简析直流偏磁条件下变压器铁心振动问题

马嫱 刘飞达

摘要：本文对直流偏磁条件下变压器铁心情况进行了简析，提出基于商用软件分析的方法，服务于今后的研究与设计。

关键词：直流偏磁  变压器  铁心

1 引言

因直流输电网络、地磁变化等各种原因，变压器激磁电流中会出现大小不同的直流分量，也就是说铁心中存在了直流磁通，继而会产生大量谐波分量，从而使变压器空载损耗增加，伴随着铁心的振动噪声增大，這种现象持续发生会严重影响电力系统的正常运行，可能引起系统保护开关的误动作，给系统的安全运行带来极大的隐患。

随着人们对环境意识的提高和环保部门对各类噪声的限制，特别是近年来一些变电站有时需要建于商业区和居民区内，对变压器噪声设计提出了更严格的要求。变压器的振动噪声加剧，不但给周围居住人的生活带来不便，同时也极大地影响了人们的日常生活和身心健康。铁芯是变压器主要的噪声源，所以研究直流偏磁条件下铁芯的振动噪声对减小变压的噪声有着重要的意义，可以减小对周围居住人和环境的影响，同时也提高了资源的利用率，降低环境的污染，既符合生产实际的需要，也符合当今社会所提倡的节能减排、低碳环保的主题。

2 直流偏磁条件下变压器铁心情况

当变压器绕组中流过直流电流特别是超过其耐受程度的直流电流时，变压器铁心磁通易出现饱和现象且谐波分量增加，磁滞伸缩加剧，会使变压器的损耗增加、绕组温升增加，引起局部发热，噪声增大，振动位移加大。变压器的振动噪声过大可能导致铁芯松动、绕组变形、温升增大，并可能造成绝缘强度的进一步降低，严重影响其正常运行，甚至有可能引起变压器的损坏，同时也会影响交流电网的正常运行。电力变压器作为电力系统的核心设备，其运行可靠性显得越发重要。

变压器直流偏磁现象是指由于某种原因导致变压器铁心中出现了直流磁通，使得变压器铁心正负半周不对称饱和以及由此引起的一系列电磁效应。变压器在直流偏磁条件下直流和交流磁通共同作用，形成偏磁时铁心的总磁通。

铁磁材料的磁性能，如材料的磁化曲线、损耗曲线、磁滞回线等是进行电磁场分析必不可少的基本材料参数。通常情况下，生产设计和工程计算用到的材料参数是各硅钢片材料制造厂提供的性能参数，材料的测量的条件是在工频条件下且没有考虑直流偏磁磁场对硅钢片的作用，准确获取直流偏磁条件下变压器铁心电磁性能参数数据是计算分析偏磁磁场的关键问题[1]。可以采用和实际变压器发生直流偏磁时相同的交直流串联激励的方式，试验与仿真相结合，确定直流偏磁条件下铁心材料的磁性能曲线。

3基于商用软件分析方法

关于直流偏磁下变压器铁心振动噪声问题的研究，实际上是一个多物理场耦合计算问题。其中涉及的内容主要包括：首先应用场路耦合方法计算电磁场中的直流偏磁问题，应用外电路的加载方式计算磁场模型，建立交直流叠加的电压源激励源，实现电路和电磁场的耦合;在结构力场中将电磁场中的计算结果作为激励和结构力场变量进行耦合;通过进一步的计算结果可以将结构力场中的计算结果作为载荷和声场的变量进行耦合，从而实现了直流偏磁条件下变压器振动噪声的仿真计算。

COMSOL软件可以实现上述多次耦合场的计算。该软件是以有限元方法为基础，将整个区域分割成许多个小单元，将求解边界问题的原理应用于这些小单元中进行求解，然后把各个小单元的结果汇总起来得到整个区域的解。COMSOL中的每个模块都有各自的偏微分方程，将偏微分方程联立成方程组进行求解来实现各个物理现象的仿真。用户可以根据问题需要选择所需要的模块，快速实现多物理场的耦合分析，其实质就是求解偏微分方程组。COMSOL中的基本求解步骤是：选择所需模块方程及确定偏微分方程，创建或导入物理模型，设定材料属性，选择适当的边界条件，进行网格剖分，选择求解器和进行求解。

4 结论与展望

从上述分析可以看出，从工程实用的角度出发，提出了分析直流偏磁条件下铁心振动问题的方法，为将来产品结构件的材料选型，损耗计算提供科学依据。

参考文献：

[1] 赵志刚.电力变压器直流偏磁问题的工程模拟[M].河北工业大学.

[2] 刘传彝.电力变压器设计计算方法与实践[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2002.

[3] 李晓萍，文习山，蓝磊，等.单相变压器直流偏磁实验与仿真[J].中国电机工程学报，2007，27（9）： 33-40.