直流偏置下三相变压器磁致伸缩特性研究

发布日期：2025-12-22 来源：铁心视界浏览次数：9988

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核心提示：直流偏置下三相变压器磁致伸缩特性研究

高压直流输电技术常以单极或双极不平衡模式运行。单极运行模式使用大地作为电流返回路径，导致从大地返回的直流流入中性接地变压器绕组；在双极不平衡模式运行时，由于两极电流不平衡，在接地极附近也会产生直流，进而流入变压器绕组。在这两种情况下，直流成为变压器励磁电流的一部分，使变压器铁心中的磁场发生偏移，产生直流偏置现象。直流偏置会导致变压器噪声、振动和损耗增加，对变压器的使用寿命和安全运行产生严重不利影响。变压器振动噪声的主要原因是铁心的磁致伸缩现象。磁致伸缩是铁磁性材料（如变压器铁心中的硅钢片）在磁场作用下发生的变形现象。当铁心被励磁时，硅钢片的磁致伸缩会导致铁心随励磁电流周期性振动。尽管铁心材料单位长度的磁致伸缩效应仅几微米，远小于铁心材料的尺寸，但磁致伸缩效应会加剧铁心在特定频率下的振动。变压器总振动噪声中约有50% 是由铁心材料的磁致伸缩行为引起的，表明铁心的磁致伸缩是产生变压器振动噪声的主要因素。山东省科学院研究团队聚焦于变压器磁致伸缩特性研究，通过偶极原理开发了一个三相五柱变压器在直流偏置下的暂态电磁电路耦合模型，采用 Jiles-Atherton铁磁滞理论来描述磁化过程。在模型中，磁化分为两个部分：不可逆和可逆。总磁化是这两个部分的总和。基于能量守恒原理，推导出磁化强度与磁场强度之间的微分关系。利用该模型，通过MATLAB软件进行模拟计算，得到了磁场强度H、磁通密度 B、Δl-B和 Δl-H，并分析了其在直流偏置下的变化规律。研究发现：

无直流偏置时的特性
无直流时，磁通密度B和磁场强度H的波形保持不变形，正负幅度的绝对值相等。当磁场强度降至零时，变形变量Δl为1.175×10⁻⁸m，而Δl达到零时，磁场强度约为-55.6A/m。随着磁场强度H接近最大幅度，变形变量Δl增长缓慢，表明磁致伸缩效应趋于饱和，具有饱和特性。磁致伸缩曲线呈蝴蝶形，左右翼对称，范围界限一致。随着磁通密度B和磁场强度H达到最大值，磁致伸缩变形变量Δl以非线性形式增加到峰值；随着磁通密度和磁场强度的减小，磁致伸缩曲线沿另一路径下降。无直流时三相变压器的磁致伸缩曲线如下：图1 无直流时相A的磁致伸缩曲线图2 无直流时相B的磁致伸缩曲线图3 无直流时相C的磁致伸缩曲线

有直流偏置时的特性
在直流偏置下，磁通密度B、磁场强度H和磁致伸缩曲线（Δl-B和Δl-H）的波形发生失真。特别是磁通密度和磁场强度的波形向上偏移，正负幅度的绝对值不再平衡。磁致伸缩曲线左右翼的对称性丧失，一侧的失真减小，另一侧的失真增加。磁致伸缩引起的变形Δl与施加的直流偏置几乎呈线性关系。直流偏置的增加导致变形按比例增加，突出了直流偏置对变压器磁致伸缩行为的显著影响。随着直流偏置的增加，变压器内部磁场强度的变化，放大了变压器铁心的磁致伸缩效应，导致变形量呈线性上升趋势。0.3A直流偏置下三相变压器的磁致伸缩曲线如下：图4 0.3A 直流下相A的磁致伸缩曲线图5 0.3A 直流下相B的磁致伸缩曲线图6 0.3A 直流下相C的磁致伸缩曲线研究结果表明，直流偏置对变压器的磁致伸缩特性有显著影响。无直流时，磁通密度B和磁场强度H的波形保持对称，磁致伸缩曲线左右翼对称。在直流偏置下，磁通密度B、磁场强度H和磁致伸缩曲线的波形发生失真，磁致伸缩变形加剧。磁致伸缩引起的变形Δl与施加的直流偏置呈近线性关系，直流偏置的增加导致变形按比例增加。该项研究的成果为深入理解直流偏置对变压器磁致伸缩特性的影响机制提供了理论依据，有助于优化变压器的设计，提高变压器在直流偏置条件下的运行性能和可靠性，减少振动和噪声，延长变压器的使用寿命，保障电力系统的稳定运行。

关键词： 三相变压器磁致伸缩

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