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    變壓器鐵芯剩磁的計算

    作者:威博特鐵芯   發布時間:2019-03-30 15:01:43 瀏覽次數:
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    1、變壓器鐵芯剩磁的數學分析模型
        封閉磁路鐵磁材料器件中的剩磁無法直接測量,需準確建立剩磁和可測量參數的關系,進一步得到剩磁。本文選取環形電力變壓器鐵芯進行分析,選擇硅鋼規格為 30ZH120。用等效電路來替代鐵芯線圈電路進行分析,忽略漏磁等影響因素,可以得到環形變壓器的等效電路如圖 2 所示。

    環形變壓器鐵芯等效電路
        由環形變壓器的等效電路以及基爾霍夫電壓定律,可得鐵芯線圈中的瞬時感應電流 i(t) 滿足下列方程

    式中,ε (t) 是磁場突變時在檢測線圈中產生的感應電動勢。檢測線圈的匝數和面積分別為 N 和 S,其中磁感應強度的瞬時值為 B(t),則
        由上式可知,在暫態過程中,已知某一時刻 t的 i(t),對應可得一個磁感應強度 B(t) 值。將正負向暫態激勵產生的磁感應強度疊加可得
        由式(9)可知剩磁與某一時刻 t 的 i(t) 存在對應關系。進一步通過建模仿真求解剩磁與電流的關系。

    2、鐵芯剩磁的仿真計算
        電力變壓器涌流的大小主要取決于激勵電壓強度、合閘角度以及鐵芯中的剩磁。本文采用暫態直流檢測,可避免交流合閘角度分析。
        采用電磁仿真軟件建立環形變壓器鐵芯的磁路簡化模型。在仿真電路中,一側繞組中加載直流恒流源,模擬剩磁存在,一側繞組加載直流電壓源激勵,觀察剩磁與直流電壓暫態合閘過程產生的磁通疊加作用時,瞬態電流變化。
        在此突變的過程中,檢測線圈中可產生感應電動勢ε (t),鐵磁回路中將產生瞬時感應電流 i(t)。一旦鐵芯中電流達到穩恒后,i(t) 變為穩定的 U2/R。i(t) 的產生是暫態的,暫態時間的長短取決于鐵磁回路(LR 電路)的時間常數τ =L/R。由于電力變壓器可以等效為阻感性元件,當鐵芯材料和結構確定時,可以認為電感相對穩定。由時間常數關系式可知,通過設置不同電阻值,即改變外電阻 R,可對應改變瞬態過程時間,進一步分析可以確定瞬態過程所需適宜時間。
        對存在剩磁的電力變壓器進行空合變的暫態過程中,鐵芯激勵側繞組中的暫態電流由 0 變到 I,與此相應鐵芯中的磁感應強度由 Br 變到 B1(B1=Br+B),當反向加載直流電壓源激勵時,鐵芯中的磁感應強度由 Br 變到 B2(B2=Br−B),仿真得到的磁通變化結果如圖 3 所示。
    鐵芯感應磁通密度變化
        對應同一剩磁,加載固定大小的正負向(與剩磁同向及反向)直流電壓激勵,可由電磁暫態仿真軟件得到電流變化情況,暫態電流變化對比圖形如圖 4 所示。
    固定剩磁下改變直流電壓源激勵方向對應電流的 波形變化
        通過設定剩磁變化范圍(見表 1),由電磁仿真軟件可以求得每一個剩磁對應的瞬態電流的變化值,從而建立 Br- I 對應關系趨勢如圖 5 所示。
    剩余磁通密度范圍
        由于模型的尺寸以及加載瞬態電流的限制,檢測到的電壓和電流變化的信號的幅度較小。但從變化趨勢上看,它可以正確反應剩余磁通密度與感應電流變化值的關系。將仿真數據曲線擬合得到二者的數學表達式為

    3、驗證實驗及結果分析
        剩磁值的設置
        為預設剩磁,本文進行了靜態磁滯回線的實驗,實驗測得系列激勵電流 I 作用下,鐵芯材料的靜態磁滯回線簇如圖 6 所示,取磁場強度 H=0 點對應磁感應強度 B 值作為實驗的系列剩磁設置值。
    靜態磁滯回線簇
        在設置好剩磁的基礎上進行電磁暫態驗證實驗。選取環形電力變壓器鐵芯、直流恒流源、直流電壓源、數字示波器、斷路器和電阻等器件進行實驗電路的搭建,原理圖如圖 7 所示。
    環形變壓器鐵芯的暫態實驗原理圖
        利用數字示波器對斷路器 2 暫態合閘過程中的暫態電磁實驗數據進行采集。

        示波器測量電流的信號分析
        舍去錯誤信息對采集到的多組數據進行信號分析。圖 8 為加載正向電壓激勵(產生磁通方向與鐵芯剩磁相同)和負向電壓激勵時,示波器得到的測量電流波形對比。
    示波器顯示正、負向暫態激勵測量電流波形
        通過加載直流激勵的方向,以及測量電流波形的變化情況,可確定剩磁的方向。圖 8 顯示示波器中測量電流信號表明,同一剩磁下加載正負向激勵時,同一時刻對應測量電流的幅值有明顯變化。剩磁方向與加載直流激勵產生的磁通方向一致時,測量電流的幅值增大。
        采集正負向激勵產生的測量電流數據進行信號處理,并將信號處理結果代入仿真擬合公式,計算鐵芯內的實際剩磁。進一步得到剩磁與預設剩磁值的關系見表 2。
    預設剩余磁通密度與計算值比較

     




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