直流偏磁条件下变压器励磁电流仿真及实验研究

宋佩利 祁斌 孙臻 连鹤林

摘要：针对电力网变压器直流偏磁问题，本文基于一台单相变压器，对其空载运行时的直流偏磁问题进行了仿真及实验研究。对比不同直流偏磁下的励磁电流及谐波波形，对直流偏磁下偶次谐波增大原因进行了分析研究。对比仿真及实验结果，其变化趋势一致，验证了仿真的正确性和可靠性。为研究大型电力变压器直流偏磁现象奠定了基础。

关键词：变压器;直流偏磁;励磁电流;谐波

1 绪论

由于直流输电网、地磁暴变化等因素，引起变压器中性点接地电位升高，使变压器铁心每隔半个周期就会出现磁饱和，励磁电流畸变。直流的入侵，使变压器出现严重的偏磁饱和现象，引起铁心漏磁增大、金属结构件损耗增加、温升增加、局部过热、绝缘破坏、噪声增大、振动加剧等后果。直流偏磁的大小和持续时间的长短也会影响变压器关联电网的安全运行，系统电压降低，系统继电器误动作等[1-4]。许多学者将注意力转移到变压器直流偏磁问题上来。

本文针对一台单相变压器，建立其空载运行时的等效模型，利用有限元方法对其直流偏磁下的励磁电流及谐波进行仿真。并对该变压器进行直流偏磁条件下空载实验，与仿真结果比较，验

证了仿真方案的正确性与可行性。为研究大型电力变压器直流偏磁现象奠定了基础。

2 磁特性测量

考虑到变压器结构、接缝以及搭接形式的影响，首先对变压器的磁特性进行测量。实验电路连接图如图1所示。系统经过稳压器输出一额定电压为220V相对稳定的交流电压，通过可调变压器调节加到变压器二次侧电压大小，变压器一次侧开路。A为示波器交流电流钳，V为示波器高压探头[5]。

利用调压器逐渐增加被试变压器二次侧电压大小，利用示波器交流电流钳和差分探头测量励磁电流波形及一次侧电压值波形。

根据电磁感应定律：

可以得到磁感应强度B的计算公式：

式中，为初级绕组的感应电势，为通过铁心的磁链，为一次侧匝数，为铁心横截面积。

引入平均磁路长度，根据全电流定律：

可以得到磁场强度的计算公式：

通过公式（1）、（2）对以上数据进行计算处理，得到对应的磁场强度和磁感应强度，繪制出变压器在空载运行时的基本磁化曲线如图2所示，磁滞回环族如图3所示。

3 模型变压器仿真分析

表1所示为变压器基本参数。根据表1参数，对变压器进行系统仿真，得到不同直流偏磁下的励磁电流和谐波波形。如图4、图5所示。

由图4可以看出，无直流时励磁电流正负半周对称，偏磁电流0.5A时励磁电流向上偏移，偏磁电流1A时励磁电流继续向上偏移，波形严重畸变。

由图5可以看出，无直流时励磁电流谐波以奇次谐波为主，3次谐波含量最大。偏磁电流0.5A时，偶次谐波增加比较明显，奇次谐波也有所增加，2次谐波与3次谐波含量基本相等。偏磁电流1A时，各次谐波均明显增加，2次谐波增加最为明显，其谐波含量已超过3次谐波含量。

4 模型变压器实验分析

图6为变压器直流偏磁实验接线图。两台变压器T1、T2参数、尺寸完全一致。一次侧并联接入电网，二次侧反向串联，以抵消由直流引入带来的反电势。将直流源DC串联接入二次侧，通过可调变阻器调节偏磁电流大小。图7所示为实验现场。

5直流偏磁下变压器偶次谐波产生机理

如图10所示，为直流偏磁下，变压器空载电流波形。当无直流偏磁时，励磁电抗仅与感应电势及空载电流有关;当发生直流偏磁时，励磁电抗与交直流共同作用下产生的感应电势及励磁电流有关。

因此，通过回路电阻的反馈，使励磁绕组中出现偶次谐波电压，产生偶次谐波磁通。

6结论

[1] 李泓志，崔翔，卢铁兵，程志光，刘东升，焦翠萍. 变压器直流偏磁的电路-磁路模型[J].中国电机工程学报，2009，29（27）：119-125.

[2] 李晓萍，文习山.三相五柱变压器直流偏磁计算研究[J].中国电机工程学报，2010，30（1）：127-131.

[3] 赵小军，李琳，程志光，鲁君伟，焦翠坪.应用谐波平衡有限元法的变压器直流偏磁现象分析[J].中国电机工程学报，2010，30（21）：103-108.

[4] 彭晨光，刘连光.基JA理论的750K自耦变压器直流偏磁研究[J].华东电力，2010，38（3）：349-353.

[5] 赵志刚，刘福贵，颜威利，张俊杰，刘兰荣，范亚娜，程志光.直流偏磁条件下变压器激磁电流的实验与分析[J].电工技术学报，2010.25（4）：71-76.