電力變壓器鐵心飽和磁特性的測(cè)量

劉宏勛，楊慶新，2，張俊杰，劉蘭榮

（1.河北工業(yè)大學(xué) 電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130；2.天津工業(yè)大學(xué)，天津 300160；3.保定天威集團(tuán)技術(shù)中心 電磁研究室，河北 保定 071056）

0 引言

鐵心過勵(lì)磁一般指鐵心工作在磁密飽和點(diǎn)以上.當(dāng)一臺(tái)變壓器在飽和磁密或以上運(yùn)行時(shí)，就會(huì)有大量的雜散磁通使繞組和夾件、油箱等金屬件產(chǎn)生雜散損耗而使局部過熱.為使變壓器不產(chǎn)生過勵(lì)磁或縮短過勵(lì)磁時(shí)間，一方面要有過勵(lì)磁保護(hù)裝置，另一方面設(shè)計(jì)時(shí)要按照變壓器運(yùn)行特性[1]加以考慮.

1 方法

利用已經(jīng)建立的模擬變壓器鐵心的疊片鐵心模型，通過實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)量得到鐵心接近飽和時(shí)的數(shù)據(jù)，更接近鐵心的實(shí)際工況.測(cè)量的難點(diǎn)是如何在鐵芯接近飽和的情況下，保證測(cè)量電壓的正弦性，波形畸變?cè)趪鴺?biāo)允許的范圍內(nèi).通過幾組實(shí)驗(yàn)方法的比較，最終確定的實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)所使用的儀器設(shè)備及性能指標(biāo)如表1所示.其中被試品的選擇關(guān)系到能否測(cè)量得到有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).本實(shí)驗(yàn)中采用的被試品由天威集團(tuán)實(shí)驗(yàn)中心制作.該產(chǎn)品級(jí)的鐵心模型全部采用45°全斜接縫、每級(jí)兩片、三級(jí)步進(jìn)、5mm搭接的疊裝工藝制作而成[2].鐵心模型（ModelC2）的主要技術(shù)數(shù)據(jù)參見表2（天威集團(tuán)電磁研究室提供）[3-4].

表1 實(shí)驗(yàn)所使用的儀器設(shè)備及性能Tab.1 Parametersof the experimentdevices

模型鐵心尺寸硅鋼片型號(hào)30Q140（武鋼生產(chǎn)，未退火處理）硅鋼片密度模型鐵心截面激磁線圈和磁量線圈匝數(shù)激磁線圈線規(guī)導(dǎo)線電導(dǎo)率導(dǎo)線密度測(cè)量線圈線規(guī)總激磁線圈匝數(shù)總測(cè)量線圈匝數(shù)轉(zhuǎn)角厚度/m硅鋼片規(guī)格/m 7.65×103 kg/m3 2 767.05mm2第1層108匝（抽頭）第2層104匝第3層100匝4× 1.6mm 5.714 3×107 S/m 溫度：20℃8.9×103 kg/m3 0.56mm 312（108（內(nèi)）+104（中）+100（外））312（與激磁線圈分布一致）0.025 0.420×0.110

2 實(shí)驗(yàn)線路

該實(shí)驗(yàn)的目的是，對(duì)模型（ModelC2）312匝做過勵(lì)磁實(shí)驗(yàn)，同時(shí)測(cè)量模型的輸入電壓與輸出電壓，觀察電壓波形的正弦性，并利用WT3000記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及波形.在保證感應(yīng)電壓波形正弦性的前提下，盡可能做到更高的值，從而得到深度飽和的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果.

