一種變壓器鐵心剩磁估量方法

一種變壓器鐵心剩磁估量方法

0變壓器分閘后鐵體內(nèi)的剩磁合在過(guò)載和關(guān)閉開(kāi)關(guān)時(shí)，由于鐵心的飽和，勵(lì)磁流隨器而流，其勵(lì)磁流可以是變量額定電流的一定倍數(shù)。隨著電力變壓器容量的增加,空載合閘勵(lì)磁涌流將變得更大,空載合閘勵(lì)磁涌流對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行、設(shè)備安全和保護(hù)動(dòng)作都會(huì)產(chǎn)生一定的影響,甚至?xí)a(chǎn)生嚴(yán)重的后果。目前,已有多種技術(shù)方法用于抑制變壓器的空載合閘勵(lì)磁涌流,如:在變壓器的低壓側(cè)加裝電容器、內(nèi)插電阻和同步關(guān)合技術(shù)等方法。除了同步關(guān)合技術(shù)方法以外,其他方法都增加了設(shè)備投資費(fèi)用和操作的復(fù)雜性。同步關(guān)合技術(shù)的核心是根據(jù)分閘后鐵心中的剩磁確定合閘時(shí)刻。只要合閘時(shí)刻,能避免變壓器鐵心磁通的飽和,就可以有效地抑制變壓器的空載合閘勵(lì)磁涌流。預(yù)估變壓器分閘后鐵心中的剩磁是實(shí)現(xiàn)同步關(guān)合技術(shù)的關(guān)鍵。文獻(xiàn)提到了多種關(guān)于剩磁或磁場(chǎng)的經(jīng)典計(jì)算模型或方法,包括Preisach模型、Product模型、Stoner-Wohlfarth模型。但是以上模型計(jì)算方法都涉及部分不可直接測(cè)量的參數(shù),故在變壓器鐵心剩磁的具體預(yù)估中實(shí)用性不大。為了使變壓器鐵心剩磁的預(yù)估達(dá)到工程實(shí)用性,可以將變壓器鐵心剩磁與變壓器分閘時(shí)刻的電流幅值和相角關(guān)聯(lián)起來(lái),只要獲取到變壓器分閘時(shí)刻的電流幅值和相角與變壓器鐵心剩磁的關(guān)系特性,則依據(jù)變壓器分閘時(shí)刻的電流幅值和相角就能預(yù)估變壓器的鐵心剩磁。要獲取此關(guān)系特性,可就變壓器進(jìn)行空投試驗(yàn),或依據(jù)變壓器的空載合閘運(yùn)行,記錄不同的分閘時(shí)刻電流幅值和相角,測(cè)量不同分閘時(shí)刻電流幅值和相角下的變壓器鐵心剩磁。隨著記錄和測(cè)量數(shù)據(jù)的豐富和完善,變壓器分閘時(shí)刻的電流幅值和相角與變壓器鐵心剩磁的關(guān)系特性將更加易于獲取。變壓器分閘后鐵心中的剩磁通常可由專有儀器(如磁通計(jì)WB-1)進(jìn)行測(cè)量,但因測(cè)量的復(fù)雜性,很難在變壓器運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。但實(shí)際工程中,在了解變壓器空載合閘角的前提下,利用變壓器空載合閘后在變壓器一次側(cè)檢測(cè)到的電壓電流數(shù)據(jù),尋找變壓器的鐵心飽和時(shí)刻,就可以估量變壓器分閘后鐵心中的剩磁。1變壓器磁通量的確定以單相變壓器為例來(lái)分析變壓器空載合閘的暫態(tài)過(guò)程。變壓器一次側(cè)的輸入電壓為式中:Um為電壓幅值最大值;ω為電源的角頻率;α為電壓合閘角。在變壓器空載合閘時(shí)刻式中:R為一次側(cè)回路的電阻;L為一次側(cè)回路的電感,在忽略一次側(cè)繞組的漏感情況下,L近似為變壓器的勵(lì)磁電感;i為勵(lì)磁電流?？紤]到變壓器空載合閘時(shí)刻的變壓器勵(lì)磁電流為零,由式(2)可求得勵(lì)磁電流為在變壓器鐵心飽和前,可得勵(lì)磁磁通為若鐵心內(nèi)存在剩磁,其變壓器磁通量為式中φr(t)為鐵心剩磁在合閘后瞬時(shí)值。