一种基于局部磁滞回环的电力变压器铁芯剩磁检测方法

本发明涉及变压器铁芯材料的磁特性技术领域，具体涉及一种基于局部磁滞回环的电力变压器铁芯剩磁检测方法及实验平台。


背景技术：

当电力变压器进行重合闸时，由于剩磁的存在，将会产生较大励磁涌流，导致变压器合闸频频失败。涌流的存在将会加速铁芯饱和，使变压器漏磁增加，引起油箱过热，促进绝缘纸老化和变压器油分解，影响变压器的寿命；同时，涌流中的高次谐波也会造成电网电压骤升或骤降，降低电网电能质量，影响其他电气设备正常工作。为了减少励磁涌流对电网的影响，在变压器合闸前对铁芯进行退磁，退磁的关键则是确定剩磁的大小和方向。文献[1]研究了根据励磁涌流第一峰值检测剩磁的方法，这种方法需要配合合闸角的控制，且当铁芯剩磁较大时，变压器合闸失败，将会增加峰值电流检测的难度。文献[2]研究了采用阻抗分析仪检测断电后铁芯的励磁电感，提出了根据励磁电感检测铁芯剩磁的方法，其可应用于现场测量，但是阻抗分析仪检测的电感值是一个逐渐衰减的变量，增加了电感值的检测难度。cn103675728a中提出根据直流激励施加时，暂态电流中某一点的电流值检测铁芯剩磁，但是需要建立准确的铁芯数学模型，且不同的测量时刻能够得到不同的剩磁计算公式，降低计算的准确性。鉴于此，目前仍未有有效准确地剩磁检测方法出现，研究一种准确检测剩磁的方法，并对变压器铁芯进行快速、有效退磁，实现电网安全可靠运行，具有重要的科学理论意义与工程应用价值。参考文献：
[0001]
李勇,金明亮,李海涛,等.电力变压器剩磁测量方法研究[j].电力系统保护与控制,2019,47(15):1-6.[2]wei c,li x,yang m,et al.novel remanence determination for power transformers based on magnetizing inductancemeasurements[j].energies,2019,12(24):1-14.


技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种基于局部磁滞回环的电力变压器铁芯剩磁检测方法及实验平台，以解决上述背景技术中存在问题。首先，在有限元软件中，建立了待测变压器铁芯仿真模型；其次，对铁芯一侧绕组分别施加正、负向直流激励，检测变压器一侧绕组电流和另一侧绕路感应电压波形，测到正、负向局部磁滞回环，根据局部磁滞回环的形状特征辨别剩磁方向；最后，分析不同剩磁下，正、负向局部磁滞回环的面积和剩磁之间的变化关系，通过数据拟合得到剩磁和正向局部磁滞回环面积的关系式，进而能在已知正向局部磁滞回环面积情况下确定待测变压器铁芯的剩磁值。本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种基于局部磁滞回环的电力变压器铁芯剩磁检测方法，该检测方法的步骤是：
第一步，在有限元软件中，建立待测变压器铁芯仿真模型；建立的铁芯仿真模型有两个绕组，在剩磁检测时，一侧绕组接入直流测量激励，另一侧绕组开路运行；第二步，确定仿真模型剩磁方向：首先，对待测变压器铁芯仿真模型的预设剩磁绕组中施加不同大小的电流激励，得到不同的预设剩磁值，选择变压器铁芯仿真模型中靠近铁芯的一侧绕组为预设剩磁绕组；其次，在不同预设剩磁基础上施加正、负向短时小直流激励，测得变压器一侧绕组的电流波形和另一侧绕组的感应电压波形，进而得到正、负向局部磁滞回环波形；通过对