一种变压器剩磁削弱技术研究

吴伟亮 刘细平

一种变压器剩磁削弱技术研究

吴伟亮 刘细平

（江西理工大学电气工程与自动化学院，江西 赣州 341000）

为了保证电力变压器在电力系统中更加安全可靠地工作，需要解决变压器的剩磁问题。为此，本文介绍一种脉冲宽度调制（PWM）电压注入变压器的技术来实现削弱剩磁的目的。PWM电压是由变频器按照定频变压或变频变压进行调制与逆变产生的电压，具体方法为：先向变压器注入直流电流，使变压器磁化饱和，然后将PWM电压注入变压器一次侧削弱剩磁。Matlab仿真结果和实验结果验证了该剩磁削弱技术的正确性和有效性，为电力变压器的安全运行提供技术 保障。

剩磁；直流消磁；交流消磁；脉冲宽度调制（PWM）；变频；变压

0 引言

电力变压器在电力系统中有着非常重要的作用[1-4]，不仅能升高电压把电能送到用电地区，还能把电压降低为各级使用电压，以满足用电的需要。因此保证变压器的安全可靠至关重要。

变压器在出厂前需要做直流电阻试验，来检验变压器内部是否存在断路、短路等问题，而直流电阻试验会使变压器产生剩磁[5-7]。此外，空载变压器拉闸时也会产生剩磁。

变压器的剩磁会产生很多危害[8-11]。当有大量剩磁的变压器投运时，在励磁涌流作用下，会产生较大的冲击电流，引起电压升高，从而引起重瓦斯保护动作跳闸，也会造成变压器近端的设备、仪器损坏；大量剩磁会对变压器的相关试验结果造成干扰，也会产生较多的谐波分量和直流分量，从而降低电网质量，还会对电网中的电力电子器件造成危害。

因此需要采用合理的方法来削弱变压器的剩磁。常用的消磁方法有直流去磁法[12-16]和交流去磁法[17]，两者都是通过控制变压器的输入电源，使其产生一个交变的衰减磁场，从而使变压器的剩磁得到衰减。

常用的直流去磁法或交流去磁法的消磁装置需要经过几次重复的去磁操作才能够将变压器的剩磁消减下来，而且消磁装置中缺少与其他装置、系统进行自动化控制操作的开关，不具备自动化投入与切除的功能。

本文提出一种脉冲宽度调制（pulse width modulation, PWM）电压注入变压器的技术来削弱变压器的剩磁。首先通过变频器按照定频变压或者变频变压进行调制与逆变产生PWM电压，然后将PWM电压注入变压器来削弱剩磁。通过相关的Matlab仿真和实验对所提控制技术进行验证。基于本文所提技术的消磁装置可以控制注入变压器的PWM电压幅值和频率，通过一次操作就可以消减剩磁，且该装置具有多个可控开关，可进行自动化投入和切除，具备自动化控制和互锁约束控制功能。

1 变压器剩磁的产生及削弱

1.1 变压器剩磁产生的原理

图1为变压器铁心的磁滞回线。当给铁磁材料施加一个外加磁场时，铁磁材料的感应磁场从点开始，沿着曲线逐渐增大。当外加磁场增大到一定数值后，铁磁材料的感应磁场会达到磁化的饱和状态点，此时增大外加磁场，铁磁材料的感应磁场也基本不会发生变化。之后逐渐减小外加磁场，铁磁材料的感应磁场也会逐渐减小，但是变化路径为曲线，当外加磁场减小为零时，铁磁材料不会恢复到磁中性点，而是到点，此点处的磁感应强度称为该铁磁材料的剩磁r。m为最大磁感应 强度。

