1 引言
有关怎样减轻地磁感应电流（GIC）对大功率变压器性能的影响问题，科技工作者已提出过多种无源解决方法，但在具体落实其所要求的指标时，代价比较昂贵，同时还存在一些缺陷。在经过多种课题的研究论证后，工程师们提出了一种成本较低的方法，其主要设计思想是在靠近变压器磁心几何中心的部位安置一个开放式的三角（△）接线的辅助绕组。该绕组用于可调式电流源的馈电。
对已经配置了闭合式三角（△）接线绕组的变压器，允许在靠近其磁心的位置上采用合适定额值的上述辅助绕组和受控电流源。变压器的半周期饱和，可以通过调整电流源用流过高压绕组的地磁感应电流产生的磁动势来消除。出现于开放式三角接线法辅助绕组两端之间的感应电压在平面的条件下为零，当在电源系统发生故障期间，其感应电压适度。这是由于辅助绕组的位置是在三角接线绕组的内部，它可调整电流源由小的感应电压转变为低的额定输出电压，这样可以降低成本。应该注意到，辅助绕组放置的部位对地磁感应电压有很大影响。本文所述课题研究的目标，就是寻找出辅助绕组放置的最佳位置，以使变压器产生的地磁感应电压最小。
2 减轻地磁感应电流影响的变压器模型和模拟       方法
对减轻地磁感应影响变压器性能的研究工作，主要针对由三个单相绕组单元组成的升压变压器。其Y/△接法的额定电压值分别是525/22.8kV，而每个单元的额定功率值在300MVA以上，高压值和辅助绕组的匝数分别约为1000V和100匝。为了补偿地磁感应电流，变压器绕组中的平均电流为10A，这样，辅助绕组需要施加的电流额定值约为30A，才能实现磁心中磁动势的平衡。靠近变压器磁心放置的绕组导线的截面积为10mm2，约有1.4Ω/相电阻。在要求约为30A的电流时，施加于三相的直流控制电源需要的适度电压值为120V。该控制电源还必须能够有效地减小系统发生故障情况下的感应电流。
本文研究的变压器模型是如图1a所示的单相高压变压器几何结构为基础。鉴于这种结构的变压器是对称结构，故只需要建立其1/4的变压器模型（如图1b所示），即可对其作出完整的分析。试验中，调节辅助绕组即可进行电压调整以补偿电压的各种变化。使用市场上可购得的软件“Magnet 5.2”即可完成二维（2D）有限元模拟，用以确定磁通密度分布状况和感应电压。磁通的分布情况和地磁感应电压与辅助绕组在磁心上的放置部位密切相关，同时，它们还与是否连接调压绕组（RV）的两种情况有关；对于短路时的情况而言，假设在高压绕组上每个单元的电流为10A，为了模拟闭合式三角（△）连接，需要将低压绕组中的电流调整到使得绕组两端的电压成为零，即把高压绕组两端的电压降调整到等于高压绕组两端的感应电压值。在此，我们假定了所有绕组中的电流分布是均匀的，即邻近效应和趋肤效应均被忽略不计了。
下面，我们讨论高压绕组两端的感应电压的计算方法。
                           (1)
式(1)是计算贮存在磁场中的能量(E)的方程式。式中，J是流经高压绕组的电流密度；A是因电流在所有四个绕组（即为低压绕组、高压绕组，辅助绕组和调节绕组）中流动的矢量势，假设任意一个地磁感应电流在存在补偿的情况下；dA是与高压绕组的平面有关无穷小的面积。
绕组中每一匝的磁通用式(2)计算：
                                   (2)
式中，I是流经高压绕组的电流，即高压绕组导体横截面积上电流密度J的积分；N是高压密集绕组的匝数。“匝磁通”的计算是利用全周期上40个采样点进行的。最后，利用匝磁通的离散导数来计算高压绕组两端间的感应电压。
以上的计算方法也可以用作计算辅助绕组两端间的感应电压，但存在以下不同之处：第一，式(1)中的无限小面积矢量dA是与辅助绕组相关；第二，以小的测试电流密度J注入辅助绕组中，该电流对矢量势A的影响很小；第三，式(2)中的电流I，由通过对辅助绕组导体横截面积上的电流密度J进行积分得到。
表1列出了所研制的变压器辅助绕组的放置部位，图2是其对应的示意图。由于图2所示为1/4变压器的模型，故完整绕组的镜像存在于其它三个象限之中。在其中一组的模拟中，考虑使用了调压绕组，因此其抽头在顶部位置。其它各组模拟则假设在工作中根本不存在调压绕组。
表1 绕组放置部位（与图2对应）
全调压绕组 无调压绕组
位置 区域标记 位置 区域标记
 左 右  左 右
1 （ G 1 （ G
2 ＃ u 2 ＃ u
3 （ H 3 ） H
4 $ X 4 $ X
5 “ I 5 “ I
6 9 K 6 9 K
7 7 M 7 7 M
8 5 O 8 5 O
9 3 Q 9 3 Q
10 1 S 10 1 S

3 模拟结果
在短路情况下检测，1/4变压器的磁通分布状况如图3所示。在短路的情况并在适当位置上存在调压绕组RV时，辅助绕组两端之间的感应电压与调压绕组的位置有关，如图4所示。它被放置于最佳位置（即在图2中的6＃位）的结果是1V/匝。在适当的位置上没有调压绕组RV时，辅助绕组两端间的感应电压如图5所示。在这种情况下，其最佳放置部位仍是6＃位，但感应电压是1.87V/匝。这个放置部位与图3中辅助绕组所包围的磁通量减到最小时的平面一致。另外还可以看到，如果辅助绕组向上位移，则感应电压将升高；如果辅助绕组的位置移向变压器的几何中心位置，那么其感应电压就会下降。
在变压器的三相上安置300匝以上的辅助绕组时，感应电压将迫使在最长的几个周期的持续时间内，大约有120A的电流进入到受控电源。在此条件下，只要求受控电源中的每个单元具备4倍的适度过载能力。但如果没有放置辅助绕组以致三角接线绕组内未受到保护，那么，感应电流将会达到约6kA，这样就会造成绕组和直流电源损坏。
4 结论
文章指出，单相变压器上的地磁感应电流补偿绕组两端之间出现的感应电压值，受绕组所放置的部位之影响很大。试验是采用市场供货的模拟用软件“Magnet 5.2”，在变压器短路情况下完成的。当辅助绕组在适合的位置并有调压绕组RV时，其最小感应电压为1V/匝；虽然辅助绕组在适合的位置但没有调压绕组RV时的最小感应电压为1.87V/匝。此外，实验还揭示，如果辅助绕组从其最佳位置向上移动，则感应电压就会升高；如果辅助绕组被移向变压器的几何中心，那么感应电压将下降。所以，为保证变压器绕组和用于补偿地磁感应电流的受控电源两者的安全；在三角连接绕组的内部设置适当额定值的辅助绕组是很有意义的。