直流偏磁条件下电力变压器的磁化机制与建模方法研究

摘要

高压/特高压直流输电系统工作在单极大地回线运行方式，以及太阳耀斑引起的地磁感应电流，都会使得地中直流经中性点流入交流电力变压器而导致直流偏磁效应，造成振动加剧、谐波增大以及无功损耗增加等现象。研究变压器铁芯的磁化物理机制和数学建模方法，是定量分析直流偏磁效应的重要基础。J-A理论在电磁装备的磁建模领域应用广泛，但因存在多种不同版本，人们在引用时也多是未加详细甄别，致使磁化建模的有效性难以保证。
　　 本文以铁磁材料的磁化物理机制为基础，从无磁滞磁化曲线以及能量守恒方程等数学描述出发，指出了原J-A理论的不合理及错误之处，并通过引入正确的能量守恒方程，推导出J-A修正理论的数学表征形式。基于非线性寻优算法求取J-A修正模型的关键参数后，针对不同磁材料样本开展了仿真研究，并与测量数据进行比较。研究结果表明，相比于原J-A模型，基于本文修正模型的仿真结果与材料的实测磁特性数据吻合较好，可更准确地模拟铁磁材料的磁化物理过程。进一步，在考虑涡流损耗和附加损耗的基础上，给出了动态磁化时的能量守恒方程，使得提出的J-A修正理论可拓展描述铁磁材料的动态磁化特性。基于提出的J-A修正理论，本文建立了用于研究直流偏磁效应的自耦变压器等效模型。结合我国首条±660kV宁东-山东直流输电工程（银川至青岛），本文针对距青岛换流站30km范围的某220kV电力变压器，定量研究了其励磁电流特性、输出电压特性以及关键影响因素。结果表明，直流偏磁条件下变压器输出电压的偶次与奇次谐波含量均显著增加，使得变压器成为系统的严重谐波源。最后分析比较了现有的直流偏磁抑制措施，并基于本文给出的变压器输出电压谐波含量与中性点直流电流的定量关系，提出一种新的中性点直流电流间接测量方法，为发展直流偏磁抑制措施提供了新的思路。