一种分析变压器在直流偏磁影响下的励磁特性变化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力系统设备及电网安全稳定保障措施领域，尤其涉及一种分析变压 器在直流偏磁影响下的励磁特性变化方法。
【背景技术】
[0002] 直流偏磁：流经绕组的直流电流成为变压器励磁电流的一部分，该直流电流使变 压器铁芯偏磁，改变了变压器的工作点，使得磁化曲线工作区的一部分偏移至铁芯磁饱和 区，结果总励磁电流变成尖顶波，最终导致变压器振动增大，噪音变强，温度升高等一系列 不正常现象。
[0003] 磁化曲线：磁化曲线是表示物质中的磁场强度与所感应的磁感应强度或磁化强度 之间的关系。当磁场强度从零逐渐增大时，磁畴在磁场作用下，迅速沿外磁场方向排列，磁 化强度也逐渐增大，磁场强度越大，磁畴排列越整齐，磁化强度也越大。针对铁磁材料自身 独有的特性，磁化曲线反映了磁滞特性和磁饱和特性。
[0004] 多物理场：现实工程中，将温度场、应力场、湿度场等多个物理场相互叠加、相互影 响的问题叫做多物理场，也是一种特殊的耦合关系。
[0005] 有限元：有限元方法从数学角度看是近似求解数理边值问题的一种数值计算方 法，是对原函数在求解区间以某种条件下的最优近似逼近。有限元法将由偏微分方程表征 的连续函数所在的封闭场域划分为有限个小区域，每个小区域用选定的近似函数来代替， 以获得该场域中函数的近似数值。
[0006] 目前国际上对直流偏磁的分析总共分为三类：第一类是分析接地系统特点、地表 电磁场分布、地磁感应电流在系统中的分布以及复杂电力系统网络模拟方法等的基础上， 进行关于电力系统在地磁干扰情况下，系统中可能出现的直流大小、谐波含量及对系统无 功的影响等方面的研宄。第二类是对电力系统监测和对变压器进行试验，其中监测是对电 力系统地磁场及电力系统故障进行的，试验则是用不同规模的变压器在其中性线中注入直 流进行励磁电流、漏磁和温升等方面的试验。第三类是直流偏磁下的变压器进行仿真计算， 主要用解析法、等效磁路和电路法或部分结合有限元分析进行存在直流时的变压器性能分 析。综合国内外对直流偏磁现象的研宄可以看出，虽然变压器直流偏磁现象很早就已发现， 但对产生此现象的机理的认识还比较模糊，尚有许多问题没有解决，具体总结如下：
[0007] (1)直流偏磁对系统及其用电设备运行性能的影响大多从系统的角度去研宄，变 压器仅作为系统中的一个元件，都是用简化的等效电路或磁路模型来代替，最后使用类似 PSPICE或PSCAD之类的电网络分析软件求解系统网络方程，得到变压器绕组中的电流波 形。这种方法对于关心变压器运行性能的制造厂家来说过于粗糙。关键原因是没有把电磁 耦合特性添加到仿真模型中，这将造成分析结果存在较大偏差，这也是目前研宄偏磁影响 上的难点。
[0008] (2)直流偏磁对变压器运行性能的影响主要通过实验进行，而实验研宄消耗时间、 经费，而且很难找出变压器结构与直流偏磁效应之间的关系。
[0009] (3)目前涉及变压器在直流偏磁情况下运行性能的计算，均采用等效磁路或电路 的简化方法研宄变压器受直流偏磁的影响，虽然有文献提到使用了二维或三维有限元计算 变压器参数或进行辅助分析，但对关键问题均未说明，例如未介绍如何考虑非线性、时变性 及具体的计算过程，也没有相关的电磁场分布、损耗及局部过热等情况的研宄结果，未见到 利用先进的电磁场数值方法对各种变压器的抗偏磁能力作综合分析。
[0010] (4)分析计算时，直流电源的引入方式对结果影响很大，目前并对这一问题未给予 足够重视。
[0011] 综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上 述技术至少存在如下技术问题：
[0012] 在现有技术中，现有的分析直流偏磁对变压器影响的方法存在分析准确率较低， 直流偏磁宄竟对变压器有什么影响并没有统一的认识，对于交流变压器中性点接地时应允 许多大的中性点电流通过，国内外尚无明确的标准的技术问题。
【发明内容】
[0013] 本发明提供了 一种分析变压器在直流偏磁影响下的励磁特性变化方法，解决了现 有的分析直流偏磁对变压器影响的方法存在分析准确率较低，直流偏磁宄竟对变压器有什 么影响并没有统一的认识，对于交流变压器中性点接地时应允许多大的中性点电流通过， 国内外尚无明确的标准的技术问题，实现了利用本申请的方法分析变压器在直流偏磁影响 下的励磁特性变化可较大提高分析准确率，对于评价大型主变直流偏磁耐受能力提供了非 常重要的理论基础和工程使用价值。
