直流偏磁条件下电力变压器谐波的仿真计算与试验研究.pdf

试验研究 直流偏磁条件下电力变压器谐波的 仿真计算与试验研究 郭满生 1，梅桂华2，刘东升1，程志光1 （1.保定天威保变电气股份有限公司，河北 保定 071056；2.广东电网公司电力科学研究院， 广东 广州 510600） 摘要：对变压器在不同直流偏磁条件下励磁电流谐波进行了研究，并进行了仿真分析。 关键词：变压器；直流偏磁；励磁电流；谐波 中图分类号：TM406文献标识码：B文章编号：10018425（2010）12002805 1 引言 近 年 来 ， 随 着 我 国 超 高 压 直 流 输 电 系 统 （HVDC）的广泛运用，换流站附近的中性点接地变 压器出现了直流偏磁现象。 当直流输电系统单极大 地回线方式或双极不平衡方式运行时， 巨大的直流 电流注入大地，经大地流到直流系统的另一端，流过 时在流经的大地路径上产生电位差。 当两个变电站 之间地质条件较差（电阻较大）时，电位差也较大。如 果交流变压器在附近运行,直流电流将通过变压器 中性点接地点及输电线路组成的通路流经两侧变压 器绕组， 这一流经变压器绕组的直流电流作为励磁 电流，必然要在铁心内部产生一定数值的直流磁通， 引起变压器直流偏磁问题。 其结果是加剧铁心磁密 的饱和程度，从而产生谐波,引起噪声、过热和振动 等问题， 对接地极附近中性点接地变压器的正常工 作造成较大的影响，严重时可造成变压器的损坏，并 可能引起保护的误动。 随着我国直流输电系统的不 断发展，变压器直流偏磁问题日益突出，并已经成为 变压器制造厂家所必须解决的重要课题。 直流偏磁条件下， 获得的励磁电流通常是非正 弦波形，且正负半周严重非对称，随着直流电流的增 大，激励源的高次谐波分量明显增加。因此直流偏磁 问题是一个非线性、非对称瞬态场问题。要进行变压 器直流偏磁条件下励磁电流的仿真计算， 就必须对 变压器铁心在直流偏磁条件下的磁场特性等进行深 入分析。基于变压器产品级模型，笔者在对偏磁条件 下变压器铁心磁场特性进行深入研究的基础上，对 变压器偏磁励磁电流及其谐波进行了仿真计算。 对 变压器谐波测量的试验表明， 仿真计算结果满足工 程需要， 该变压器不同直流偏磁条件下得到的谐波 特性是符合实际的。 2 直流偏磁条件下变压器铁心的磁化特性 2.1关于产品级模型 为了研究大型变压器的偏磁特性，按照1/50的 比例，制作了变压器模型，考虑到直流偏磁对单相变 压器的影响最大，制作的模型为单相三柱结构，其材 料和结构均与大型变压器产品相同， 模型的有关技 术参数如表1所示。 Simulation Calculation and Test Research on Harmonic Wave in Power Transformer under DC Bias GUO Man-sheng1, MEI Gui-hua2, LIU Dong-sheng1, CHENG Zhi-guang1 （1.Baoding Tianwei Baobian Electric Co., Ltd., Baoding 071056, China; 2.Guangdong Power Test & Research Institute, Guangzhou 510600, China） Abstract：The excitation harmonic currents of transformer under different direct current are researched. It is simulated and analyzed. Key words：Transformer；DC bias；Excitation current；Harmonic wave TRANSFORMER 第 47 卷 第 12 期 2010 年 12 月 Vol.47 December No.12 2010 郭满生、 梅桂华、 刘东升等： 直流偏磁条件下电力变压器谐波的仿真计算与试验研究第 12 期 2.2直流偏磁条件下变压器铁心的-I曲线 该模型实测空载电流I0=3.2A,在试验研究的基 础上得到的直流偏磁电流为Idc=1.26A、2.53A、3.2A （相应于空载电流有效值的40%、80%和100%）时的 -I曲线，如图1所示。 由于没有测得直流磁通， 图1只是交流偏磁磁 化曲线，即值关于I轴上下对称。 实际上，偏磁时 由于交直流共同作用， 交流磁通须加上一个，图 2中列出了Idc=3.2A时考虑和没有考虑偏 磁条件下交直流共同作用时的平均磁化曲线。 变压 器直流偏磁条件下励磁电流的计算将以考虑偏 磁条件下交直流共同作用时平均磁化曲线为基础。 3 单相三柱电力变压器偏磁条件下励磁电流 谐波的仿真计算和试验 3.1仿真计算 当变压器中存在直流偏磁时， 励磁电流的波形 发生严重畸变，正半周出现尖峰，且其峰值较无偏磁 时大得多，如图3中的虚线表示的电流。