新型整流变压器直流偏磁下的电磁特性分析

刘 涛，罗隆福，戴丽宦,3，刘俊华，胡是亚,4

(1.湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082；2.国网四川省电力公司南充供电公司，四川南充637000；3.国网湖南省电力公司涟源市供电分公司，湖南娄底417000；4.湖南省送变电工程公司，湖南长沙410082)

新型整流变压器直流偏磁下的电磁特性分析

刘 涛1,2，罗隆福1，戴丽宦1,3，刘俊华1，胡是亚1,4

(1.湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082；2.国网四川省电力公司南充供电公司，四川南充637000；3.国网湖南省电力公司涟源市供电分公司，湖南娄底417000；4.湖南省送变电工程公司，湖南长沙410082)

利用Ansoft软件建立了新型整流变压器的场路耦合数学模型及相应的有限元模型，采用非线性求解精确分析了直流偏磁条件下变压器在空载和稳态运行时的谐波电流情况，并通过加入特征次谐波电流源、投入滤波器研究变压器在抑制谐波、减小机身振动、降低噪声方面的功效，具有一定的实用价值。

新型整流变压器；场路耦合；谐波抑制；电磁特性

谐波和直流偏磁是整流变压器振动加剧的根本原因[1-2]。换流器产生的谐波电流流过变压器的阀侧绕组，产生谐波磁势，形成谐波磁通，最终回馈网侧；流经变压器绕组的直流电流有一部分作为励磁电流使得铁心磁密饱和，磁通发生偏移即直流偏磁，这与很多因素有关，例如太阳磁暴和直流系统单极运行。目前，国内外虽已经有了一定的研究，但对于谐波和直流偏磁引起变压器振动加剧的机理还有待进一步的研究，用于这一方面的仿真软件主要有ANSYS、Ansoft、Matlab等，本文采用Ansoft作为分析软件，主要出于以下两方面的考虑：(1)实验仿真需要采集变压器各种运行状况时详细的电磁场数据，并进行一系列较复杂的后处理；(2)实验涉及三维瞬态磁场和耦合电路协同仿真[3]。

1 三维瞬态场和场路耦合计算原理

瞬态场计算用于分析某一段暂态工况内，宏观电气参量或微观电磁参量与时间的瞬态关系，且兼容于外加电路的控制。在低频瞬态磁场下，对于三维非线性时域电磁场问题，麦克斯韦方程可以写为：

在此基础上，可以构造出两个恒等式：

在求解时，其棱边上的矢量位自由度采用了一阶元计算，而节点上的标量位自由度采用二阶元计算。

场路耦合是指将变压器线圈按“场”观点进行有限元计算的同时又将它们作为元件与外加电压或所带负载连成电路，进行电路分析，其中支路电流用感应电势和外部电路参数来描述[4]。

对新型整流变压器电磁场有限元部分进行数学建模时，近似地把变压器周围三倍空间看作电磁场分布部分，并假设为似稳场，忽略位移电流，空间内每个节点的矢量磁位A可由式(3)求得：式中：Q、K表示系数矩阵，Q可由有限元的单元分析得到，K与磁导率u有关，为磁感应强度B的函数；C为线圈电流与各单元节点之间相互作用的关联矩阵。

2 变压器三维有限元模型

传统的整流变压器及滤波方案虽然应用广泛但在结构上存在着一定程度的不足。滤波装置接在网侧，谐波和无功成分都会流过变压器的原副方绕组，铁心和结构件中通过较强的谐波使得变压器绝缘难度加大，损耗增加，振动和噪音大[5]。感应滤波新型整流变压器通过特殊的绕组布置结构和阻抗匹配将滤波和无功补偿装置移到整流变压器绕组内部，从而克服了无功功率和谐波给变压器带来的不良影响[6]，目前该技术的整流变压器已经工程化应用。要实现这种滤波方式需要同时满足以下两个条件：(1)滤波器应力求达到谐振；(2)通过变压器设计使滤波绕组的基波等值阻抗等于零或近似等于零[7-8]。

该实验变压器由三个单相双柱带旁轭变压器组成，每相变压器左右铁心柱上接有三个绕组，依次为网侧绕组、滤波侧绕组、阀侧绕组，其实物如图1所示，主要技术参数见表1。根据变压器的实际参数，建立有限元剖分模型如图2所示。