[0014] 为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种分析变压器在直流偏磁影响下的 励磁特性变化方法，所述方法包括：
[0015] 步骤1 :基于电磁耦合原理，建立励磁电流、磁链、励磁电压的微分方程，所述微分 方程描述了与铁芯相关的电路及磁路的耦合关系；
[0016] 步骤2 :基于傅里叶级数，求得励磁电流微分方程中同时含有交流分量和直流分 量的磁链量化显示解，所述磁链量化显示解表示了变压器在直流偏磁影响下的准确励磁特 性；
[0017] 步骤3 :基于有限元原理，利用多物理场仿真软件ANASYS对所述步骤1和所述步 骤2进行仿真验证。
[0018] 进一步的，所述微分方程具体为：
[0019]
【主权项】
1. 一种分析变压器在直流偏磁影响下的励磁特性变化方法，其特征在于，所述方法包 括： 步骤1;基于电磁禪合原理，建立励磁电流、磁链、励磁电压的微分方程，所述微分方程 描述了与铁巧相关的电路及磁路的禪合关系； 步骤2 ;基于傅里叶级数，求得励磁电流微分方程中同时含有交流分量和直流分量的 磁链量化显示解，所述磁链量化显示解表示了变压器在直流偏磁影响下的准确励磁特性； 步骤3 ;基于有限元原理，利用多物理场仿真软件ANASYS对所述步骤1和所述步骤2进 行仿真验证。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微分方程具体为：
其中，其中，U。。为一次侧端电压，N1和N2分别为 一次和二次侧应数，Id。为二次侧绕组直流，化为总磁通，狗为直流磁通，H为磁场强度，1为 磁路长度，K为漏磁系数，设铁屯、的磁化曲线用双曲函数拟合为H=xsh(yB)，X，y是铁屯、钢 片磁化曲线相关的参数，为与工作点有关的设计常数，表明铁的利用率，B为 磁通密度，A为铁巧截面积，单位m2,aO为傅氏技术首项表达式。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于电磁禪合原理，建立励磁电流、 磁链、励磁电压的微分方程，具体包括： ?。。=cos。M^假设所有磁通均经铁屯、闭合，漏磁效应由漏磁系数K来考虑，系 统中某种原因引起变压器中出现直流磁通妍，即P=树+ 0。sinwf，口"_ = ^ 由安培环路定 律可得磁动势平衡方程： Niii+NsI化=H1 (1) 设铁屯、的磁化曲线可W用双曲函数拟合为H=xsh(yB)，式（1)经化简可得：
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于傅里叶级数，求得励磁电流微分 方程中同时含有交流分量和直流分量的磁链量化显示解，具体包括：
式中T为工频变化波形的时间周期。当1。。= 0时，励磁安应的有效值为：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于有限元原理，利用多物理场仿真 软件ANASYS对所述步骤1和所述步骤2进行仿真验证，具体包括： 首先通过步骤1和步骤2分别求解实体变压器在励磁电流中仅含有交流、仅含有直流、 既含有交流又含有直流下的磁化曲线特性； 然后计算不同偏磁电流大小作用下，主变励磁电流的大小，并绘制偏磁电流-励磁电 流-铁巧磁通S维矢量图； 最后基于有限元的方法，利用场分析工具对主变在直流偏磁影响下的各种工况进行实 时仿真，并将仿真结果和理论计算值进行对比验证。
【专利摘要】本发明公开了一种分析变压器在直流偏磁影响下的励磁特性变化方法包括：步骤1：基于电磁耦合原理，建立励磁电流、磁链、励磁电压的微分方程，所述微分方程描述了与铁芯相关的电路及磁路的耦合关系；步骤2：基于傅里叶级数，求得励磁电流微分方程中同时含有交流分量和直流分量的磁链量化显示解，所述磁链量化显示解表示了变压器在直流偏磁影响下的准确励磁特性；步骤3：基于有限元原理，利用多物理场仿真软件ANASYS对所述步骤1和所述步骤2进行仿真验证，实现了利用本申请的方法分析变压器在直流偏磁影响下的励磁特性变化可较大提高分析准确率，对于评价大型主变直流偏磁耐受能力提供了非常重要的理论基础和工程使用价值。
【IPC分类】G01R31-00
【公开号】CN104849587
【申请号】CN201510214689
【发明人】魏巍, 梁晓斌, 陈刚, 李甘, 周波
【申请人】国网四川省电力公司电力科学研究院, 国家电网公司
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年4月30日