不同剩磁情况下的两个方向局部磁滞回环形状特征进行分析，确定当前待测变压器铁芯仿真模型的剩磁的方向，即局部磁滞回环形状接近于三角形的为剩磁的正方向，局部磁滞回环形状接近于四边形的为剩磁的负方向；第三步，确定待测变压器铁芯剩磁与正向局部磁滞回环面积的关系：在待测变压器铁芯仿真模型的预设剩磁绕组侧加载不同大小的电流激励，得到不同大小的剩磁，在待测变压器铁芯仿真模型的测量绕组中加载正、负向的短时小直流激励，获得不同剩磁情况下的正、负向局部磁滞回环，确定仿真模型的剩磁的方向，并得到正向局部磁滞回环的面积a1；对不同剩磁情况下的正向局部磁滞回环的面积进行数据拟合，得到剩磁br与正向局部磁滞回环的关系式，br＝f(a1)；第四步，对待测变压器铁芯施加两个不同方向的短时小直流激励，获得该激励下的局部磁滞回环，根据磁滞回环形状特征判断出铁芯剩磁方向，再根据剩磁br与正向局部磁滞回环的关系式，获得该待测变压器铁芯的剩磁值。所述短时小直流激励信号指，在激励施加时，必须确保铁芯初始剩磁的变化率在5％以内。所述预设剩磁的取值范围为铁磁材料饱和磁通密度的0.2至0.7倍，在该范围内实现待测变压器铁芯仿真模型中剩磁的预设。待测变压器铁芯为方形铁芯，铁芯的尺寸为：铁芯每片片宽80mm，铁芯叠片厚度为20mm，铁芯整体内部正方形的边长为400mm，铁芯整体外部正方形的边长为560mm。一种基于局部磁滞回环的电力变压器铁芯剩磁检测实验平台，对待测变压器铁芯中的剩磁进行测量，该平台需要的测量仪器包括信号发生器、功率放大器、磁通计、数字示波器和电流探头以及pc电脑端的控制；采用信号发生器给待测变压器铁芯的一侧绕组加载短时小直流激励，并通过功率放大器进行放大；通过磁通计可以跟踪并记录测量过程中，铁芯中磁通的变化情况；通过电流传感器和电压传感器分别采集一侧绕组的电流和另一侧绕组的感应电压波形，将波形显示在数字示波器中；实验平台的具体实验过程是：(1)待测变压器铁芯进行充分退磁，然后对待测变压器铁芯绕组施加较大电流激励，再撤掉该激励，进行铁芯剩磁的预设；在激励施加过程中，结合磁通计对待测变压器铁芯中的磁通进行实时跟踪，确定待测变压器铁芯中产生的预设剩磁值的大小；
(2)对待测变压器铁芯剩磁的方向进行判断：在步骤(1)含有预设剩磁的待测变压器铁芯的一次绕组上分别施加一个与仿真中一致的两个不同方向的短时小直流激励信号，根据电流传感器检测到电流信号，根据电压传感器检测到电压信号，并且显示在数字示波器中；分析两个方向上局部磁滞回环的形状特征，确定剩磁的方向，即局部磁滞回环的形状接近于三角形为正向剩磁，局部磁滞回环的形状接近于四边形为负向剩磁；(3)计算待测变压器铁芯的剩磁大小：获取步骤(2)的激励下的正向局部磁滞回环面积，再根据剩磁br与正向局部磁滞回环的关系式计算出待测变压器铁芯中的剩磁值，此为计算剩磁值；将相同条件下的预设剩磁值与计算剩磁值进行比较，分析出测量剩磁的误差。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的突出实质性特点是：本发明方法提出了一种基于局部磁滞回环测量变压器铁芯中剩磁的方法。首先，在有限元软件中，建立了待测变压器铁芯仿真模型，分析不同剩磁下，正、负向短时小直流激励作用下，正、负向局部磁滞回环波形的变化趋势，根据正、反向的局部磁滞回环的形状特征，判断出剩磁的方向。通过数据拟合得到剩磁和正向局部磁滞回环面积的关系式，即为计算剩磁的经验公式。