本项目仿真 计算采用迭代法。 计算条件为： （1）偏置后的磁通波形为正弦波。 （2）直流偏置量Idc。 （3）铁心的-I曲线。 该方法的基本原理：先假定适当的偏磁量B，根 据变压器铁心的磁化特性（-I曲线），得到相应的 励磁电流波形f（t），非正弦、非对称的周期量；将该 励磁电流的按式（1）确定直流分量Ixdc： Ixdc= 1 T T 0 乙f（t）dt （1） 将Ixdc与已知的偏磁电流相Idc比较， 根据二者 相等的目标修正偏磁量B；经过反复计算比较最终 确定相应的偏磁量B和励磁电流波形f（t）。 3.2试验研究 试验线路如图4所示， 图中Tr为试验变压器， D1为变压器模型，直流源电流可调，调节一定的直 流电流，施加变压器模型以额定电压，就可以从功率 分析仪中测得励磁电流的波形。 4 结果分析 该变压器无偏磁情况下即Idc=0时，变压器励磁 表1直流偏磁单相变压器模型技术参数 型号D-50/231 电压/kV（2318%）/231 联结组标号Ii0 短路阻抗/%7.85 绕组匝数（HV/LV）69/64 铁心用硅钢片型号30RGH120 额定磁密/T1.69 Talbe 1Parameters of single -phase transformer under DC bias Idc=1.26AIdc=2.53AIdc=3.2A 0 10203040-10-20 0.01 -0.01 -0.02 I/A /Wb 图1当Idc=1.26A、2.53A、3.2A时-I曲线 Fig.1 -I curves during Idc=1.26A, 2.53A and 3.2A 图2当Idc=3.2A时-I曲线（考虑） 0.02 0.01 -0.01 0 102030-10 没有考虑 考虑 /Wb I/A -0.02 Fig.2-I curves during Idc=3.2A （r） （t） 0 t （a） （c） （b） i（t） i（t） t - 图3直流电流对变压器励磁电流的影响 Fig.3Influence of direct current to excitation current of transformer 29 第 47 卷 电流波形如图5a所示， 当Idc=1.26A、2.53A、3.2A时 的励磁电流波形如图5b图5d所示。 其幅值和频谱 数值分别如图6、图7所示。 分析图5的波形，得到图6及表2、表3，可以看 出， 不同直流偏磁条件下的励磁电流仿真计算值与 试验值有效值偏差在5%以内，说明仿真计算是正确 的。 不同直流偏磁条件下的励磁电流实测值频谱分 析与仿真结果比较如图7所示， 从图7中可以看出 TrCTD1 Idc M 图4励磁电流测试线路 Fig.4Test circuit of excitation current 实测值仿真计算值 00.010.020.030.040.05 I/A T/s 25 20 15 10 5 0 -5 （c）Idc=2.53A 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 00.010.020.030.040.05 实测值仿真计算值 （a）Idc=0A T/s I/A 实测值 仿真计算值 I/A T/s （b）Idc=1.26A 00.010.020.030.04 0.05 15 10 5 0 -5 30 25 20 15 10 5 0 -5 实测值 仿真计算值 0 0.010.020.030.040.05 I/A T/s （d）Idc=3.2A 图5励磁电流波形图 Fig.5Waveforms of excitation current 8 6 4 2 0 024 Irms/A Idc/A 5 4 3 2 1 00 100200 Imi/Im0 Idc/Am-1 试验值 仿真计算值 仿真计算值 试验值 图6励磁电流有效值和幅值曲线 Fig.6Curves of amplitude and effective value of excitation current 8 6 4 2 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 试验值仿真值 频率/Hz I/A （a）Idc=0A 8 6 4 2 0 I/A 050 100 150 200 250 300 350 400 450 500 试验值仿真值 频率/Hz （b）Idc=1.26A 8 6 4 2 0 I/A 050 100 150 200 250 300 350 400 450 500 试验值仿真值 频率/Hz （c）Idc=2.53A 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 试验值仿真值 频率/Hz （d）Idc=3.2A 