无功补偿、电压跌落等问题，严重时甚至导致电网崩溃。加拿大魁北克的大停电事故就是由直流偏磁问题引起的。

产生直流偏磁电流的原因主要有两个[2-4]，首先是高压直流输电，由于直流输电系统采用单极大地回路方式或双极不平衡方式运行，大地中回流的直流电流会在变电站之间产生电位差，由此产生的直流电流通过接地中性点流入变电站的变压器绕组。其次是地磁风暴，太阳等离子风的动态变化与地磁场相互作用产生地磁风暴，地磁场的变化在地球表面产生电位梯度，从而在变压器绕组中产生低频感应电流。由于其频率非常低，可近似认为是直流电流。随着高压直流输电的发展，变压器的直流偏磁问题已经得到越来越多的关注。

电力变压器对电力系统安全稳定运行起着至关重要的作用，国内的各个相关科研机构和电力运行部门均对直流偏磁问题开展了大量的科学研究工作。在直流偏磁的物理机理，直流偏磁对各种变压器的影响，变压器耐直流偏磁能力以及抑制接地点直流电流措施等方面[5-7]取得了大量的研究成果。笔者利用爱泼斯坦方圈，通过对励磁电流的谐波分析，研究了不同比例的直流偏置量对励磁电流的影响。利用简单迭代法求出不同偏置量时铁心内直流磁通，分析了直流偏磁条件下，铁心内直流磁通的变化规律。

2 测试原理及实验方案

对直流偏磁问题的分析，涉及到对直流偏磁条件下电工钢片的磁特性研究。在国家相关标准中，规定了用爱泼斯坦方圈测量电工钢片磁性能的一般原理，但是只限于交流激励。对于直流偏磁的测试，还需要考虑交直流耦合，空气补偿等问题。文献[8]在GB/T 3655-2000《用爱泼斯坦方圈测量电工钢片（带）磁性能的方法》的基础上，设计了可以进行交直流共同磁化情况下的磁特性测量。本次实验采用类似的方法对爱泼斯坦方圈进行了不同偏磁量下的空载直流偏磁测试，测量了不同偏磁情况下激磁电流的波形。

方圈上绕有两组线圈，初级线圈为700匝，导线的截面积为2 mm2,电阻值0.65Ω；次级线圈700匝，导线截面积0.5 mm2，电阻值1.65Ω。直流偏磁绕组为50匝，为防止交直流信号的耦合，可以采用加扼流圈和旁路电容的方法[8]。如图1所示为爱泼斯坦方圈平面示意图，在方圈内侧为交流线圈，方圈外侧为直流线圈。图2给出了相应的实验电路简图。

图 1 爱泼斯坦方圈示意图

图2 工作原理图

为便于定量研究直流偏磁问题，需要选取一个基准电流，在电路端口施加不同比例的偏磁电流，观察励磁电流波形以及磁场的变化情况。考虑到变压器铁心中的额定磁通约为1.7 T。因此选取无偏磁条件下，使方圈中平均磁通达到1.7 T时励磁电流的峰值作为基准电流，据此得到实验中的基准电流为1.6 A。

3 励磁电流及直流磁通的分析

3.1 励磁电流波形的变化

直流偏置电流按照基准电流的不同比例依次施加，分别为25%，50%，75%和100%，在直流偏置量固定时，逐步增加交流电压激励观察励磁电流波形的变化。图3-6给出了几组典型的不同直流偏磁条件下的励磁电流波形。

图3 直流偏磁量为基准电流的25%，交流电压18 V

图4 直流偏磁量为基准电流的50%，交流电压120 V

由图中可以看出，在不同的直流偏磁情况下，当在绕组中加入直流分量后，激磁电流开始出现半周饱和现象，并随着直流分量的增大，饱和现象也随之明显。

3.2 励磁电流的谐波分析

图5 直流偏磁量为基准电流的75%，交流电压183 V

图6 直流偏磁量为基准电流的100%，交流电压120 V

在无偏磁状态下，变压器绕组的励磁电流中只含有1次、3次等奇次谐波；在直流偏磁状态下，励磁电流中则同时含有零次、奇次、偶次谐波。显然，直流量的出现以及直流量的大小，都与其他谐波分量有着密切的关系，因此对不同直流偏磁情况下的励磁电流进行谐波分析是十分必要的。图7是交流电压183 V时，不同偏磁状态下励磁电流中各个谐波分量；图8为交流电压峰值为260 V时不同偏磁状态下励磁电流中各个谐波分量。