基于该剩磁预测方法搭建实验平台上，并分析测量结果的相对误差。此外，提出的剩磁检测方法不仅具有简单的经验公式来计算铁芯中的剩磁，而且在实践中易于操作。同时，根据磁路分析法可知，该方法可以应用于任何具有封闭磁路的铁芯中，具有普遍适用性。本发明的显著进步是：(1)本发明方法针对变压器铁芯中剩磁难以测量的问题，研究了在施加正、负向直流激励后，铁芯剩磁与测量的局部磁滞回环的关系，得出检测剩磁大小和方向的方法。本发明方法有效地解决了电力变压器铁芯剩磁的大小难以测量的问题，同时，实现剩磁方向的判断。(2)本发明方法原理简单清晰，试验测量操作简便易行。(3)本发明方法具有高效高精度的特性。能够反复验证分析变压器铁芯剩磁实时情况,使得变压器铁芯剩磁的测量有更高的精确性，尤其是对应较小剩磁(0.5-0.8t)时，其剩磁的检测相对误差仍能控制在3.5％以内，精度较高，避免了现有技术中采用局部磁滞回线斜率方式检测时由于正反斜率在小剩磁情况下非常接近而检测不准确的问题，本技术在剩磁大或小时均能适用，且更加直观简单。(4)本发明方法具有普遍适用性，可以广泛应用于具有封闭磁路磁芯的其他电力设备的剩磁的测量与计算，是对有效地消除电力设备的磁芯剩磁影响所不可缺少的技术。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是本发明方法的操作流程示意框图。图2是本发明实施例中选取的方形变压器铁芯的尺寸示意图。图3是本发明实施例中待测方形铁芯在有限元中建立的模型图。图4是本发明实施例中待测方形铁芯建立的正向局部磁滞回环与剩磁之间的关
系。图5是本发明实施例中待测方形铁芯剩磁方向的判断。图6是本发明实施例中剩磁测量实验平台。
具体实施方式
图1所示实施例表明，本发明的操作流程是：第一步、对待测变压器铁芯在有限元中进行准确建模，建立待测变压器铁芯仿真模型。第二步、确定仿真模型剩磁方向：首先，对待测变压器铁芯仿真模型的预设剩磁绕组中施加不同大小的电流激励，得到不同的预设剩磁值，选择变压器铁芯仿真模型中靠近铁芯的一侧绕组为预设剩磁绕组；其次，在不同预设剩磁基础上施加正、负向短时小直流激励，测得变压器一侧绕组的电流波形和另一侧绕组的感应电压波形，进而得到正、负向局部磁滞回环波形；通过对不同剩磁情况下的两个方向局部磁滞回环形状特征进行分析，发现正向局部磁滞回环呈类三角形，负向局部磁滞回环呈类四边形，因此根据局部磁滞回环的大致形状能够确定当前待测变压器铁芯仿真模型的剩磁的方向，即局部磁滞回环形状接近于三角形的为剩磁的正方向，局部磁滞回环形状接近于四边形的为剩磁的负方向；第三步、拟合待测铁芯剩磁测量的经验公式：在不同剩磁下，分析待测变压器铁芯仿真模型局部磁滞回环面积与剩磁之间的关系，其中负向局部磁滞回环面积与剩磁之间非线性，正向局部磁滞回环面积与剩磁之间呈现线性关系，拟合剩磁与正向局部磁滞回环面积的关系式，即为待测铁芯剩磁测量的经验公式。第四步、进行待测铁芯剩磁试验分析：通过对待测变压器铁芯施加两个不同方向的短时小直流激励，根据局部磁滞回环形状确定待测变压器铁芯的剩磁的正方向，并获得正方向局部磁滞回环面积，再利用第三步已建立的关系式，确定已知剩磁方向下的待测变压器铁芯的剩磁值。搭建待测变压器铁芯剩磁的实验平台，进行待测变压器铁芯剩磁方向的判断和大小的计算，并进行误差分析。图2所示实施例表明，本发明实施例中选取的封闭磁路变压器铁芯的尺寸示意图。