8 6 4 2 0 I/A 0 图7不同直流偏置条件下励磁电流频谱计 算与试验值的比较 Fig.7Calculated and tested values of excitation current spectrum under different DC bias 表2不同直流偏磁条件下励磁电流仿真值 与试验值 偏置电流Idc/A01.262.533.2 仿真有效值/A3.174.475.737.26 试验有效值/A3.184.355.697.03 偏差/%-0.212.70.763.29 Table 2Simulated and tested values of excitation current under different DC bias 30 郭满生、 梅桂华、 刘东升等： 直流偏磁条件下电力变压器谐波的仿真计算与试验研究第 12 期 励磁电流频谱计算值与实测值的趋势相吻合， 且比 实测值偏严。 不同直流情况下THD（谐波总量）与直流电流 的关系曲线如图8所示。 随着Idc的增加，THD呈缓增趋势， 当Idc=3.2A， THD达到84.5%，为本次最大值。 不同直流偏置条件下的励磁电流各次谐波幅值 大小比较如图9所示。为了进一步说明问题，将单相 模型各次谐波与基波比值与直流电流关系曲线作 出，如图10所示。从图10可以看出随着偏置电流的 增加，偶次谐波增幅明显，以2次谐波增幅最大。 5 结论 基于产品级单相三柱变压器模型的磁化特性 I曲线， 建立了直流偏磁励磁电流及其谐波的工 程解法。 模型实测表明励磁电流计算有效值与试验结果 的偏差在5%以内，满足工程应用要求；不同直流偏 置条件下的励磁电流实测值频谱与仿真结果的趋势 相吻合。 随着直流偏置电流的增加， 偏磁电流峰值迅速 增加，当直流电流为空载电流有效值的100%时，偏 磁电流峰值为空载时的4倍。 随着Idc的增加，THD 呈缓增趋势，当Idc=3.2A，THD达到84.5%，为最大 值。 随着直流偏置电流的增加， 励磁电流各次谐波 均有不同程度的增加，其中偶次谐波增幅明显，以2 次谐波增幅最大， 当Idc=3.2A，2次谐波增幅为相应 基波的61.7%。 参考文献： 1王祥珩，徐伯雄.变压器的偏磁问题J.变压器，1992，29 （8）：11-14. 2尚春.HVDC地中电流对交流变压器影响的抑制措施 J.高电压技术，2004，30（1）：52-54. 3刘曲，郑健超，潘文，等.变压器铁心承受直流偏磁能 力的仿真和分析J.变压器，2006，43（9）：5-10. 4Takasu N, Oshi T, Miyawaki F, et al. An experimental analysis of DC exitation of transformers by geomagneti- cally induced currents J. IEEE Trans. on Power Deliv. 1994，9（2）：1173-1179. 5Picher P, Bolduc L, Dutil A, et al. Study of the ac- ceptable DC current limit in core -form power trans- formers J. IEEE Trans. on Power Deliv. 1997，12（1）： 257-263. （下转第65页） 偏置电流Idc/A01.262.533.2 仿真有效值/A049.7899.95126.42 试验有效值/A11.72.83.5 偏差/%11.83.14 表3不同直流偏磁条件与无偏磁条件励磁 电流峰值 Table 3Peak values of excitation current under different and no bias 100 80 60 40 20 00 1234 THD/% Idc/A 图8单相模型THD与直流偏磁电流关系曲线 Fig.8Curve of THD and DC bias current of single-phase model 8 7 6 5 4 3 2 1 00 123 Idc/A Ibarmonic/A 基波2次谐波 3次谐波 5次谐波 7次谐波 4次谐波 6次谐波 8次谐波 图9不同直流偏置条件下励磁电流谐波 Fig.9Excitation harmonic wave current curves under different DC bias 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0 0 123 Idc/A 2次谐波 3次谐波 4次谐波 5次谐波 6次谐波 7次谐波 IK/I1 图10单相模型各次谐波与基波比值与直流 电流关系曲线 Fig.10Curves of direct current and ratio between basic wave and harmonic waves of single- phase model 31 李霜、 王朗珠、 张为等： 基于 DGA 的改进 BP神经网络的变压器故障诊断方法第 12 期 经网络故障诊断准确率较之传统比值法有了一定提 高，达到75%左右。 