參照文獻(xiàn),剩磁φr(t)可表示為式中φr0為變壓器鐵心剩磁初值。由于變壓器暫態(tài)磁通分量和鐵心剩磁的作用,在多種合閘情況下變壓器鐵心內(nèi)的總磁通會(huì)偏向時(shí)間軸一側(cè),即一側(cè)的變壓器磁通會(huì)增加很大。當(dāng)變壓器磁通增加到使變壓器鐵心飽和時(shí),變壓器將出現(xiàn)勵(lì)磁涌流。2磁體剩余磁體的估計(jì)2.1和時(shí)鐵心飽和時(shí)在變壓器鐵心出現(xiàn)飽和的時(shí)刻,變壓器磁通可稱為變壓器飽和磁通,并可表示為對(duì)于一個(gè)鐵心材料和結(jié)構(gòu)確定的變壓器,當(dāng)鐵心未飽和時(shí),可將R和L認(rèn)為常數(shù);當(dāng)鐵心出現(xiàn)飽和時(shí),可將飽和磁通φs近似認(rèn)作為一個(gè)定值。在變壓器的R和L、飽和磁通φs、變壓器空載合閘角α、鐵心飽和時(shí)刻ts都已確定的基礎(chǔ)上,依據(jù)式(7)變壓器鐵心的剩磁初值可估計(jì)為式中φm=LUm/2為穩(wěn)態(tài)磁通幅值。電壓幅值Um可由一次側(cè)電壓計(jì)算獲得;空載合閘角α可在變壓器空載合閘時(shí)控制確定或通過(guò)檢測(cè)空載合閘時(shí)的電壓獲得。2.2次側(cè)電壓電流的計(jì)算變壓器一次側(cè)回路的電阻和電感參數(shù)可在出廠前測(cè)試給出。若出廠時(shí)未給出一次側(cè)回路的電阻和電感參數(shù),文獻(xiàn)給出了一種利用變壓器空載合閘后的一次側(cè)電壓電流數(shù)據(jù)計(jì)算一次側(cè)回路電阻和電感參數(shù)的方法。參照文獻(xiàn)提出的方法,將空載合閘后的一次側(cè)電壓電流視為幅值和相位隨時(shí)間變化的正弦瞬變信號(hào),并表示為將式(9)代入式(2),為式中au(t)、bu(t)、ai(t)和bi(t)為正弦瞬變信號(hào)表達(dá)式的時(shí)變系數(shù),文獻(xiàn)給出了這種信號(hào)系數(shù)詳細(xì)介紹和正弦逼近求取方法。由此,依據(jù)式(11)就可在線實(shí)時(shí)計(jì)算一次側(cè)回路的電阻和電感參數(shù)。2.3變壓器鐵心飽和后,變壓器的勵(lì)磁電流隨變壓器鐵心飽和量的變化當(dāng)變壓器鐵心未飽和時(shí),變壓器的勵(lì)磁電感可考慮為常數(shù),即變壓器一次側(cè)回路的電感L為常數(shù);當(dāng)變壓器鐵心出現(xiàn)飽和后,變壓器的勵(lì)磁電感是勵(lì)磁電流的函數(shù),隨勵(lì)磁電流的增大而減小。依據(jù)文獻(xiàn)給出的方法,利用變壓器空載合閘后的一次側(cè)電壓電流數(shù)據(jù)在線實(shí)時(shí)計(jì)算一次側(cè)回路的電感L,只要電感L出現(xiàn)明顯的減少,則此時(shí)刻就是變壓器鐵心飽和時(shí)刻。2.4飽和磁通的估計(jì)對(duì)于一個(gè)鐵心材料和結(jié)構(gòu)確定的變壓器,鐵心的飽和磁通可認(rèn)為是一個(gè)定值,其飽和磁通值可由制造方給出。若制造方未給出飽和磁通值,可采用如下方法對(duì)變壓器飽和磁通進(jìn)行估計(jì)。就一個(gè)剩磁幾乎為零的變壓器進(jìn)行空載合閘,若變壓器鐵心出現(xiàn)飽和,將鐵心飽和時(shí)刻ts、R和L、空載合閘角α及電壓幅值Um代入式(6),可求出該變壓器鐵心的飽和磁通為3磁體剩余磁體測(cè)量的動(dòng)態(tài)模型實(shí)驗(yàn)3.1變壓器電流飽和時(shí)輸出的電阻值的計(jì)算實(shí)驗(yàn)變壓器為一臺(tái)單相DMB-15型模擬變壓器。