选取的变压器的铁芯的尺寸为：铁芯每片片宽80mm，铁芯叠片厚度为20mm，方形铁芯整体呈环状正方体，铁芯整体内部正方形的边长为400mm，铁芯外部正方形的边长为560mm。图3所示实施例表明，本发明实施例中待测方形变压器铁芯进行有限元建立的模型图。在有限元仿真中，存在两个绕组，分别为变压器一次绕组，主要用于对铁芯施加短时小直流激励，二次绕组开路运行。当对一次绕组施加直流激励时，可以分别检测一次绕组的电流波形和二次绕组的电压波形。此外，在有限元仿真中，还需用到预设剩磁，其中在实际的变压器中，内侧是低压，外侧是高压，叠加时靠近铁芯的为预设剩磁绕组，即预设剩磁绕组采用接近铁芯的测量绕组，本实施例中以一次绕组作为预设剩磁绕组进行说明。图4所示实施例表明，本发明实施例中建立的剩磁与正向局部磁滞回环面积的关
系接近于线性，通过二者的关系能够检测剩磁大小。图5所示实施例表明，本发明实施例中在不同剩磁下，对一次绕组施加不同极性的直流激励，得到预设剩磁为0.832t时，获得正、负向局部磁滞回环，分析两个局部磁滞回环的形状特征，判断出剩磁方向，即局部磁滞回环形状接近三角形的为剩磁的正方向，接近于四边形的为剩磁的负方向。图6所示实施例表明，本发明实施例中剩磁测量的实验平台。在搭建的实验平台上对本发明的剩磁检测方法进行验证，并分析预设剩磁和计算剩磁的测量误差。对待测变压器铁芯中的剩磁进行测量，该实验平台需要的测量仪器包括信号发生器1、功率放大器2、磁通计3、数字示波器4和电流探头以及pc电脑端的控制；磁通计连接待测变压器铁芯5，磁通计连接在二次侧，激励给到变压器一次侧，二次侧用来测感应电压；信号发生器发出直流激励信号，经功率放大器进行信号放大，施加在铁芯一次绕组的两侧，二次绕组开路运行；通过磁通计跟踪并记录激励施加过程中，铁芯中磁通的变化情况；测量得到的电流和电压信号，通过电流传感器和电压传感器进行信号采集，显示在数字示波器4中；由电流获得h，电压获得b，b-h绘图后形成局部磁滞回环。具体实验过程：(1)待测变压器铁芯进行充分退磁，然后对铁芯绕组施加较大电流激励，再撤掉该激励，进行铁芯剩磁的预设。在激励施加过程中，结合磁通计对变压器铁芯中的磁通进行实时跟踪，确定待测变压器铁芯中产生的预设剩磁值的大小；(2)对待测变压器铁芯剩磁的方向进行判断：在待测变压器铁芯的一次绕组上分别施加一个与仿真中一致的两个不同方向的短时小直流激励信号，根据电流传感器检测到电流信号，根据电压传感器检测到电压信号，并且显示在数字示波器中；分析两个方向上局部磁滞回环的形状特征，确定剩磁的方向，即局部磁滞回环的形状接近于三角形为正向剩磁，局部磁滞回环的形状接近于四边形为负向剩磁；(3)计算待测变压器铁芯的剩磁大小：通过有限元仿真得到该类型待测变压器铁芯的剩磁与正向局部磁滞回环面积的关系式，br＝f(a1)，给定待测变压器铁芯的一次绕组两个方向的直流激励，获取该激励下的正向局部磁滞回环面积，计算出铁芯中的剩磁值。将相同条件下的预设剩磁值与计算剩磁值进行比较，分析出测量剩磁的误差较小，精确性较高。本发明根据经验估计法确定剩磁的范围，经验估计法认为剩磁的大小约为铁芯饱和磁密的0.2至0.7倍。例如，当铁芯的饱和磁密为1.8t时，剩磁的预设范围确定为0.4t-1.36t，在该范围内，对待测变压器铁芯的剩磁进行预设。在预设剩磁以后，对待测变压器铁芯仿真模型的一次绕组中分别加载一个正、反向的短时小直流激励，得到一次绕组的电流波形和二次绕组的开路电压波形，得出正、负向局部磁滞回环，通过对比分析两个局部磁滞回环波形，发现正向局部磁滞回环形状接近于三角形，负向局部磁滞回环形状接近于四边形，因此，通过判断正、负向的局部磁滞回环的形状特征判断出待测变压器铁芯的剩磁方向。实施例本发明对待测变压器铁芯中剩磁测量进行研究，在实施例中，选用方形变压器铁
