王娟

【摘 要】为分析电网自耦变压器遭受直流偏磁的影响，本文应用 PSCAD 电磁暂态仿真软件搭建了自耦变压器仿真模型，分析了直流偏磁对变压器励磁电流、无功功率损耗以及谐波等的影响程度。仿真结果表明了，随着直流偏磁电流的增加，励磁电流波形逐渐变为尖顶波且谐波含量较大，同时，无功功率损耗也与直流偏磁电流呈线性关系增加。本文的研究成果可为今后国家大型电力网络建设提供一定的参考依据。

【关键词】电网；自耦变压器；直流偏磁；磁滞特性

Analysis and simulation on Autotransformer DC bias property

WANG Juan

（Kun District Sub-bureau， Baotou Power Supply Bureau， Baotou Inner ongolia 014010，China）

【Abstract】In order to analyze the effect of power grid autotransformer suffering from dc bias. The paper sets up the simulation model of autotransformer using electromagnetic transient simulation software of PSCAD and analyzes the influence degree of transformer excitation current， reactive power loss and harmonic etc. suffered from dc bias. The simulation results show that the waveform of field current becomes the spire wave and the content of harmonic becomes more， following with the increase of dc bias current， at the same time， reactive power loss and dc bias current have a linear relationship. The research results of this paper provides certain reference basis for the construction of the future large state power network.

【Key words】Power grid； Autotransformer； DC bias； Hysteresis characteristic

0 引言

直流偏磁是指变压器的一种非正常工作状态，即在变压器励磁电流中出现了直流分量[1]。引起变压器直流偏磁的主要因素有高压直流输电单极运行和太阳风暴引起的地磁感应电流。单极运行的高压直流输电是以大地返回方式运行，接地极电流会通过变压器中性点流过变压器绕组产生直流偏磁[2]。由太阳风暴引起的地磁感应电流频率较低，一般为0.01-0.1Hz之间，相对于工频电流来说，可以看作为准直流，经变压器中性点流入电网[3]。GIC本身在电网中流通并不会产生很大危害，GIC衍生的变压器效应危害更大，如无功损耗、谐波、噪声等效应，严重时可引发电网停电事故，产生国民经济损失[4]。其中变压器振动噪声、发热等效应属长期积累效应，在很大的GIC下会导致变压器一次性损坏。变压器无功的短期效应明显，受侵害范围内变压器同时受影响，使电网产生无功波动的可能性大，危害电网的安全运行[5]。

随着特高压直流输电工程的建设和发展，因变压器直流偏磁而引发的不利影响在特高压输电工程投运阶段及运行中时有发生，迫切需要研究直流偏磁对大型主变的影响及偏磁程度，进而制定相应的改进或抑制措施，确保电网的安全可靠运行。为此，本文通过PSCAD仿真软件搭建500kV自耦变压器仿真模型，分析GIC对变压器励磁电流、无功功率损耗以及谐波等的影响程度。

1 变压器直流偏磁分析

正常变压器由于励磁电流较为合适，使得变压器运行在较为稳定的情况下，而当变压器由于注入了直流电流后，由于直流电流会在变压器铁芯中产生一个直流磁通与变压器原有的励磁磁通进行叠加是得变压器铁芯进入饱和状态，其产生的直流磁通的大小可用公式表示为：

？渍dc=-∫UGICdt（1）

式中，为地磁感应电流在变压器中产生的感应电动势。这样一来变压器的励磁电流由于注入的直流电流而发生畸变如图1所示。

当变压器发生直流偏磁之后，由于其存在的直流磁通使得变压器的铁心达到饱和的状态，导致变压器的励磁电流发生较大程度的改变，使得励磁电流的波形呈现为尖顶波的形状，并便随有大量的谐波产生，导致变压器的无功功率损耗大幅度上升，系统电压发生改变，引起继电保护元件的错误动作，使得整个电力系统处于混乱的状态。除此之外变压器直流偏磁之后，由于变压器的励磁电流发生严重的畸变，使得变压器绕组以及铁心过热，烧毁变压器的相关元件，引起绝缘老化，机械结构反应迟钝，直接影响着变压器的使用寿命甚至可能导致变压器的毁坏。

而当发生直流偏磁较为严重时可能会使得变压器退出系统的正常运行，使得电力传输中断，产生大规模停电事故，产生难以估量的经济损失。

2 仿真分析

本文在PSCAD仿真环境下搭建了500kV自耦变压器仿真模型，详细参数见文献[6]。

2.1 励磁电流分析

通过仿真模型不断改变注入变压器的直流电流进行分析计算变压器励磁电流和磁通的变化情况来说明引起的偏磁程度，具体见表1所示。

表1所示的数据可以清楚的反映出随着直流电流值得不断增加，变压器的励磁峰值电流不断增加，形成明显的尖顶波，其磁通也随着直流电流的增加其饱和程度不断加深。

2.2 谐波分析

变压器在不同GIC下，其励磁电流的谐波成分及其总谐波失真分析如表2所示。

从表2可以看出，当直流电流注入变压器后由于励磁电流发生畸变会产生大量的谐波，会导致变压器工作异常，可能引起变压器发生故障，对电力系统造成一定的损失。

2.3 无功损耗分析

变压器直流偏磁引起励磁电流畸变，必然会造成无功功率损耗的增加。然而，注入直流电流会引起变压器无功功率损耗存在什么样的关系值得研究，为此，本文通过仿真模型计算出输入直流电流与变压器无功损耗的值如表3所示。

从表3可以看出，变压器的无功功率损耗主要原因是直流电流通过变压器中性点流入变压器铁心后产生相应的直流磁通，这会使得变压器铁心向着饱和的方向发展，产生直流偏磁，增加变压器的无功功率损耗。而直流磁通又会在变压器励磁电流中感应出相应的直流励磁电流分量，使得变压器饱和近一步加剧再一次加剧铁心的饱和程度，使得铁心电抗增加，变压器无功损耗也随之增加。

3 结论

通过对变压器在直流偏磁下的励磁电流、谐波成分以及无功功率损耗的分析和仿真可以得出如下结论：

变压器的励磁电流会在某一个方向产生饱和，使得励磁电流波形产生半波饱和的现象，使得变压器运行点发生变化，影响电力系统的正常运行；

变压器中会产生大量谐波，使得变压器频率发生波动，变压器损耗增加，变压器运行不正常最终引起变压器故障；

变压器在遭受直流偏磁后其无功功率损耗会急剧增加，会引起局部节点电压偏低，严重时会促使电力系统电压失稳，甚至会造成电力系统电压崩溃，导致大面积停电事故发生。

【参考文献】

[1]苑舜，王天施.电力变压器直流偏磁研究综述[J].高压电器，2010，46（3）：83-87.

[2]钟连宏，陆培均.直流接地极电流对中性点直接接地变压器的影响[J].高电压技术，2003，29（8）：12-13.

[3]刘连光，刘春明，张冰，等.中国广东电网的几次强进暴影响事件[J].地球物理学报，2008，51（4）：976-981.

[4]Albertson V D，Thorson J M，Clayton R E，et al. Solar-induced-currents in power systems： cause and effects[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1973（2）：471-477.

[5]Girgis R， Vedante K. Effects of GIC on power transformers and power systems[C].Transmission and Distribution Conference and Exposition（T&D）， 2012 IEEE PES，2012：1-8.

[6]杨晓辉，王丰华，段若晨，等.500kV电力变压器直流偏磁耐受性能的仿真研究[J].电力系统保护与控制，2014（42）：60-66.

[责任编辑：王楠]