銘牌參數(shù)為:額定容量15kVA,高壓側(cè)最高電壓1040V,低壓側(cè)額定電壓380V,空載電流為1.5%,繞組匝數(shù)386匝,空載損耗為1.2%,短路阻抗10%~18%,負(fù)載損耗為0.45%。合閘時(shí)電流波形的1個(gè)實(shí)驗(yàn)錄波如圖1所示。根據(jù)文獻(xiàn),變壓器繞組電阻為式中:RT為變壓器高低壓繞組的總電阻,此電阻大于一次繞組電阻值R;Pk為變壓器的負(fù)載損耗,kW。由于電流有效值小,故合閘時(shí)變壓器一次繞組電阻的分壓作用可以忽略,并結(jié)合本變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可取一次繞組電阻值R≈1.3?。通過(guò)文獻(xiàn)給出方法,得到鐵心磁路飽和前繞組的電感L=1.130845H;鐵心磁路飽和時(shí)間ts=0.00554s。由于該實(shí)驗(yàn)用變壓器的鐵心是由0.28~0.35mm冷軋取向電工硅鋼片制成的。其鐵心飽和磁通按中間值進(jìn)行計(jì)算所以有代入以上已知參數(shù),計(jì)算得本次合閘前鐵心內(nèi)的剩磁φr0≈-0.4456Wb。3.2同分閘角時(shí)的鐵心初始剩磁表1列出了60組鐵心磁路達(dá)到飽和的實(shí)驗(yàn)波形數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)分析計(jì)算后得出在不同分閘角時(shí)的鐵心剩磁。本次動(dòng)模實(shí)驗(yàn)總共錄制了上百組波形數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中有少部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的鐵心磁路沒(méi)有飽和,本文提出的剩磁估算方法可知,根據(jù)這部分?jǐn)?shù)據(jù)不能計(jì)算合閘前鐵心的初始剩磁。剩磁與分閘電壓相角之間的關(guān)系曲線見(jiàn)圖2。3.3電流幅值與鐵心剩磁的關(guān)系根據(jù)文獻(xiàn)可知,在同一分閘角時(shí)若電流大小不同、斷電瞬間變壓器鐵心所在的磁滯回線不同,同一分閘角斷電時(shí)鐵心內(nèi)的剩磁是不一樣的。實(shí)驗(yàn)時(shí)還分別對(duì)5個(gè)電流峰值下的多次實(shí)驗(yàn)錄波,并選擇分閘電壓相角為40°、70°和150°附近的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到分閘點(diǎn)對(duì)應(yīng)的鐵心剩磁,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。電流幅值與鐵心剩磁的關(guān)系見(jiàn)圖3。可見(jiàn),在同樣的分閘角時(shí),若變壓器切除電力系統(tǒng)前繞組電流越大,鐵心內(nèi)的剩磁越大。3.4每相剩磁估量的計(jì)算雖然三相變壓器有多種形式的鐵心結(jié)構(gòu),但本文提出的剩磁估量方法可用于三相變壓器中的每相剩磁估量。由于三相變壓器分閘前的三相電壓(或三相電流)之間的相角確定(互差120°),可依據(jù)三相變壓器中每相的剩磁估量和分閘前的三相電壓(或三相電流)相角,獲得三相變壓器分閘角與鐵心剩磁的關(guān)系。4變壓器鐵心剩磁估計(jì)本文提出了一種變壓器鐵心剩磁估計(jì)的方法。依據(jù)變壓器空載合閘后在變壓器原邊檢測(cè)到的電壓電流數(shù)據(jù)和空載合閘角,尋找變壓