芯为研究对象，对本发明的剩磁测量方法进行验证。第一步，建立方形铁芯的有限元模型。在有限元软件上，对待测变压器铁芯进行准确建模。根据待测变压器铁芯的结构尺寸在电磁场仿真软件中建立待测变压器铁芯几何模型，并根据待测变压器铁芯的材料特性参数在电磁场仿真软件中设置铁芯材料属性。由此在电磁场仿真软件中建立起待测变压器铁芯的仿真模型。本实施例在有限元软件comsol中，根据图2所示方形铁芯的结构尺寸对方形铁芯进行模型。对该方形铁芯的材料属性进行设置，方形铁芯选用的材料型号为b30p105。建立的方形铁芯的仿真模型如图3所示，其中两个绕组，分别为变压器一次绕组和二次绕组。第二步，方形铁芯剩磁的方向判断。通过给铁芯绕组施加不同大小的电流激励，使铁芯产生不同大小和方向的剩磁值。铁芯材料选用的硅钢片的型号为b30p105，其饱和磁密为1.8t，因此本实施例中预设剩磁的范围为0.4t-1.36t。在已知铁芯剩磁正方向情况下，在方形铁芯的测量绕组上加载正向和负向的小激励信号，得到电路中流过的正向和负向的暂态电流的波形，分析剩磁与正向、负向局部磁滞回环的关系。在铁芯剩磁从0.4t-1.36t变化时，正向局部磁滞回环的形状接近三角形，确定剩磁方向为正方向。因此，在未知铁芯剩磁的方向的情况下，根据在某一给定剩磁情况下，判断局部磁滞回环的形状特征，局部磁滞回环形状为三角形的为剩磁正方向，局部磁滞回环形状为四边形的为剩磁负方向。第三步，计算方形铁芯剩磁的经验公式。在待测变压器铁芯仿真模型的绕组侧加载不同大小的电流激励，得到不同大小的剩磁，根据第二步所确定的仿真模型的剩磁方向，在待测变压器铁芯仿真模型的一次绕组中短时小直流激励，获得不同剩磁情况下的局部磁滞回环；分析剩磁与局部磁滞回环面积的拟合关系，即为计算剩磁的经验公式为br＝f(a1)＝-0.02291a1+1.5117。第四步，搭建方形铁芯的实验平台。(1)搭建待测铁芯的实验平台，对本发明中提出的基于局部磁滞回环测量变压器铁芯中剩磁的方法进行实验验证。对铁芯进行剩磁的预设，预设铁芯剩磁的范围与仿真的范围基本一致，剩磁范围是0.4t-1.36t。(2)搭建的实验平台如图5所示，当给测量绕组加载正、反向的小激励信号(电压激励0.1v)，通过电流传感器的电流探头采集测量电路中的电流信号，通过电压传感器检测变压器铁芯二次绕组的开路电压信号，经过数据处理绘制出局部磁滞回环波形，观察该波形的形状特征，判断剩磁方向。通过仿真和试验分析可知，正向局部磁滞回环的形状特征接近于三角形，所以判断出剩磁的方向为正向。(3)计算方形铁芯中剩磁的大小。根据第三步中得到的经验公式，对方形铁芯中的剩磁进行计算。当给变压器一次绕组施加对剩磁影响小于5％的正向短时小直流激励信号时，得到正向局部磁滞回环波形，于是计算相应的正向局部回环面积，将该值代入第三步中的经验公式中，计算出铁芯剩磁的大小。通过对计算的剩磁值与磁通计实时跟踪的实际剩磁值进行比较，得到相对误差在3.5％以内，如表1所示，且在剩磁较大时，测量误差较小，精
确性可以达到0.8％，由此表明检测方法能够精准检测较大剩磁值。与现有文献中测量剩磁的方法相比，具有检测精度较高、易判断剩磁方向以及操作简单等优点。表1.实验测量数据本发明未述及之处适用于现有技术。