电力变压器铁心饱和磁特性的测量

2012-10-13刘宏勋杨庆新张俊杰刘兰荣

河北工业大学学报 2012年1期

刘宏勋，杨庆新，2，张俊杰，刘兰荣

（1.河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津 300130；2.天津工业大学，天津 300160；3.保定天威集团技术中心电磁研究室，河北保定 071056）

0 引言

铁心过励磁一般指铁心工作在磁密饱和点以上.当一台变压器在饱和磁密或以上运行时，就会有大量的杂散磁通使绕组和夹件、油箱等金属件产生杂散损耗而使局部过热.为使变压器不产生过励磁或缩短过励磁时间，一方面要有过励磁保护装置，另一方面设计时要按照变压器运行特性[1]加以考虑.

1 方法

利用已经建立的模拟变压器铁心的叠片铁心模型，通过实验的方法测量得到铁心接近饱和时的数据，更接近铁心的实际工况.测量的难点是如何在铁芯接近饱和的情况下，保证测量电压的正弦性，波形畸变在国标允许的范围内.通过几组实验方法的比较，最终确定的实验方案和实验所使用的仪器设备及性能指标如表1所示.其中被试品的选择关系到能否测量得到有效的实验数据.本实验中采用的被试品由天威集团实验中心制作.该产品级的铁心模型全部采用45°全斜接缝、每级两片、三级步进、5mm搭接的叠装工艺制作而成[2].铁心模型（ModelC2）的主要技术数据参见表2（天威集团电磁研究室提供）[3-4].

表1 实验所使用的仪器设备及性能Tab.1 Parametersof the experimentdevices

模型铁心尺寸硅钢片型号30Q140（武钢生产，未退火处理）硅钢片密度模型铁心截面激磁线圈和磁量线圈匝数激磁线圈线规导线电导率导线密度测量线圈线规总激磁线圈匝数总测量线圈匝数转角厚度/m硅钢片规格/m 7.65×103 kg/m3 2 767.05mm2第1层108匝（抽头）第2层104匝第3层100匝4× 1.6mm 5.714 3×107 S/m 温度：20℃8.9×103 kg/m3 0.56mm 312（108（内）+104（中）+100（外））312（与激磁线圈分布一致）0.025 0.420×0.110

2 实验线路

该实验的目的是，对模型（ModelC2）312匝做过励磁实验，同时测量模型的输入电压与输出电压，观察电压波形的正弦性，并利用WT3000记录实验数据及波形.在保证感应电压波形正弦性的前提下，尽可能做到更高的值，从而得到深度饱和的实验数据与结果.

实验线路如图1.在被测试品（模型铁心）的激励端施加一个正弦的电压源，而将测量端开路，测量并记录下空载时的数据.随着激励电压的升高，被测铁心的磁感应强度会逐渐升高.当超过1.9T后，激磁电流峰值会很大，此时要注意监测测量电压的波形的正弦性，THD含量不能超过规定的值.每一个工作点都记录下相应的电压、电流等数据和波形.

3 实验结果

图1 实验接线原理图Fig.1 Schematic diagram of theexperimentcircuit

本实验使用精密功率分析仪（WT3000，YOKOGAWA，日本）记录测量线圈的感应电压，激磁线圈的电流，由实验中采集的电压电流的波形数据进行数据处理，应用MATLAB已编程序进行求解，求得、（：磁通密度为最大值时对应的磁场强度值）.表3中列出了实验数据整理得出的叠片铁心的数据.图2是根据方圈的实验数据[4],利用MATLAB绘制的激磁曲线.图中的系列4是根据本次实验数据绘制的激磁曲线的饱和段.为了是曲线更加清晰，图3中绘制出只取磁感应强度超过1.8 T的一段.

表3 数据处理后的和Tab.3 Calculated and based on the experimentaldata

磁感应强度1.937 1.947 1.969 1.991 2 2.021磁场强度3 555.118 0 4 000.645 2 5 741.225 6 9 433.500 2 11 429.516 1 16 781.980 7磁感应强度2.034 2.043 2.049 2.054 2.058磁场强度20 342.234 3 23 096.753 6 25 022.997 7 26 565.707 5 27 836.001 9

4 在饱和段对叠片铁心材料的模拟

对激磁曲线测量的数据点愈多，那么反应激磁曲线的精确度也越高.当铁心材料进入饱和后，随着铁心非线性程度的不断增加，磁感应强度很小的变化，都会引起激磁电流很大的增加，这样对测量造成了很大的难度.这一点从表3数据中可以清楚的看出来.当值从2.034 T增加到2.043 T，也就是增加了0.009 T，相应的从20 342.234 3（A/m）增加到23 096.753 6（A/m），增加了2 754.519 3(A/m).所以针对已经测得的实验数据，采用工程实践和科学实验中常用的最小二乘法对测量数据进行拟合，可以得到饱和段中和的近似关系式：

5 结论

电力变压器的过励磁故障分析中，铁心的电磁特性关系重大.本文针对电力变压器的铁心特性进行研究，介绍了接近工程变压器的铁心方圈法测量铁心过励磁特性的方法，得到变压器铁芯高度饱和时激磁数据，对于变压器的过励磁的分析和计算具有重要的意义.目前的问题是，由于过励磁时的非线性，磁通密度的变化使得激磁电流峰峰值达到了上百安培，在计算上存在着难于收敛的问题.对计算机的性能提出了更高的要求，计算方法上也需要做更多的研究，解决收敛性的难题.

[1]张燕.油浸式变压器过励磁问题初探 [J].变压器，1997，34（11）：23-25.

[2]杜永，程志光，颜威利，等.电力变压器全斜接缝叠片铁心工作条件下的磁性能模拟 [J].电工技术学报，2010，25（3）：14-19.

[3]张献，邢金，程志光，等.基于双方圈模型的接缝区域容量测定和饱和特性研究 [J].变压器，2008，45（12）：14-17.

[4]程志光，高桥泽雄，弗甘尼.电气工程电磁热场模拟与应用 [M].北京：科学出版社，2009.

[5]谢德馨.三维涡流场的有限元分析 [M].北京：机械工业出版社，2008.