某220 kV变电站直流偏磁引起的电流谐波分析

徐志，李胜男

（云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217）

0 前言

随着高压直流输电技术的不断发展，其应用也越来越广泛，而由此导致的变压器直流偏磁现象也得到了广泛地关注。目前，广东和云南分别南方电网内直流输电工程落点和起点最多的地方，也是受直流偏磁影响相对严重的地方，特别是广东电网。广东电网就发生过直流偏磁影响变压器正常运行的事件，2015年±800 kV普侨直流系统调试直流偏磁试验过程中，广东电网就发生过直流偏磁导致电厂变压器停运的案例。考虑到直流偏磁对变压器的严重影响，南方电网在±800 kV云广直流之后的所有新建投运的直流工程在系统试验阶段都安排了直流偏磁测试工作，以此评估直流投运后单极大地方式对周边交流变压器的影响程度，为电网运行提供参考。

变压器直流偏磁一个显著的特点是造成变压器激磁电流严重畸变[1]，产生大量谐波，这方面的研究目前已有很多，但主要停留在基于试验和仿真研究上，少有基于现场数据进行的分析。基于此，本文结合2016年6月投产的±500 kV金中直流偏磁测试数据进行直流偏磁引起的谐波分析。力求发现直流偏磁导致的谐波电流分布规律，探究基于谐波分布特点进行变压器直流偏磁的诊断的可行性，进一步为变压器直流偏磁的治理提供依据。

1 理论分析

1.1 变压器直流偏磁的基本原理

从电磁场理论上讲，直流分布的本质是交流电网等效直流网络为入地直流电流提供了除大地之外的散流通路。变压器交流过励磁情况下，铁心磁通密度增加，励磁电流产生畸变，变压器工作在磁化曲线非线性的区域，励磁电流波形为尖顶波，且正负半波对称，谐波成分为3次、5次、7次等奇数次谐波[2]，如图1(a)所示。变压器在直流偏磁下，直流与交流磁通相叠加，与直流偏磁方向一致的半个周波的铁心饱和程度增加，另外半个周波的饱和程度减小，对应的励磁电流波形呈现正负半波不对称的形状。随着流入变压器的直流电流增加，励磁电流畸变愈严重，并在励磁电流增大到一定程度后严重半周饱和，其谐波分量越来越大且出现随直流电流增加而快速增长的偶次[3]（主要是2次）谐波，如图1(b)所示。

图1 变压器过励磁电流示意图

1.2 考虑磁滞效应的变压器模型

根据采用Jiles-Atherton原理[4]描述变压器铁心的磁化特性，其非磁化曲线采用改进的Langevin函数，根据该原理得到如下M-H关系：

式中，Man=Ms f(He)，f(He)为非磁滞磁化曲线表达式，Ms为饱和磁化强度，He为有效磁场，f是He的函数。α为平均场系数，反映磁畴间的耦合[5-6]。δ和K为磁畴牵制作用的参数。系数c为磁畴可逆运动的参数。Jiles-Atherton模型是一个多参数模型，其Ms、a、c、K和α参数的确定比较困难。

以变压器的数学模型为基础，建立起描述变压器端口的电压电流关系的数学方程。并将副边归算到原边后的变压器T型等效电路模型，可得到铁心绕组的微分方程为：

式中，N1为原边线圈匝数，S为铁心截面积，为磁路等效长度，为励磁电流。此模型适用于单相变压器以及三相组式变压器的仿真计算[7-8]。

变压器由于导磁材料（硅钢片的）磁化曲线的非线性关系，有直流分量时励磁电流的畸变是由变压器磁化曲线端部的非线性引起的，在一定励磁电压下，激磁电流的波形也取决于铁芯的饱和程度[9-10]，即铁芯磁密度Bm的大小。当变压器处于饱和状态，励磁电流的大小除了与变压器设计有关外，还与直流电流的大小密切相关。

2 仿真分析

220 kV某变电站，距离金中直流输电工程送端接地极16公里左右，是受金中直流影响最大的变电站。进行偏磁测试的变压器是该变电站1#主变，该变压器是中山ABB公司的三相三绕组组合式变压器，型号是SFSZ11-H-150000/220GYM，额定容量150 MW，高中低压侧额定电流分别是393.6 A、753.1 A、1202.8 A。空载损耗为94.04 kW(0.0006 pu)，高中压侧负载损耗为431.17 kW(0.0028 pu)，高中压侧漏抗为0.1 pu。

