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1 200 年 7 月电工技术学报 Vol.25 No. 7 第 25 卷第 7 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul. 200 直流偏磁条件下单相三柱电力变压器的损耗计算郭满生梅桂华 2 张喜乐刘东升刘艳村 2 程志光 (. 保定天威保变电气股份有限公司保定广东电网电力科学研究院广州 50600) 摘要基于产品级的单相三柱变压器模型的大量测量结果, 首次建立了处于不同直流偏磁水平的铁心的损耗 - 磁通密度 (W-B m ) 曲线族 ; 运用 MAGNET 软件建立了变压器直流偏磁三维瞬态计算模型, 按照空载负载等不同运行工况完成了变压器内部磁场的分析计算, 并以磁场计算结果为基础, 计算了不同偏置直流电流条件下变压器的损耗和各构件的平均损耗密度实际测量与仿真计算的比较表明 : 该变压器模型空载负载偏磁损耗随不同直流电流的计算与试验变化趋势一致, 仿真建模和计算结果是有效的关键词 : 直流偏磁损耗曲线模型试验仿真损耗密度中图分类号 : TM40.;TM76 Calculation of Losses in Single Phase Three Lim Transformer Under DC-Biasing Guo Mansheng Mei Guihua 2 Zhang Xile Liu Dongsheng Liu Yancun 2 Cheng Zhiguang (. Baoding Tianwei Baoian Electric Co. Ltd Baoding China 2. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation Astract Guangzhou China) Based on a great deal of test data in single phase three lim power transformer model, the W-B m curves related to different DC-iased levels are estalished in this paper. The 3D transient magnetic field under different DC-iased levels with no-load and load are simulated in MAGNET. The loss and loss density of components in transformer are analyzed. The experimental results are in accordance with the simulation results, confirming the validity of the proposed losses calculation method for transformer under DC-iasing. Keywords:DC-ias, loss curve, model experiment, simulation, loss density 引言近年来, 在我国超高压直流输电系统收稿日期改稿日期 (HVDC) 中出现的电力变压器直流偏磁现象已引起有关各方的广泛关注 [-7] 如何评估直流偏磁造成的影响进而提出变压器耐受直流电流大小的依据, 是一个涉及变压器设备磁热力噪声等特性和系统谐波等一系列问题的综合性课题要深入了解直流偏磁给变压器造成的局部过热及异常温升, 偏磁条件下变压器各部件损耗的计算是关键目前, 变压器工程师对于变压器铁心损耗的计算通常采用铁心材料工频 ( 50Hz 或 60Hz) 条件下的损耗曲线, 如果将此曲线用于解决变压器在偏磁条件下构件损耗的计算, 显然是不可取的本文采用试验研究的方法, 在单相三柱变压器模型上施加不同的偏磁电流, 对每一偏磁电流, 分别测量不同工作电压下变压器的损耗, 从而得到了空载运行不同偏磁电流条件下变压器的损耗曲线以此为基础, 建立了变压器三维非线性瞬态场计算

广东电网电力科学研究院广州 50600) 摘要基于产品级的单相三柱变压器模型的大量测量结果, 首次建立了处于不同直流偏磁水平的铁心的损耗 - 磁通密度 (W-B m ) 曲线族 ; 运用 MAGNET 软件建立了变压器直流偏磁三维瞬态计算模

