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变压器直流偏磁研究

作　者: 董霞
导　师: 刘志珍
学　校: 山东大学
专　业: 电机与电器
关键词: 变压器直流偏磁 B-H曲线励磁电流谐波
分类号: TM41
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

直流偏磁现象是指有直流电流经过中性点流入到电力变压器的绕组中,从而使变压器处于非正常工作状态。引起直流偏磁现象的原因有两种,第一种是在高压直流输电系统中,当采用单极大地回线运行方式或双极不对称运行方式时,大地中回流的直流电流就会流入到中性点接地的变压器绕组；第二种是由于地磁场与太阳等离子风的动态变化相互作用,产生地磁风暴,使地磁场发生变化,这种变化在地球表面产生了电位梯度,就会有低频感应电流流入变压器绕组,由于其频率非常低,可近似认为是直流电流。直流偏磁下变压器的工作点发生了偏移,其铁芯迅速进入到饱和状态,严重影响其正常工作,产生许多不良后果,如励磁电流幅值明显增大,波形发生严重的畸变,谐波含量增大；变压器铁芯噪声增大,振动加剧；变压器漏磁增加,损耗与温升增大,从而引起金属结构件局部过热；电力系统继电保护装置可能误动作等。总之,直流偏磁现象危害了变压器及电力系统的安全运行,因此,变压器直流偏磁现象备受关注。本文在深入研究直流偏磁现象物理机理的基础上,对直流偏磁下的变压器进行了实验测量与仿真计算。研究内容如下：首先,对直流偏磁下的单相变压器、三相三柱变压器和三相五柱变压器提出可行的实验方案,测量直流偏磁下单相变压器和三相变压器的励磁电流及B-H曲线的变化。其次,首次建立了直流偏磁下单相变压器的传输线模型,模型中,将变压器电路中的微分项离散,并应用J-A铁磁磁滞理论来描述铁芯的饱和以及磁滞效应。涡流损耗用含等值电阻的附加绕组替代,同时考虑绕组铜耗及漏磁等因素,从而使变压器模型得到充分完整的描述。最后利用牛顿-拉夫逊迭代方法,对直流偏磁下的单相变压器进行了时域仿真计算,实现直流偏磁下单相变压器的分析,并与实验获得的数据进行比较,验证该计算模型及计算方法的有效性和正确性。首次建立了直流偏磁下三相变压器组的传输线模型,并利用牛顿-拉夫逊迭代方法对其进行计算仿真,仿真结果证明所提出的计算模型能够准确的分析三相变压器组的直流偏磁现象。建立了新的直流偏磁下三相三柱变压器和三相五柱变压器的电路-磁路耦合模型,磁路模型中,考虑了变压器的涡流损耗、铁芯拓扑结构及材料的饱和特性,并将涡流产生的磁动势列入磁路方程,与电路方程进行耦合,并结合铁芯的非线性特征曲线,形成了非线性方程组,通过求解该方程组,最终实现对三相三柱变压器和三相五柱变压器直流偏磁特性的仿真计算,并与实验获得的数据进行比较,从而验证了计算模型能够准确的分析三相三柱变压器和相五柱变压器的直流偏磁现象。最后,指出了限制直流电流流过变爪器绕组的三种措施：①反向注入电流法,②串联电容法,③串联电阻法,并对这三种措施进行仿真研究。

全文目录

摘要  11-13
ABSTRACT  13-16
第一章绪论  16-27
  1.1 课题研究背景、目的和意义  16-19
  1.2 国内外研究状况  19-25
    1.2.1 直流偏磁问题研究概况  19-22
    1.2.2 变压器电磁场数值分析  22-25
  1.3 本文的主要研究工作  25-27
第二章变压器直流偏磁理论研究  27-35
  2.1 变压器直流偏磁产生的机理及其危害  27-31
    2.1.1 变压器直流偏磁产生的机理  27-28
    2.1.2 直流偏磁对变压器及电力系统的影响  28-31
  2.2 J-A理论  31-32
  2.3 传输线模型理论  32-34
    2.3.1 线性电感的传输线模型  32-33
    2.3.2 非线性电感的传输线模型  33-34
  2.4 本章小结  34-35
第三章直流偏磁下单相变压器仿真与实验研究  35-49
  3.1 直流偏磁下单相变压器的仿真模型  35-40
    3.1.1 直流偏磁下单相变压器的电路模型  35-36
    3.1.2 直流偏磁下单相变压器的传输线模型  36-37
    3.1.3 变压器传输线模型求解  37-40
  3.2 直流偏磁下单相变压器的实验方案  40-42
  3.3 直流偏磁下单相变压器仿真与实验结果比较  42-48
  3.4 本章小结  48-49
第四章直流偏磁下三相变压器仿真与实验研究  49-75
  4.1 直流偏磁下三相变压器组的仿真计算  49-58
    4.1.1 直流偏磁下三相变压器组的电路模型  49-50
    4.1.2 直流偏磁下三相变压器组的传输线模型  50-52
    4.1.3 直流偏磁下三相变压器组传输线模型求解  52-54
    4.1.4 仿真计算结果  54-58
  4.2 直流偏磁下三相三柱变压器和三相五柱变压器的仿真计算  58-67
    4.2.1 直流偏磁下三相变压器的电路模型  59
    4.2.2 直流偏磁下三相变压器的磁路模型  59-61
    4.2.3 仿真计算结果  61-67
  4.3 直流偏磁下三相三柱变压器和三相三柱变压器实验研究  67-73
    4.3.1 实验方案  67
    4.3.2 直流偏磁下三相三柱变压器实验测量结果  67-70
    4.3.3 直流偏磁下三相五柱变压器实验测量结果  70-73
  4.4 本章小结  73-75
第五章变压器直流偏磁的抑制措施  75-82
  5.1 反向注入电流法  76-77
  5.2 串联电容法  77-78
  5.3 串联电阻法  78-80
  5.4 抑制措施的仿真研究  80-81
  5.5 本章小结  81-82
第六章结论与展望  82-85
  6.1 结论  82-84
  6.2 后续工作展望  84-85
参考文献  85-97
致谢  97-98
攻读博士学位期间的科研项目及发表的论文  98-99
学位论文评阅及答辩情况表  99

变压器直流偏磁研究

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