这是因为神经网络具有逼近气 体输入值与变压器故障类型的非线性映射关系能 力，因而能达到比传统方法更好的识别故障效果。 基于不同输入模式的改进BP神经网络对 “高温过 热”和“高能放电”故障类型识别率均高于其他故障 类型的识别率。 这是因为当变压器发生这两类故障 时，产生的典型气体与对应的故障界定映射关系明 确，神经网络能很好地逼近其非线性映射并准确识 别故障类型。在三种不同的输入模式下，得能堡 输入模式故障诊断表现最优，达到76.67%，罗杰士 输入模式和IEC输入模式分别次之。 结合故障诊断 结果可以得出，若希望得到较高的故障判正率而不 考虑神经网络训练时间，得能堡输入模式表现最佳。 5 结论 以DGA数据为特征参数， 建立了基于改进BP 神经网络的电力变压器故障诊断方法。 分析和仿真 结果表明， 经过改进的三层BP神经网络能够较好 地实现油中溶解气体含量数据到故障类型的映射。 BP神经网络诊断结果的准确与否，取决于输入 模式的选择，根据实际情况，提出并比较了BP神经 网络三种不同输入模式选择方式，仿真结果表明选 择得堡输入模式时， 改进BP神经网络的训练误差 最小识别效果最好，罗杰士输入模式其次，IEC三比 值法表现最差。 本文中笔者提出的带动量项和变学习率的改进 BP神经网络能较好地应用于网络训练与诊断时间 短而诊断结果不需要太精确的场合。 参考文献： 1DL/T722-2000，变压器油中溶解气体和判断导则S. 2应鸿，李天云，张宇辉.变压器故障诊断的神经网络法 J.东北电力学院学报，1996，16（4）：54-58. 3李天云，应鸿，党德玉.基于局部特征量的神经网络方 法在变压器故障诊断中的应用J.电网技术，1996，20 （11）：51-58. 4王财胜，孙才新，廖瑞金.变压器色谱监测中的BPNN故 障诊断法J.中国电机工程学报，1997，17（5）：323-325. 5钱政，罗承沐等.范例推理结合神经网络诊断变压器故 障J.高电压技术，2000，26（4）：4-8. 6钱政，高文胜，尚勇，等.基于范例推理的变压器油中 气体分析综合诊断J.电工技术学报，2000，15（5）：42- 47. 7钱政，严璋，钱嵘，等.结合多元统计分析的神经网 络在变压器故障者诊断中的应用J.变压器，2000，37 （4）：32-35. 8彭宁云.基于DGA技术的变压器故障智能诊断系统研究 D.西安：西安交通大学，1999. 9孙才新，陈伟根，李剑，等.电气设备油中气体在线监测 与故障诊断技术M.北京：科学出版社，2003. 10袁曾任.人工神经元网络及其应用M.北京：清华大学出 版社，2003. 收稿日期：2009-03-22 作者简介：李霜（1967-），女，重庆人，重庆电力高等专科学校副教授，长期从事电机学 、高压技术课程教学工作； 王朗珠（1964-），女，重庆人，重庆电力高等专科学校副教授，长期从事电机学、电气设备运行与维护课程教 学工作； 张为（1963-），男，重庆人，重庆电力公司电网检修分公司工程师，长期从事变压器检修工作； 张琢（1963-），男，重庆人，重庆市电力公司南岸供电局工程师，从事电气设计、变电安装及电力工程监理工作。 ! （上接第31页） 6Price P R. Geomagnetically induced current effects on transformers J. IEEE Trans. on Power Deliv. 2002，17 （4）：1002-1008. 7Lahtinen M, Elovaara J. GIC ocurrenced and GIC test for 400kV system transformer J. IEEE Trans on Power Deliv. 2002，17（2）：555-61. 8李晓萍.变压器直流偏磁问题研究D.武汉:武汉大学， 2006. 9Fuchs E F, You Y, Roesler D J. Modeling and simula- tion and their validation of three-phese transformer with three legs under DC biasJ. IEEE Trans on Power De- liv. 1999，14（2）：443-449. 收稿日期：2009-10-30 作者简介：郭满生（1967-），男，山西原平人，保定天威保变电气股份有限公司高级工程师，主要研究方向为大型电力变压 器产品设计和开发。 65