电力变压器直流偏磁检测方法研究

时间：2024-05-22

赵娟,程帅,曹建安

(西安交通大学电气工程学院,西安 710049)

电力系统运行中,由于高压直流输电系统单极接地回路运行[1]或磁风暴[2,3]引起的直流电流进入励磁绕组,导致电力变压器铁芯中出现直流磁通发生直流偏磁。在直流偏磁状态下,变压器铁芯快速进入饱和状态,造成工作点漂移、励磁电流畸变、半波饱和等现象。此外,直流偏磁磁通会导致较高铁芯损耗,进而出现噪声、振动及过热等问题,甚至会危害变压器。因此,直流磁通的监测对电力变压器安全运行十分重要。

现有的变压器直流磁通检测方法[4-8]均是通过测量变压器偏磁后的变化量间接检测直流磁通。其中文献[6]与文献[7]所述的方法测量的是变压器的声振动而不是直接测量直流磁通。因为大多数情况下测量量与直流磁通之间不存在唯一性,故而这种测量方法容易被其他因素影响。文献[8]提出基于C型传感器的主磁芯动态磁通量的实时检测方法,但检测基于辅助磁芯的电感量变化,并且结果准确度高度依赖温度变化。

本文提出了一种C型结构磁通门传感器,该传感器通过提取变压器铁芯部分磁通,利用磁通门原理直接检测磁通大小。搭建实验平台,通过实验验证了该结构磁通门传感器能够实现变压器直流磁通的直接检测。

1 磁通门传感器检测原理

磁通门是利用磁芯饱和磁导率变化调制被测磁场,通过测量传感器中的感应电动势来度量被测磁场的方法[9]。

对于模型如图1虚线框内所示的单芯磁通门传感器,在一根铁芯上缠绕激励绕组与检测绕组,铁芯磁导率为μ,横截面面积为S,激励绕组匝数为N1,检测绕组匝数为N2。设激励线圈产生的磁场强度为H1,被测磁场强度为H0,则磁芯内部磁场可表示为:

H=H0+H1

(1)

则相应的磁芯内部磁感应强度B为:

B=μH=μ(H0+H1)

(2)

当磁芯进入饱和后,其磁导率随激励磁场变化不可忽略,设其为时间t的函数μ(t)。则磁通门检测线圈感应电动势为:

(3)

从式(3)可知,变压器效应产生的感应电动势对磁通门信号来说是非常大的噪声来源,所以在实际应用中一般选择如图1所示的差分结构磁通门传感器,该结构上下两个铁芯参数完全对称,激励线圈反向串联,因此激励绕组在磁芯中产生的磁场大小相等方向相反。但是被测磁场在两铁芯中分量大小方向均相同。所以在检测线圈上,激励产生的感应电动势互相抵消,而被测磁场呈两倍效果,则检测线圈上的感应电动势可表示为:

(4)

从式(4)中可以得到输出电压幅值与被测磁场强度成正比。因此本文选用差分结构的磁通门传感器并采用脉冲幅值法[10]实现被测磁场强度测量。

图1 差分结构磁通门传感器

2 新型磁通门传感器结构

本文提出传感器详细结构如图2(a)所示,该结构包括C型磁芯、激励线圈、激励源、检测线圈四部分。铁芯的高磁导率使传感器的磁阻远远低于变压器磁芯,相应的主磁芯中的磁通路径被传感器磁芯分流。为防止涡流,C型磁芯采用与变压器铁芯相同的叠片方法,并在铁芯中间构造一个方形通孔构成差分磁通门传感器结构。

图2 磁通门传感器示意图

传感器俯视图如图2(b)所示,磁通门传感器两个励磁绕组均匀绕制在磁芯通孔的左右两侧,绕组匝数相等且方向反向串联。励磁绕组产生的励磁磁场大小相等方向相反,并围绕通孔组成闭合磁通路径。外部激励源产生频率和幅值稳定的高频方波,使励磁线圈中的磁通产生周期性变化。因此,当激励电流达到峰值时,相应的磁芯中的磁场接近最大值。忽略通孔两边微小不对称,假设通孔左右两边几何参数和电磁参数完全相同,则在检测线圈的感应电动势将互相抵消,因此激励电流只起到调节磁芯磁导率的作用。

磁通门传感器安装示意图如图3所示,传感器磁芯接口垂直于电力变压器铁芯叠片表面放置,安装磁通门传感器后,主磁芯中的交流磁通ΦAC和直流磁通ΦDC将通过低磁阻磁路流过磁通门传感器,从而在该区域产生高磁通密度。假设变压器堆叠方向指向Z方向,这意味着磁通路径平行于X-Y平面。为了实现低磁阻路径,磁通门传感器的堆叠方向指向X方向。

图3 磁通门传感器安装示意图

3 实验及验证

3.1 激励电路及原理

为验证该传感器的准确性,实验激励电流采用自激磁通门原理[11]实现,其激励电路如图4(a)所示。整个电路通过激励绕组的充放电与比较器实现电压翻转,形成自激振荡产生周期性信号,推挽电路起到增大输出电流的作用。

采用分段线性模型,将激励绕组等效为非线性电感,即在磁芯未饱和即激励电流iex小于磁芯饱和电流IS时,将激励绕组电感等效为常数L0,在磁芯饱和即iex>IS时将激励绕组电感等效为常数Ls,则产生的激励电压电流波形如图4(b)所示。其中Vth为阈值电压,大小为±VcR1/(R1+R2),Im为最大激励电流,忽略激励绕组电阻其值为Vth/RS,t1、t3、t4、t6为磁芯饱和状态下线圈的充放电过程,t2、t5为磁芯未饱和状态下线圈的充放电过程。

图4 自激磁通门原理示意图

3.2 实验平台搭建

实验采用10 kVA变压器,该变压器饱和磁密为1.6 T,磁路长度为0.71 m,通过外加临时绕组的测试方法[12]测得变压器低压侧绕组匝数为230匝,则通过计算估计变压器饱和时励磁电流为0.561 A。在低压侧施加直流电流,为防止变压器进入饱和状态,选择直流电流变化范围为0～0.5 A。传感器激励绕组选取为200匝,检测绕组匝数为100匝,均匀绕制在磁芯上。为让磁芯易进入饱和状态,磁芯采用高磁导率的钴基非晶材料,材料的基本参数如表1所示。

表1 钴基非晶参数表

试验平台搭建如图5所示,传感器样机紧贴变压器铁芯表面放置,激励源的频率为300 Hz,偏置电流由MOTECH数控式3 A/30 V线性直流稳压电源提供,实验结果由示波器在测量绕组上直接测量显示。在不同偏置电流下检测绕组上的电压波形如图6所示。

图5 直流偏磁条件下实物安装示意图

图6 不同直流偏磁状态下的输出电压波形

从图6中可以看到当变压器铁芯中无直流偏置磁通时,测量绕组中仍能测得一定的电压输出,这是由传感器激励两边不完全对称以及比较器输出电平不对称引起的。随着直流偏置电流的增加,电压波形正负脉冲幅值和占空比均有明显变化。