一种换流变压器等效模型试验方法与流程

本发明属于高电压直流输电领域，更具体地，涉及一种换流变压器等效模型试验方法。

背景技术：

目前，我国已建成1000kv特高压交流和±800k特高压直流输电工程。在特高压交直流混合电网中，特高压直流输电系统往往通过直接或分层的方式接入到特高压交流输电系统中，从而实现电网跨区域间的非同步互联。此外，在电网区域间的大功率远距离输电时，直流输电具有传输等距离等容量电能时线路损耗小的优势。同时，电能的大小及方向在直流输电系统中能够得到快速且准确地调节，因而使与其相连的交流电网的电能质量和系统性能也得到改善。

随着直流系统的建设和电网互联程度的不断提高，电网结构日趋复杂，系统的谐波问题日益凸显。随着直流系统的建设和电网互联程度的不断提高，电网结构日趋复杂，系统的谐波问题日益凸显。对于直流系统产生的谐波，在两端交流系统基频相同及三相电动势和参数都对称的条件下，其特性为：流入交流系统的谐波电流次数为n＝kp±1，直流线路上流过的谐波电流次数为n＝kp(p为换流器的脉波数，k为正整数)。习惯上称这些谐波次数分别为交、直流系统的特征谐波次数。特征谐波在电力系统规划和设计阶段就已充分考虑，可以通过交、直流滤波器滤除。而在交流系统三相电动势含有谐波，三相电动势或参数不对称，触发角不对称以及两侧交流系统基频不同等情况下，由直流输电系统所产生的谐波特性变得非常复杂，除了特征谐波之外还包含大量非特征谐波。大多数情况下，产生非特征谐波分量的不对称是非常小的，通常对直流进行滤波(某些背靠背联接例外)后，这些谐波电流分量一般仅占1％或者更小。但谐波电流经过系统阻抗后，可以造成极大的电压畸变。没有用于其频率的滤波电路。网络电路或者滤波电路形成的非特征频率经常有并联谐振的现象。非特征谐波中的高次谐波对于系统的影响可以忽略，低次谐波是目前谐波研究的重点。

在换流变压器中，直流偏磁主要是由于直流电流进入变压器绕组，与地磁感应产生直流偏磁的机理是一样的。换流变压器的直流偏磁可以用铁芯饱和状况下的磁化特性来解释，如图1所示，图中虚线为无直流电流时正常励磁下的磁通曲线和励磁电流曲线。当直流电流流进变压器绕组时，磁通产生一个偏置变压器的工作点上升，从原磁化曲线非饱和区(a点)的一部分移至饱和区(b点)，导致励磁电流在半波周期内发生畸变，呈尖顶波状，最终产生各次谐波分量。

图1中采用两段折线来近似模拟变压器铁芯的磁化特性曲线，以方便说明变压器的直流偏磁状况。在换流变压器铁芯没有饱和时，励磁电流仅含有奇次谐波分量(以3、5次谐波为主)。如果在过励情况下铁芯饱和导致励磁电流畸变，会造成奇次谐波分量的大幅增加，励磁电流为正负半波对称波形。而在直流偏磁条件下，由于发生畸变的励磁电流并不是正负半周波对称的，因此其谐波成分除了奇次谐波外，偶次谐波分量尤其是2次谐波占了相当大的比例。

由于换流变压器导致的直流偏磁会在交流系统中产生二次谐波，当二次谐波含量较多时可能会导致系统不稳定，研究换流变压器在直流偏磁作用下的谐波特性具有指导意义。由于换流变压器体积巨大，对换流变压器进行特性实验较为困难，因此需要设计小型变压器模型实验，根据模型实验得到的结论用以指导实际工程。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种换流变压器等效模型试验方法，由此解决现有技术中由于换流变压器体积巨大，对换流变压器进行特性实验较为困难的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种换流变压器等效模型试验方法，包括：

