变压器铁心剩磁预测研究

【摘要】：变压器合闸时,因为铁心剩磁及合闸偏磁的共同作用,使铁心半周饱和,进而导致励磁涌流的产生,其幅值可达变压器稳态运行电流的6～8倍甚至更多,并会对继电保护装置以及一次设备产生诸多不利的影响。目前,最为有效的励磁涌流抑制手段为选相合闸技术,根据分闸后的剩磁数值计算得到合适的通电角度,以使得合闸偏磁与剩磁大小相等、方向相反。因此,针对剩磁的测量、计算、预测和抑制变得十分必要,且具有重要的理论意义与实用价值。本文围绕变压器剩磁展开研究,主要的研究内容如下:1.截流过电压和电流的基本估算方法及其对磁滞回线的影响断路器在开断小感性电流时,往往由于其本身的开断能力,导致流经变压器一次侧的电流在未过零时提前关断。在变压器绕组对地电容、断路器等效电容的影响下,电容中储存的电场能与变压器中储存的磁场能之间相互转换,进而在变压器端部形成过电压和电流,影响变压器分闸后的磁滞回线,使得剩磁数值发生改变。为此,本文建立单相变压器空载等效模型,基于拉普拉斯变换方法和回路电流方法得到截流过电压和电流的基本估算方法。根据实际变压器参数的标幺值范围,确定本文中变压器模型参数的标么值,利用MATLAB/Simulink仿真模型。验证该估算方法的正确性。此外,研究不同电容标么值、变压器模型参数标幺值和截流时刻对截流过电压倍数、阻尼振荡角频率和衰减系数的影响。进一步利用截流过电压和电流的基本估算方法,结合实测的磁通波形,研究变压器截流后铁心中磁通密度的变化情况,研究发现:铁心中除了存在衰减的交流磁通密度分量之外,还包含一定的直流磁通密度分量;过电压情况下的频率远大于电源正常的工作频率,且频率随时间发生改变;磁通密度的衰减导致局部磁滞回线的存在。从变压器截流后的外部激励条件可以看出,截流过电压下的铁心磁场情况较为复杂,为了能够准确计算剩磁,铁心磁滞模型的精确与否尤为重要。建立的铁心磁滞模型需要具有如下特点:能够准确表达磁滞现象;能够反映局部磁滞回线;考虑与频率相关的动态损耗:涡流损耗和异常损耗;计算交直流磁通密度下的磁滞回线。2.基于Jiles Atherton(JA)磁滞理论的铁心动态磁滞模型的建立JA静态铁心磁滞理论广泛应用于铁心磁滞建模领域,该模型具有参数少、物理含义明晰等特点。但原始的JA磁滞理论不能准确反映局部磁滞回线、动态损耗和直流磁通密度。针对上述问题,本文基于JA磁滞理论,建立铁心动态磁滞模型。重新推导以磁通密度B为输入变量的JA静态铁心磁滞模型,并分析模型求解方法、模型参数范围及其对磁滞回线的影响和模型参数辨识方法。考虑到模型参数辨识较为困难,提出一种蛙跳模糊算法。为了防止蛙跳算法陷入局部最优解并加快收敛速度,根据特殊点(矫顽力、矫顽力点磁化率)处实测值与计算值的相对误差,采用模糊控制方法,得到动态反馈系数,修正蛙跳算法的步长。通过模糊控制,将JA模型的解析性质与蛙跳算法有机融合。采用蛙跳模糊算法、蛙跳算法、粒子群算法和遗传算法分别求解模型参数,并将计算的磁滞回线与实测磁滞回线进行比较,证明了提出的蛙跳模糊算法不易陷入局部最优解且具有更快的收敛速度。基于蛙跳模糊算法得到的不同磁通密度下模型参数辨识结果,研究模型参数与磁通密度的关系,得到不同磁通密度下的局部磁滞回线参数拟合模型。基于JA静态铁心磁滞模型,依据铁心损耗分离理论,在无直流磁通密度下建立考虑涡流损耗与异常损耗的铁心动态磁滞模型,对铁心动态磁滞模型中参数进行辨识。利用变压器合闸瞬间的偏磁,设计带数字反馈的逆变电源,采用爱泼斯坦方圈搭建交直流磁通密度实验平台,建立铁心磁性能测量系统,该系统在不通入直流电流的情况下,使得第一个周波的直流磁通密度准确、可控,这是本文实验研究的基础。此外,该系统也可测量无直流磁通密度下的磁滞回线。在实测不同交直流磁通密度下磁滞回线的基础上,获得了铁心动态磁滞模型参数辨识结果,并对该模型进行了验证。分析直流磁通密度对模型参数的影响,可以得到:JA静态磁滞模型参数仅与交流磁通密度有关,而动态损耗系数受直流磁通密度和交流磁通密度的共同影响。因此,通过对不同直流磁通密度和交流磁通密度下动态损耗系数进行拟合,以修正铁心动态磁滞模型参数,可得到基于铁心动态磁滞模型的直流偏磁下(存在直流磁通密度)铁心损耗预测方法。通过算例的计算结果与实测结果的对比验证了该预测方法的正确性。建立直流偏磁下(存在直流磁通密度)修正的Steinmetz公式计算铁心损耗,在相同算例下,Steinmetz公式方法同样得到了较为准确的铁心损耗数值。将Steinmetz公式方法与基于铁心动态磁滞模型的直流偏磁下铁心损耗预测方法进行对比可以看出,基于铁心动态磁滞模型的铁心损耗预测方法不仅可计算铁心损耗,也可计算直流偏磁下的励磁电流和磁滞回线,具有较为广阔的应用前景。3.变压器铁心剩磁预测方法结合外部激励条件(截流过电压)与内在磁化机理(铁心动态磁滞模型),本文提出变压器铁心剩磁预测方法。首先建立模拟变压器截流过电压的实验方案,采用铁心磁性能测量系统中的逆变电源输出预设测试电压以模拟截流过电压,该电压作为爱泼斯坦方圈的激励,得到实际输出电压和实测电流。与截流过电压基本估算方法相比,构建预设测试电压的方法在保留了截流过电压波形特征的基础上,可以更加精确的模拟截流过电压发生后铁心中可能出现的各种情况。考虑到绕组电阻、漏感等的影响,本文提出一种迭代方法计算变压器铁心截流后的磁滞回线。将实际输出电压积分后作为铁心动态磁滞模型初始输入,通过将实测电流与计算电流进行对比,调整铁心中磁通密度的交流分量和直流分量的幅值并确定模型参数,直到实测电流与计算电流的相对误差小于预设定值时停止迭代,此时的磁滞回线即为实际作用于变压器的磁滞回线,该磁滞回线最后一点即为剩磁数值。通过对最后一次迭代的电流与实测电流的比较,验证本文提出的铁心动态磁滞模型和迭代方法的准确性。由于剩磁难以测量,本文采用选相合闸技术,并建立直流磁通密度与励磁涌流最大值的关系曲线,通过比较通电后的励磁涌流最大值和空载电流,验证和评价剩磁预测结果的正确性。

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