图1 单相整流变压器实物

图2 有限元剖分模型

表1 新型整流变压器单相主要技术参数

3 仿真计算分析

3.1 新型整流变压器直流偏磁实验

结合电力系统中磁暴引起变压器直流偏磁及直流输电线路单极运行对交流系统变压器影响情况。在变压器两边网侧绕组注入额定电压激励源，并将一可调直流电源作为直流偏磁激励串入其中一侧(简称左柱)，另一侧做对比实验。首先调整变压器阀侧负载，使变压器工作在额定范围附近，然后通过调整直流电压源的输出改变网侧电流的直流偏置量，经过后处理得到不同直流偏置量下励磁电流如表2所示(直流偏磁所引起的谐波分量主要在前6次，故本次实验只提取前六次谐波进行分析，表2中谐波电流量为实际电流与基波电流的百分比，其他表格同理)。

由表2对比可知，右柱网侧电流虽然受到了直流偏置的影响，但并不明显，这与变压器结构有关，由磁通路径的选择可知，大部分的偏磁通通过左侧旁轭和左柱形成回路，只有较少部分通过右柱和右侧旁轭形成回路。通过比较不同直流偏磁下谐波成分，得出当直流偏磁量较小时，可视为工作在线性区域内，但当直流偏磁量较大时，如直流量大于励磁电流时，铁心大半个周期进入非线性区域，其磁导率严重下降，使得漏磁迅速增大，由电磁力计算公式F=BILsinα知绕组所受电磁力会增大，绕组振动加剧。左柱网侧绕组(直流偏磁侧)负载电流的谐波数值分析如表3所示。

表2 额定负载下励磁电流

在误差范围内，直流偏置对额定负载电流的影响很小。在相同直流偏置电压下，负载的存在与否对原边电流直流分量和高次谐波分量几乎没有影响。负载的存在对原边电流的基波影响最大，因为负载情况下，变压器原边电流主要由负载电流构成，对于副边而言，其电压波形从理论上应为正弦波形，故负载的存在与否对原边电流基波分量的影响最大。

表3 负载下网侧电流

3.2 变压器电磁特性实验

因通过变压器两柱的主磁通大小相等，方向相反，故只列出一侧绕组的电磁特性。考虑到变压器谐波电流来源于阀侧非线性负载、直流偏磁主要是由饱和情况下铁心非线性引起等实际运行情况，在外电路设计时，将谐波电流源从整流变压器阀侧绕组中注入，并在滤波侧接入3、5次全调谐装置。

3.2.1 新型整流变压器电场特性

为真实反应新型整流变压器的电场特性，以系统实测电流为依据，在阀侧绕组上注入3、5次谐波电流，有效值为：24.306 A、14.584 A(阀侧三角形接法绕组)；42.106 A、25.264 A(阀侧星型接法绕组)。通过对变压器的四种运行状态进行仿真，取得各绕组电流波形如图3所示，网侧绕组，滤波侧绕组，阀侧绕组曲线分别为蓝色、粉红色、红色曲线。

图3 绕组电流波形

通过对比可以发现，在实施了感应滤波后，谐波电流很好地被屏蔽于并联的单调谐滤波支路中，新型整流变压器及滤波系统具有很好的滤波效果。

通过后处理分析，未滤波时网侧电流波形与阀侧电流波形类似，谐波含量较大，3、5次谐波含量分别为：32.512 0%、20.568 1%。投入阀侧滤波器时，绕组谐波电流得到了很好的抑制。新型整流变压器网侧电流近似为正弦波，一次侧绕组电流3、5次谐波含有率分别降为：3.294 4%、3.587 8%。由此可见，感应滤波会大大降低变压器的谐波绕组损耗及谐波绕组电动力。同时，直流偏磁在一定程度上会增加电流的偶次谐波含量。