建立与换流变压器铁心结构等效的模型变压器；

根据换流变压器的铁心励磁曲线设计模型变压器的励磁曲线；

利用模型变压器的谐波测量回路，得到模型变压器在直流偏磁作用下的谐波特性。

进一步地，换流变压器铁心结构包括：单相两柱式铁心结构、单相三柱式铁心结构、三相三柱式铁心结构和三相五柱式铁心结构。

进一步地，模型变压器的磁路与换流变压器磁路相同。

进一步地，模型变压器的硅钢片的饱和磁感应强度bm的取值范围为1.7t＜bm＜1.8t。

进一步地，谐波特性包括：欠励、正常运行以及过励。

进一步地，方法还包括：

对直流偏磁作用下的励磁电流进行傅里叶分解，得到谐波分布。

进一步地，谐波特性用于进行反推得到换流变压器的谐波特性。

进一步地，方法还包括：

对模型变压器进行常规的变压器特性试验，得到影响变压器谐波的影响因素，利用影响因素指导换流变压器的参数选择。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

由于进行换流变压器特性试验困难，本发明提供了一种换流变压器等效模型试验方法，根据换流变压器等效设计出模型变压器，根据换流变压器的铁心励磁曲线设计模型变压器的励磁曲线，利用模型变压器的谐波测量回路，得到模型变压器在直流偏磁作用下的谐波特性。本发明除了可以得到大型换流变压器相应的谐波特性外，还具有普适性，可以根据模型实验得到的结论指导实际工程。

附图说明

图1是本发明提供的直流偏磁对磁通和励磁电流的影响示意图；

图2是本发明提供的单相两柱式铁心结构示意图；

图3是本发明提供的单相三柱式铁心结构示意图；

图4是本发明提供的三相三柱式铁心结构示意图；

图5是本发明提供的三相五柱式铁心结构示意图；

图6是本发明提供的变压器结构示意图；

图7是本发明提供的谐波测量回路的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

变压器铁芯结构对变压器允许通过的直流电流水平有影响，对直流偏磁电流所产生的影响也有明显的影响。如图2所示的单相双柱式铁心，两个铁心柱上均套有线圈，铁柱与铁轭的铁心由硅钢片以硅钢片搭接而成此种铁心结构形式简单，广泛应用于各种类型变压器。

单相三柱式铁心即单相单柱旁轭式铁心，中间为一个心柱，两边为旁轭，实际上它认为是垂直放置的单相壳式铁心；单相四柱式铁心即单相双柱旁轭式铁心，中间为两个为心柱，旁边两个为旁轭，单相三柱式铁心如图3所示。

此两种铁心形式在磁路方面，磁路左右是对称的，因此上下铁轭和旁轭中的磁通均等于心柱中的一半。在磁通密度相同的情况下，铁轭中流过的磁通密度为心柱截面积的1/2。应该注意的是，对单相双柱旁轭式铁心，两心柱中磁通方向是相反的。在铁心设计时，采用此结构可降低铁轭的高度，从而就降低了铁心的总高度。

此形式铁心适用于高电压大容量的单相电力变压器，例如250mva/500kv的产品。

如图4所示，三相三柱式铁心三个铁心柱上均有线圈，每柱作为一相，此结构型的铁心结构形式简单，制造时所需设备上。在励磁状态下，a，c相新竹的磁通分别等于左右两半部分铁轭的磁通，因此设计心柱时界面可等于铁轭截面，但是两部分磁通在相位上却并非同向。由于三相三柱式铁心是在三个单相的基础上组合变化而成的，因此此种铁心的磁路是不平衡的，中间磁路相对较短，空载电流相应小一些。此种形式的变压器中直流磁通在铁芯中没有通道，只能从旁边的油路通过，油中的高磁阻使直流磁通很小，因此变压器不易受到直流偏磁电流的影响。此种形式的铁心一般适用于容量在120mva以下的各种三相心式变压器。