2 68 电工技术学报 200 年 7 月模型, 完成变压器内部磁场的分析计算, 并以磁场计算结果为基础, 对变压器在空载和负载不同偏磁电流条件下的铁心和结构件中的损耗进行计算, 分析计算了各部件在不同的偏磁电流下的损耗密度, 为下一步计算构件温升奠定了基础 2 直流偏磁条件下变压器铁心材料的损耗特性 2. 变压器模型为了研究大型变压器的偏磁特性, 按照 50 的比例, 制作了单相三柱变压器模型, 有关技术参数见表 [8] 表直流偏磁单相变压器模型技术参数 Ta. The parameters for DC-iased transformer model 图变压器模型无偏磁条件下损耗特性曲线 Fig. The loss curve without DC-iasing 型号 D50 /.23 电压 /V 23(±8%)/23 联结组标号 Ii0 短路阻抗 (%) 7.85 线圈匝数 ( HV/LV) 69/64 铁心用硅钢片型号 30RGH20 额定磁通密度 /T 模型损耗特性空载条件下施加直流电流时, 变压器产生的损耗包括空载电流在绕组中产生的欧姆损耗, 铁心产生的磁滞损耗和涡流损耗以及空载磁场在变压器结构件中产生的损耗其中铁心产生的磁滞损耗和涡流损耗占绝大部分根据工程计算的需要, 在试验条件下, 忽略空载电流在绕组中产生的欧姆损耗以及空载磁场在变压器结构件中产生的损耗的影响, 以测量损耗作为铁心产生的磁滞损耗和涡流损耗由此得到模型无偏磁和空载偏磁条件下变压器损耗密度与磁通密度的关系曲线, 分别如图和图 2 所示在图中同时绘出了日本高桥实验室在 30RGH20 上直接测得的硅钢片材料损耗特性 [9-0] 图 2 不同直流偏磁条件下变压器模型损耗特性曲线 Fig.2 The loss curves under different DC-iased levels 显然, 变压器在不同偏磁条件下的损耗曲线是不同的, 这一特性是计算变压器偏磁场损耗的基础 3 直流偏磁条件下变压器损耗计算建模直流偏磁条件下, 获得的励磁电流通常是非正弦波形, 且正负半周严重不对称, 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本次建模运用加拿大 INFOLYTICA 公司的 MAGNET 软件, 考虑材料非线性计算变压器三维直流偏磁场三维磁场计算基于 T- [] 方法, 磁场计算分别按导体区和非导体区进行, 计算方法如下 3. 导体区 B E () t B H (2) E J t (3) 式中,J 为总电流, 由下式给出

变压器模型为了研究大型变压器的偏磁特性, 按照 50 的比例, 制作了单相三柱变压器模型, 有关技术参数见表 [8] 表直流偏磁单相变压器模型技术参数 Ta.

3 第 25 卷第 7 期郭满生等直流偏磁条件下单相三柱电力变压器的损耗计算 69 E J J f J D E t (4) 4 损耗计算结果分析 H H 0 t t 3.2 非导体区由安培定律得 H J 式中,J 是线圈电流密度, 则 H 由下式得到 H H H J B H 0 (5) (6) (7) (8) (9) 根据不同直流偏置条件下变压器模型损耗特性曲线, 按式 ( 0) 计算损耗 W Ne i e e ( m ) e W W B V 式中, 为材料的密度 ; V e 为单元的体积 ; 单元磁通密度的幅值 ; W e 为单元的损耗 (0) e B m 为了节约计算时间, 以单相三柱变压器 D- 50/.23 的 /4 模型建模, 变压器铁心油箱磁屏蔽采用 30RGH20 硅钢片, 拉板采用 20Mn23Al 油箱夹件等采用 Q235A(A3) 导磁钢计算中考虑材料非线性, 但未考虑取向磁性材料的各向异性三维大型实体造型如图 3 所示为该模型实测空载电流 I 0 =3.2A, 根据试验条件并结合研究的需要, 施加的直流偏磁电流分别为 I dc =.26A,2.53A,3.2A( 相应于空载电流有效值的百分数 40%,80%,00%) 4. 空载偏磁条件下变压器损耗的计算在空载条件下无偏磁和不同偏磁条件下分别仿真计算了该变压器模型的损耗, 并进行了试验测量, 数据见表 2 表 2 的分析表明, 不同直流偏磁条件下变压器空载损耗的试验值和仿真计算值的偏差小于 3%, 变压器空载偏磁条件下损耗的仿真可以满足工程研究的需要对空载不同直流条件下的铁心损耗, 单独进行了分析, 分析结果见表 3, 其占总损耗的变化趋势如图 4 所示 ; 随着直流电流的增加, 铁心损耗占总损耗的比重有下降趋势, 但当 I dc =00%I 0rms 时, 其占总损耗的比重仍达到 94% 以上表 2 空载不同直流偏磁条件下损耗计算值与试验值比较 Ta.2 The losses under different DC-iased levels oth simulations and experiments without load 偏磁电流 I dc /A 仿真计算值 /W 试验值 /W 偏差 (%) 表 3 不同直流偏磁条件下铁心损耗计算值比较 Ta.3 The core losses simulations under different DCiased levels 偏磁电流 I dc /A 铁心仿真计算值 /W 占总损耗比重 ( %) 其余构件仿真计算值 /W 占总损耗比重 ( %) Fig.3 图 3 变压器计算模型 The calculation model of transformer

度 ; V e 为单元的体积 ; 单元磁通密度的幅值 ; W e 为单元的损耗 (0) e B m 为了节约计算时间, 以单相三柱变压器 D- 50/.