實(shí)驗(yàn)線路如圖1.在被測(cè)試品（模型鐵心）的激勵(lì)端施加一個(gè)正弦的電壓源，而將測(cè)量端開路，測(cè)量并記錄下空載時(shí)的數(shù)據(jù).隨著激勵(lì)電壓的升高，被測(cè)鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)逐漸升高.當(dāng)超過1.9T后，激磁電流峰值會(huì)很大，此時(shí)要注意監(jiān)測(cè)測(cè)量電壓的波形的正弦性，THD含量不能超過規(guī)定的值.每一個(gè)工作點(diǎn)都記錄下相應(yīng)的電壓、電流等數(shù)據(jù)和波形.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 實(shí)驗(yàn)接線原理圖Fig.1 Schematic diagram of theexperimentcircuit

本實(shí)驗(yàn)使用精密功率分析儀（WT3000，YOKOGAWA，日本）記錄測(cè)量線圈的感應(yīng)電壓，激磁線圈的電流，由實(shí)驗(yàn)中采集的電壓電流的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，應(yīng)用MATLAB已編程序進(jìn)行求解，求得、（：磁通密度為最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度值）.表3中列出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理得出的疊片鐵心的數(shù)據(jù).圖2是根據(jù)方圈的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[4],利用MATLAB繪制的激磁曲線.圖中的系列4是根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的激磁曲線的飽和段.為了是曲線更加清晰，圖3中繪制出只取磁感應(yīng)強(qiáng)度超過1.8 T的一段.

表3 數(shù)據(jù)處理后的和Tab.3 Calculated and based on the experimentaldata

表3 數(shù)據(jù)處理后的和Tab.3 Calculated and based on the experimentaldata

磁感應(yīng)強(qiáng)度1.937 1.947 1.969 1.991 2 2.021磁場(chǎng)強(qiáng)度3 555.118 0 4 000.645 2 5 741.225 6 9 433.500 2 11 429.516 1 16 781.980 7磁感應(yīng)強(qiáng)度2.034 2.043 2.049 2.054 2.058磁場(chǎng)強(qiáng)度20 342.234 3 23 096.753 6 25 022.997 7 26 565.707 5 27 836.001 9

4 在飽和段對(duì)疊片鐵心材料的模擬

對(duì)激磁曲線測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)愈多，那么反應(yīng)激磁曲線的精確度也越高.當(dāng)鐵心材料進(jìn)入飽和后，隨著鐵心非線性程度的不斷增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度很小的變化，都會(huì)引起激磁電流很大的增加，這樣對(duì)測(cè)量造成了很大的難度.這一點(diǎn)從表3數(shù)據(jù)中可以清楚的看出來.當(dāng)值從2.034 T增加到2.043 T，也就是增加了0.009 T，相應(yīng)的從20 342.234 3（A/m）增加到23 096.753 6（A/m），增加了2 754.519 3(A/m).所以針對(duì)已經(jīng)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用工程實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的最小二乘法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以得到飽和段中和的近似關(guān)系式：

5 結(jié)論

電力變壓器的過勵(lì)磁故障分析中，鐵心的電磁特性關(guān)系重大.本文針對(duì)電力變壓器的鐵心特性進(jìn)行研究，介紹了接近工程變壓器的鐵心方圈法測(cè)量鐵心過勵(lì)磁特性的方法，得到變壓器鐵芯高度飽和時(shí)激磁數(shù)據(jù)，對(duì)于變壓器的過勵(lì)磁的分析和計(jì)算具有重要的意義.目前的問題是，由于過勵(lì)磁時(shí)的非線性，磁通密度的變化使得激磁電流峰峰值達(dá)到了上百安培，在計(jì)算上存在著難于收斂的問題.對(duì)計(jì)算機(jī)的性能提出了更高的要求，計(jì)算方法上也需要做更多的研究，解決收斂性的難題.

[1]張燕.油浸式變壓器過勵(lì)磁問題初探 [J].變壓器，1997，34（11）：23-25.

[2]杜永，程志光，顏威利，等.電力變壓器全斜接縫疊片鐵心工作條件下的磁性能模擬 [J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25（3）：14-19.

[3]張獻(xiàn)，邢金，程志光，等.基于雙方圈模型的接縫區(qū)域容量測(cè)定和飽和特性研究 [J].變壓器，2008，45（12）：14-17.

[4]程志光，高橋澤雄，弗甘尼.電氣工程電磁熱場(chǎng)模擬與應(yīng)用 [M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[5]謝德馨.三維渦流場(chǎng)的有限元分析 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.