为了降低大型三相变压器的运输高度，在原三相三柱式变压器铁心的基础上衍化而成了三相五柱铁心结构。简单的说，就是将三相三柱式铁心的上下轭的一部分移到了a、c相铁心柱的两侧而形成的旁轭，从而降低了铁心的整体高度。此种形式的铁心可用于容量在120mva以上的三相五柱式变压器中。

对图5所示的三相五柱式铁芯结构，磁通返回通道(旁轭)的截面减小，在较低的磁通下就可能出现铁芯饱和，因此直流偏磁电流对这种结构的变压器影响比较明显。对于由单相变压器组成的组式变压器，因为三个铁芯对直流磁通都形成闭合的低磁阻通路，直流偏磁电流的影响最为突出，我国现有的500kv换流变压器均单相三柱式结构。

500kv换流变压器都采用单相三柱式结构，因此选取单相三柱式模型变压器。铁心的直径选择对变压器的性能影响重大，直径选的过大时，铁重增大，而用铜(锅)量增大，变压器成矮胖形；铁心直径选的过小时，则会得到相反的结果。如果铁心直径取得合适，则在符合其性能参数阻抗电压、负载损耗、空载电流、空载损耗等)和制造简单的情况下，每选出一个铁心直径，就可以设计出一种符合性能参数的变压器。为选取最佳的铁心直径，一般可参考如下公式：

式中，d为铁心直径(mm)，sleg为变压器每柱容量(kva)，k为经验系数。

k值随变压器性能标准、导线材料、铁心(冷轧或者热轧)以及变压器容量的不同而有所差异，大致可参照表1选取。

表1经验系数k取值表

若采用单相双绕组接线方式，以s＝2kva为例，此时对于铜线而言，此时的d＝58～64mm，对于铝线而言为54～60mm。

根据计算设计的变压器如图6所示，心柱直径为60mm，旁轭直径为50mm，采用单相三柱式结构，单相带双旁轭结构。

为了实现上述目的，本发明提供了一种换流变压器等效模型试验方法，包括：

根据换流变压器的空载特性、励磁特性以及尺寸建立与换流变压器铁心结构等效的模型变压器；

根据换流变压器的铁心励磁曲线设计模型变压器的励磁曲线；

利用模型变压器的谐波测量回路，得到模型变压器在直流偏磁作用下的谐波特性。

试验所采用的设备及仪器包括：试验用单相隔离变压器、调压器及隔离变压器、负载电阻及滑线电阻，采样电阻取(注意功率要符合要求)，用示波器取信号，直流电源。

图7所示为谐波测量回路，通过调节可调电阻的大小可以调节直流偏置电流的大小，通过采样电阻r1，将励磁电流导出并进行谐波分析，得到不同直流偏磁电流大小下的变压器励磁电流的谐波特性。

在示波器中观察输出的波形，看是否稳定，是否接近正弦波。也可观察蓄电池产生的直流是否合要求。调借滑线变阻器，加交流电正常励磁，然后逐渐减小电阻至零，观察这期间波形的变化(有没有发生明显畸变，同时注意变压器铁心有没有发出异常的声响)。如果把电阻从最大值调到最小值的过程中，波形没有明显畸变。则说明此隔离变压器工作磁密值较低。可将直流电源值增大再来观察效果。如果观察到了波形明显畸变，记录发生畸变那一刻的可调电阻值。返回时，记录下波形由畸变转为正常时的可调电阻值。可重复做几次来观察其畸变点是不是确定在某一电阻值附近。假设可调电阻为r时，铁心达到饱和，波形发生畸变。则在0～r内抽6个点记录下原方电流波形，分析其二次谐波。

对直流偏磁作用下的励磁电流进行傅里叶分解，得到谐波分布。谐波特性用于进行反推得到换流变压器的谐波特性。对模型变压器进行常规的变压器特性试验，得到影响变压器谐波的影响因素，利用影响因素指导换流变压器的参数选择。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。