偏磁测试过程中，35 kV低压侧负荷几乎为零，为了简化仿真计算，建模选用220 kV双绕组变压器进行仿真计算。详细参数按照1#主变高中压侧参数进行设置。

在电力系统电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中进行直流偏磁仿真分析，如图2所示，仿真采样频率为292 kHz。变压器饱和模型是仿真分析的关键所在。

图2 直流偏磁仿真模型

PSCAD/EMTDC中UMEC变压器模型可以很方便的设置变压器的饱和特性，选用UMEC单相双绕组变压器模型构成变压器模型。鉴于Jiles-Atherton模型的变压器铁芯饱和模型[11-12]，需要的参数较多，而且有些需要通过实验来获得，而变压器厂家又没有提供。仿真考虑在该模型的基础上，采用插值法拟合励磁V-I特性曲线来表示铁芯饱和特性[13-14]。变压器模型及饱和特性如下图3所示。

图3 直流偏磁仿真模型

模拟金中直流单极大地不同功率运行方式时流入变压器中性点的电流情况，在变压器高中压侧接地点注入分别5 A，15 A以及2 A和4A的直流电流。并分析变压器高压侧励磁电流情况。具体如图4所示。图4（a）是流入变压直流电流为15 A时的高压侧电流频谱图，由图可以得出以下结论：

图4 直流偏磁仿真结果

1）直流偏磁造成的励磁电流谐波主要分布在2次到8次，2次谐波最大，其次和4次和5次谐波。

2）3次、6次、9次等3的倍数次谐波电流相对较小。

3）在直流电流上升过程中，谐波会出现瞬时增大，这一点从谐波趋势图也可以看出。

对于第二点，3的倍数次谐波电流较小，考虑是由于YY接线的原因或者是铁芯结构造成的，后来对单相变压器进行了同样参数下的仿真，发现3的倍数次谐波仍然很小。至此，可以认为造成3的倍数次谐波小的原因主要是直流磁通饱和造成的，与变压器铁芯结构及接线方式无关。

图4（b）是仿真过程中2-10次电流谐波的趋势图。由图不难发现：随着流入变压器的直流分量的增大，励磁电流畸变越来越严重，1#主变高压侧电流中谐波电流越来越大；具体是，2-10次谐波都在增大，其中2次谐波增大最为明显、其次是4次、5次谐波，3次、6次、9次谐波等零序谐波增大最不明显。

3 实际测试数据与分析

3.1 测试方法与数据

进行金中直流单极大地运行直流偏磁测试试验。

直流入地电流依次为700 Adc，1600 Adc，3200 Adc。1#主变高压侧检测到流入大地的偏磁电流分别为-1.2 Adc，-3.2 Adc，-6.5 Adc。偏磁电流趋势图如图5所示。

图5 1#主变高压侧中性点直流电流趋势图

同时用谐波分析仪器记录到高压电流谐波情况如下图6所示。

图6 1#主变高压侧（2-10次）谐波电流趋势图

对比分析图5和图6，排除电网背景谐波的影响（主要是3次和5次谐波影响）。可以发现随着流入变压器直流电流的增大，2-10次谐波电流也在增大，其中2次谐波增大最为明显、其次是4次、5次谐波，而3次、6次、9次谐波等零序谐波相对不明显。

3.2 测试结果分析

实际测试试验结果与仿真结果基本吻合，这说明对于三相组合式变压器而言，直流偏磁对励磁电流谐波的影响有以下规律：

1）谐波含量随着偏磁电流的增大而增大；

2）直流偏磁将产生大量的偶次谐波，以2次谐波为主，4次、5次谐波次之，3的倍数次谐波相对最小；

3）最后，考虑到单相变压器和三相组合式变压器铁芯结构的相似点，直流偏磁对二者影响相同，该结论适用于单相变压器。

4 结束语

本文结合仿真结果和实测数据，二者相互佐证，很好的揭示了变压器直流偏磁的谐波电流特点。谐波分量以2次谐波为主，4次、5次谐波次之，3的倍数次谐波相对最小。这与常见的非线性负荷等引起的电网谐波有明显区别。研究工作进一步了解了变压器直流偏磁谐波分布规律，为变压器直流偏磁诊断提供了可靠依据。考虑到不同铁芯结构的变压器的励磁磁场分布的不同，特别是自耦变压器、三相三柱变压器以及三相五柱变压器等，还有待进一步研究，这也将是以后类似研究工作的重点。