从图7、8看出，在直流偏磁条件下低次谐波为励磁电流中的主要谐波分量，高次谐波所占比例较小。当加大直流偏置量时，一次和二次谐波呈线性增长，而三次等高次谐波呈非线性增长，且谐波次数越高，增长越快。

图7 交流电压为183 V时不同偏磁情况下的各谐波分量

图8 交流电压为260 V时不同偏磁情况下的各谐波分量

3.3 直流磁通的变化

由于没有测量直流磁通值的设备，因此只能通过一定的数值方法进行估算。采用基本迭代法[9]，通过判断迭代法得到的励磁电流中的直流量和峰值的误差，可以获得满足工程精度的直流磁通值。由此研究不同的直流偏磁条件下，直流偏置量对直流磁通的影响。表1给出了不同偏置量下，采用迭代法计算得到的直流磁通值。

表1 不同偏磁条件下迭代法求得的直流磁通值T

由表1中给出的数据可见，在直流偏磁条件下，方圈铁心中的直流磁通随着直流偏置量的增大而增大，随着交流激励的增大而减小。交流激励对直流磁通有着明显的抑制作用。

4 结语

通过对爱泼斯坦方圈的测量研究了变压器中的直流偏磁现象，从谐波分析的角度，研究了直流偏置量对激磁电流中各谐波分量的影响，并给出了直流偏置量与直流磁通间的关系，为进一步研究抑制变压器直流偏磁问题提供依据。

[1]李慧奇，崔翔，侯永亮，等．直流偏磁下变压器励磁电流的实验研究及计算[J]．华北电力大学学报，2007，34（4）∶1-6．

[2]曾连生．直流输电接地极对电力变压器的影响[J]．高电压技术，2005，31（4）∶57-59．

[3]蒯狄正，刘成民，万达．直流偏磁对变压器影响的研究[J]．江苏电机工程．2004，23（3）∶1-5．

[4]曹林，曾嵘，赵杰，等．高压直流输电系统接地极电流对电力变压器运行影响的研究[J]．高压电器，2006，42（5）∶346-349．

[5]皇甫成，阮江军，张宇，等．变压器直流偏磁的仿真研究及限制措施[J]．高电压技术，2006，32（9）∶117-120．

[6]朱艺颖，蒋卫平，曾昭华．抑制变压器中性点直流电流的措施研究[J]．中国电机工程学报，2005，25（13）∶1-7．

[7]尚春．HVDC地中电流对交流变压器影响的抑制措施[J]．高电压技术，2004，30（11）∶52-54．

[8]曹华贵，爱泼斯坦方圈测电工钢片直流偏磁性能方法研究[J]．中国制造信息化，2009，38（11）∶40-43．

[9]王祥珩，徐伯雄.变压器的直流偏磁问题[J].变压器，1992，29（8）∶11-14.

（本文编辑：杨 勇）

Test and Analysis of DC Magnetic Bias Based on the Epstein Frame

CHEN Bin，ZHU Liang，XU Peng-lai

（Zhejiang Taizhou Electric Power Bureau，Linhai Zhejiang 317000，China）

The DC current flowing into transformer winding through ground neutral point may lead to a series of damages to the power transformer in monopolar ground return operation mode of HVDC transmission..A-long with the application and development of HVDC transmission system,DC magnetic bias has been attached more and more importance.The research on DC magnetic bias problems will not only contribute to revealing the bias mechanism but also provides an important guide to the design and operation of transformer.This paper performs DC magnetic bias tests to which the Epstein square is applied.All harmonics of exciting current are analyzed to study the effectof DC magnetic bias on exciting currentand saturated iron core.

HVDC transmission；DC magnetic bias；power transformer；harmonic；exciting current

TM406

：A

：1007-1881（2010）09-0001-03

2010-06-13

陈 斌（1965-），男，浙江临海人，工程师，长期从事过电压和变电检修技术管理工作。