基于有限元法的三相五柱变压器直流偏磁研究

佘立伟++王林青++邓杰文

摘 要：直流偏磁现象是指有直流电流流过中性点到变压器的绕组中。这一现象将对变压器的正常运行产生不利影响——导致变压器局部过热、铁芯漏磁增大以及绝缘老化。提出了一种在直流偏磁情况下研究三相五柱变压器空载的二维瞬态场路耦合有限元分析方法，分析了在不同直流偏磁的情况下，变压器铁芯磁力线分布情况和励磁电流情况。分析结果表明，随直流电流的增加，变压器铁芯饱和度和漏磁增大，磁感应强度增加，励磁电流谐波畸变变小，三相五柱变压器的抗直流偏磁能力变强。

关键词：变压器；直流偏磁；瞬态场路耦合；励磁电流

中图分类号：TM41 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.06.021

直流输电系统单级运行，交直流输电系统共地，直流通过交流系统接地极流进入变压器，引起变压器直流偏磁现象，导致铁芯半周严重饱和，漏磁增加，励磁电流谐波畸变增大，无功损耗增加，严重时，会对变压器本体造成永久性的破坏。

国外文献的分析研究多建立在等效电路磁路模型上，本文所引的文献[4]分析了接地极直流电分别对三相芯式、三相五柱式和三相分体式等不同变压器偏磁的影响，文献[5]利用EMTDC分析了电网GIC引起的变压器直流偏磁现象。上述文献虽描述了变压器直流偏磁现象，但未对变压器内部磁场分布变化予以描述，难以满足工程人员的需求。

变压器电磁场分析常采用有限元法直接在时域中求解场域方程。该方法计算量大、效率不高。本文拟采用瞬态场路耦合有限元法将变压器瞬态电磁场的计算分拆为场与路的耦合计算来分析三相五柱大型电力变压器。该方法基于改进型的场路耦合模型，通过材料属性和电磁特性来处理内部电磁过程和外端电路的约束，有效提高了计算效率和求解精度，并分析了空载下直流偏磁的励磁特性以及不同直流入侵下漏磁、励磁电流畸变等情况。

1 直流偏磁机理和有限元模型

1.1 直流偏磁机理

图1为直流偏磁示意图。当变压器绕组中通过直流电流，发生直流偏磁的时候，变压器绕组中将通有直流电流，变压器主磁通将出现由直流电流产生的直流磁通。该直流磁通与励磁磁通相叠加，形成偏磁时总的磁通密度。同时，该磁通和与直流偏磁方向相同的半个周波磁通密度增大，而另外半个周波磁通密度减少。此时，所对应的励磁电流呈现正负半波不对称的状态，导致铁芯半周严重饱和，励磁电流发生相应畸变，谐波增加。

不难发现，变压器绕组中的直流分量越大，则励磁电流畸变越严重。原本变压器在线性区域工作，励磁电流基本为正弦交流，但随着直流分量的加入，受直流磁通的影响，铁芯在偏磁一侧迅速进入饱和状态，而另外一侧继续处在线性段。这是由只有一侧畸变所引起的。

1.2 二维非线性瞬态场路耦合有限元模型

采用瞬态场路耦合有限元法对直流偏磁对于空载变压器运行性能的影响进行分析，二维非线性场路耦合有限元分析法如图2所示。其中，图2（a）为外电路部分的变压器端部限制，图2（b）为变压器有限元部分求解区域。在变压器内部，矢量磁位 满足：

. 2.1 直流偏磁磁通

图4 三相五柱电力变压器铁芯的磁场分布图

三相五柱电力变压器铁芯的磁场分布如图4所示。图4中的采样点为0.06 s时刻，其中，（a）（b）（c）（d）分别为直流分量150 A单独作用下、正常励磁作用下、150 A直流偏磁作用下和300 A直流偏磁作用下三相五柱电力变压器铁芯的磁场分布图。从图4中不难看出，直流励磁单独作用下产生的是零序磁通，激励磁力线经过空气，旁路芯柱闭合，主磁路零序磁阻很大，不走主磁路。经过计算，150 A直流偏置时铁芯磁通最大为2.182 4 T，比正常励磁（1.694 7 T）大得多，且铁芯严重饱和，漏磁通明显增多；250 A直流偏置时铁芯最大磁通为2.272 0 T，铁芯高度饱和，漏磁增大，变压器损耗增加。

2.2 直流偏磁励磁电流

为便于分析，三相励磁电流取2个周期，三相励磁电流取A相电流进行谐波分析。励磁电流及A相谐波分布如图5所示，谐波分布如表1所示。

3 结论

本文主要提出了瞬态场路耦合有限元的分析方法，并采用该方法分析了不同大小直流入侵情况下变压器直流的偏磁情况，包括主磁通、漏磁、励磁电流大小和谐波分析。计算结果表明，在三相五柱电力变压器直流偏磁情况下，直流量越大，铁芯饱和越严重，漏磁通经空气、绕组闭合的趋势越明显。在直流偏磁情况下，励磁电流虽然不对称，但是比正常励磁作用下的情况要好，电流畸变不严重。在大型三相五柱电力变压器中，旁路芯柱为零序磁通提供了通路，但是通路较窄，虽受直流偏磁的影响，但是影响较小，其抗直流偏磁的能力较强。

参考文献

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〔编辑：王霞〕