3.2.2 磁场特性分析

图4 整流变压器励磁电流曲线

图4为整流变压器励磁电流曲线。对比发现，感应滤波使得整流变压器磁特性有了很大改善，其主磁密非常接近正弦波，励磁电流正弦性也变得很好。未投滤波器时，铁心主磁通含有一定量的高频分量，励磁电流含有大量高次谐波分量。铁心材料在交变磁场中时会被反复交变磁化，涡流损耗增大。磁铸相互之间不停地摩擦，消耗能量，造成损耗，也就是磁滞损耗。感应滤波的实施有效抑制了铁芯中高频交变磁场所产生的涡流损耗和磁滞损耗。直流入侵下主磁密并没有发生偏移，即磁通无偏移，励磁电流也没有发生畸变，但波形总体有所偏移，即励磁电流中增加了直流分量，特别在投入滤波器的情况下，直流偏磁使得励磁电流的直流分量增加了12%。

同时，变压器铁心振动主要是由硅钢片的磁滞伸缩引起，且是以两倍频率做周期性振动，未投滤波器时，铁心主磁通中含有高次谐波，则铁心振动也含有大量高频分量，噪声增加，并且使变压器铁心的自振频率等于或接近其本身共振频率的可能性大大增加，铁心产生共振的可能性也大大增加。滤波器的投入大大改善了变压器的励磁特性，有效降低了变压器铁心的振动与噪声，大大减小了变压器铁芯发生共振的可能性。

4 总结

本文根据新型整流变压器的实际结构参数，建立新型整流变压器场路耦合数学模型和有限元模型，利用瞬态求解方法，通过场路耦合法对新型整流变压器的电磁特性进行仿真，仿真结果表明新型整流变压器的电磁特性较传统整流变压器得到大大改善。由于铁心磁化曲线的非线性，对于工作于近饱和状态的新型变压器，直流偏磁会使得变压器漏磁增大，谐波特别是偶次谐波含量增大，绕组的电动力也会增大，进而导致绕组发生共振的可能性增加。实施了感应滤波的新型整流变压器，网侧电流中的谐波含量大大降低，谐波电流很好地被屏蔽于全调谐滤波支路和公共绕组所构成的闭合回路中，新型整流变压器及滤波系统具有很好的滤波效果，大大降低了变压器的谐波绕组损耗及谐波绕组电动力，励磁电流和铁心主磁通波形接近正弦，这有助于降低变压器铁心损耗和振动。

[1]王志敏，顾文业，顾晓安.大型电力变压器铁心电磁振动数学模型[J].变压器，2004，41(6)：1-5.

[2]贺以燕.高压直流整流变压器结构、标准及试验[J].电力设备，2006，7(11)：53-57.

[3]张倩，胡仁喜，康士廷.Ansys12.0电磁学有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2010.

[4]许加柱，罗隆福，李季，等.基于场路耦合法的大电流互感器屏蔽绕组分析[J].中国电机工程学报，2006，26(23)：167-172.

[5]POVH D.Role of HVDC transmision in future energy develop[J].IEEE Power Engineering Review，2000，145(2)：10-25.

[6]罗隆福，李季，许加柱，等.基于新型整流变压器的谐波治理研究[J].高压电器，2006，42(2)：96-98.

[7]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功补偿[M].北京：机械工业出版社，1999.

[8]李季，罗隆福，许加柱.新型整流变压器的谐波电流分析与计算[J].电工技术学报，2008，23(8)：53-59.

Analysis of electromagnetic characteristics of novel converter transformer under circumstance of DC magnetic bias

LIU Tao1,2,LUO Long-fu1,DAI Li-huan1,3,LIU Jun-hua1,HU Shi-ya1,4
(1.College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha Hunan 410082,China;2.State Grid Nanchong Power Supply Company,Nanchong Sichuan 637000,China;3.State Grid Lianyuan Power Supply Company,Loudi Hunan 417000,China;4.Hunan Electric Power Construction Company,Changsha Hunan 410082,China)

A field-circuit coupled mathematical model and the corresponding 3D finite element model of a new type converter transformer were established by Ansoft.By adopting the method of nonlinear calculation,the harmonic current on the condition of DC magnetic bias was accurately analyzed, including both no-load and steady-state operation of the transformer.The function of the transformer on suppressing harmonic,reducing body vibration and noise was studied through adding characteristics subharmonic and the filter,and it was of some practical value.

novel converter transformer;field-circuit coupled;harmonic suppression;electromagnetic characteristics

TM 42

A

1002-087 X(2017)10-1479-03

2017-03-12

国家自然科学基金(51077045)

刘涛(1987—)，男，四川省人，硕士生，主要研究方向为变压器物理场分析。