4 70 电工技术学报 200 年 7 月图 4 单相模型铁心损耗占总损耗比随偏磁电流变化曲线 Fig.4 The ratio of core loss to total loss under different DC-iased levels 空载不同直流偏磁条件下仿真计算各构件的损耗密度数值见表 4, 为了直观地分析各构件损耗密度, 做出各构件损耗密度曲线如图 5 所示 ( 铁心除外 ), 为了发现各构件损耗随直流电流增加趋势, 以空载无偏磁时各构件损耗为基准 00%, 计算并作出各构件损耗密度的相对增长曲线如图 6 所示表 4 不同直流偏磁各构件损耗密度计算值比较 Ta.4 The components loss density simulations under different DC-iasing ( 单位 : W/kg) 偏磁电流 I dc /A 铁心垫脚 ( 侧 ) 垫脚 ( 中 ) 拉板 ( 中 ) 拉板 ( 侧 ) 角钢 ( 中 ) 角钢 ( 侧 ) 下肢板下肢板屏蔽油箱屏蔽 ( 中 ) 油箱屏蔽 ( 侧 ) 上节油箱中节油箱 ( 侧 ) 中节油箱 ( 后 ) 下节油箱上夹件腹板上肢板上肢板屏蔽下夹件腹板撑板 ( 中 ) 撑板 ( 侧 ) 图 5 Fig.5 空载不同直流偏磁条件下各构件损耗密度计算值 The loss density of the components under different DC-iased levels without load 图 6 空载不同直流偏磁条件下构件损耗密度相对增长曲线 Fig.6 The loss density increment of the components under different DC-iased levels without load 结合表 4 和图 5 可知, 当 I dc =3.2A 时, 铁心损耗密度最大为.78W/kg, 依次为下夹件腹板中部角钢上夹件腹板, 三者均小于 0.3W/kg 从图 6 可知, 随着直流电流的增加, 侧油箱屏蔽上肢板屏蔽拉板的损耗增加最快, 值得关注 4.2 负载偏磁条件下变压器损耗的计算负载偏磁条件下, 考虑负载条件的一般性, 仅计算了变压器二次侧短路下的情形, 得到不同直流偏磁条件下各构件损耗密度曲线如图 7 所示 ( 铁心除外 ), 以负载无偏磁时各构件损耗为基准 00%, 计算并作出各构件损耗密度的相对增长曲线如图 8 所示图 7 负载不同直流偏磁条件下各构件损耗密度计算值

), 为了发现各构件损耗随直流电流增加趋势, 以空载无偏磁时各构件损耗为基准 00%, 计算并作出各构件损耗密度的相对增长曲线如图 6 所示表 4 不同直流偏磁各构件损耗密度计算值比较 Ta.

5 第 25 卷第 7 期郭满生等直流偏磁条件下单相三柱电力变压器的损耗计算 7 Fig.7 The loss density of the components under different DC-iased levels with load 耗随不同偏磁直流电流的计算与试验变化趋势一致, 说明仿真计算是有效的 (3) 随着直流电流的增加, 变压器空载损耗明显增加, 而负载损耗变化较小 (4) 空载偏磁条件下, 直流电流增加, 铁心损耗增加, 但其占总损耗的比重在降低损耗增长较大的构件是油箱屏蔽肢板屏蔽拉板等 (5) 负载偏磁条件下, 随直流电流的增加, 损耗增长较大的构件是油箱屏蔽肢板屏蔽等该规律与空载偏磁是一致的图 8 负载不同直流偏磁条件下构件损耗密度相对增长曲线 Fig.8 The loss density increment of the components under different DC-iased levels with load 显然, 在负载偏磁条件下, 当 I dc =3.2A 时, 下夹件腹板上夹件腹板中部拉板的损耗密度较大, 但三者均小于 0.3W/kg 随着直流电流的增加, 负载偏磁条件下油箱屏蔽肢板屏蔽损耗增加较快, 与空载条件下一致分别以各自无偏磁工况条件下的损耗为基准, 将偏磁条件下空载和负载的损耗进行折算, 得到的空载负载偏磁损耗的计算和试验相对值比较如图 9 所示从中可见, 各工况试验值和仿真计算值的趋势是一致的从中得到的另一个结论是直流偏磁对变压器的空载影响比负载显著图 9 单相模型偏磁条件下计算值与试验值的比较 Fig.9 The comparison etween simulation and test under different DC-iased levels 5 结论 () 结合试验得到的直流偏磁条件下变压器铁心材料的损耗特性曲线是变压器偏磁损耗计算的基础, 具有重要的工程应用价值 (2) 该变压器模型空载负载工况下的偏磁损参考文献 [] Lahtinen M, Elovaara J. GIC occurrences and GIC test for 400kV system transformer[j]. IEEE Trans. on Power Delivery, 2002, 7(2): [2] Price P R. Geomagnetically induced current effects on transformers[j]. IEEE Trans. on Power Delivery, 2002, 7(4): [3] 钟连宏, 陆培均, 仇志成, 等. 直流接地极电流对中性点直接接地变压器影响 [J]. 高电压技术, 2003, 29(8): 2-3, 28. Zhong Lianhong, Lu Peijun, Qiu Zhicheng, et al. The influence of current of DC earthing electrode on directly grounded transformer[j]. High Voltage Engineering, 2003, 29(8): 2-3, 28. [4] 曾连生. 直流接地极电流对电力变压器的影响 [J]. 电力建设, 2004, 25(2): Zeng Liansheng. Influence of DC Transmission ground electrode current on power transformers[j]. Electric Power Construction, 2004, 25(2): [5] 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(): Shang Chun. Measure to decrease the neutral current of the AC transformer in HVDC groundreturn system [J]. High Voltage Engineering, 2004, 30(): [6] Yoshida T, Nakano M, Miyagi D, et al. Development of measuring equipment of DC-iased magnetic properties using open type single sheet tester[j]. IEEE Trans. on Magn., 2006, 42(0): [7] 李晓萍. 变压器直流偏磁问题的研究 [D]. 武汉 : 武汉大学, [8] 郭满生, 梅桂华, 刘东升, 等. 直流偏磁条件下电力变压器铁心 B-H 曲线及非对称励磁电流 [J]. 电工技

变化较小 (4) 空载偏磁条件下, 直流电流增加, 铁心损耗增加, 但其占总损耗的比重在降低损耗增长较大的构件是油箱屏蔽肢板屏蔽拉板等 (5) 负载偏磁条件下, 随直流电流的增加, 损耗增长较大的构件是油箱屏蔽肢板屏蔽等该规律

6 72 电工技术学报 200 年 7 月术学报, 2009, 24(5): 46-5, 59. Guo Mansheng, Mei Guihua, Liu Dongsheng, et al. B- H curve ased on core and asymmetric magnetizing current in DC-iased transformer[j]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2009, 24(5): 46-5, 59. [9] Takahashi N, Sakura T, Cheng Z. Non-linear analysis of eddy current and hysteresis losses of 3-D strayfield loss model(prolem 2)[J]. IEEE Trans. on Magn., 200, 37(5): [0] Cheng Z, Hao R, Takahashi N, et al. Engineeringoriented enchmarking of prolem 2 family and experimental verification[j]. IEEE Trans. on Magn., 2004, 40(2): [] We J P, Forghani B. DC current distriutions and magnetic fields using the T-Omega Edge-element method[j]. IEEE Trans. on Magn., 995, 3(3): 作者简介郭满生男,967 年生, 硕士, 高级工程师, 从事大型电力变压器产品设计和开发梅桂华男,963 年生, 硕士, 高级工程师, 从事电力系统及电能质量分析, 近年从事 HVDC 单极大地方式对交流系统影响及其抑制措施的系统研究

Non-linear analysis of eddy current and hysteresis losses of 3-D strayfield loss model(prolem 2)[J]. IEEE Trans. on Magn., 200, 37(5): 3672-3675. [0] Cheng Z, Hao R, Takahashi N, et al.

何秋琳张立春视觉学习研究进展视觉注意视觉感知

何秋琳张立春视觉学习研究进展视觉注意视觉感知第卷第期年月开放教育研究何秋琳张立春华南师范大学未来教育研究中心广东广州随着图像化技术和电子媒体的发展视觉学习也逐步发展为学习科学的一个研究分支得到研究人员和教育工作者的广泛关注基于此作者试图对视觉学习