图1 变压器铁心的磁滞回线

1.2 变压器剩磁削弱的原理

可以通过施加合适的反向磁场来减弱或者消除变压器铁磁材料的剩磁。其原理主要是通过缩小铁心的磁滞回环，达到消除剩磁的目的。

采用感应法测量变压器铁磁绕组的交流磁化特性，如图2所示。其中铁磁绕组一次侧匝数为1，二次侧匝数为2，e为铁心的有效面积。

图2 感应法测量变压器铁磁绕组的交流磁化特性

当一次绕组通入交流电流1时，在二次绕组会产生一个感应电动势2，即

式中，为磁感应强度。

求取2在半个周期内的平均值，可得感应电动势，即

在交变电流中，半个周期()的变化初始值和最终值大小相等、方向相反，则

把式（3）代入式（2）得

式中：为频率；可以通过电压表测量。为测量的平均值，交流电压幅值e=1.11，因此，有

由式（5）可得

由式（6）可知，磁感应强度与施加的交流电压的幅值成正比，与交流电压的频率成反比。因此可以通过改变交流电压的幅值或者频率来控制磁感应强度，达到削弱剩磁的效果。

1）直流消磁法

给变压器施加直流电压，直流方向一直交替变化，同时幅值逐渐衰减至0，这样可以产生一个交变的衰减磁场，来达到消磁的效果。直流消磁原理如图3所示。

图3 直流消磁原理

2）交流消磁法

给变压器施加交流电压，交流方向不断改变，保证频率不变，交流电压幅值随时间逐渐变小。电压越小，磁滞回环会越小，从而达到减小磁感应强度的目的，来实现消磁。交流消磁原理如图4所示。

图4 交流消磁原理

本文采用PWM电压注入法来削弱变压器铁磁材料中的剩磁。

2 变压器剩磁削弱的测试方案

2.1 变压器剩磁削弱的测试拓扑结构

变压器剩磁削弱的测试拓扑如图5所示，由交流电源、开关、变频器、直流电源、变压器等组成。其中通过变频器产生PWM电压注入变压器来削弱剩磁。变频器拓扑结构如图6所示。

图5 变压器剩磁削弱的测试拓扑

图6 变频器拓扑结构

变压器的剩磁可以通过变压器的磁化饱和操作产生，其过程为首先断开开关Q1和Q2，然后闭合开关Q3，使变压器二次侧短接，再闭合开关Q4，通过直流可调电源向变压器一次侧注入直流电流，从而使变压器磁化饱和，等变压器磁化饱和后，先将开关Q4断开，然后将开关Q3断开。

变压器剩磁削弱的操作过程为：首先确认开关Q3和Q4已断开，然后闭合开关Q1和Q2，再通过变频器产生合适的PWM电压注入变压器一次侧，可以削弱变压器的剩磁。最后断开开关Q2和Q1。

2.2 变压器剩磁削弱的控制策略

变频器分别采用定频变压和变频变压这两种调制信号进行空间矢量脉宽调制（space vector pulse width modulation, SVPWM）后，产生的驱动信号控制变频器逆变桥中开关管VT1～VT6的导通与关断，然后产生的PWM电压注入变压器一次侧实现削弱剩磁的功能，控制策略如图7所示。

图7 变压器剩磁削弱的控制策略

定频变压调制信号是电压频率固定，幅值由初始值0逐渐减小至0的信号；变频变压调制信号是电压频率由较小的初始频率值0逐渐增大到50Hz，幅值由初始值0逐渐减小至0的信号。单个周期内的PWM电压波形如图8所示。

图8 PWM电压波形

3 仿真与结果分析

为了验证PWM电压注入法消磁的有效性和可靠性，在Matlab仿真软件中搭建变压器磁化饱和与削弱剩磁的仿真模型，变压器采用Yy联结。变压器的参数：额定电压为380V，额定功率为12kV·A，绕组电阻为0.003p.u.，绕组漏电感为0.01p.u.，励磁电阻为50p.u.。

图9为变频器采用定频变压调制进行剩磁削弱的仿真波形。其中0～40s变压器二次侧短接，0～10s为变压器一次侧注入直流电压进行磁化饱和，10～20s停止注入直流电压，20～30s再次注入直流电压，30～40s停止注入直流电压，40～60s为变压器二次侧开路，进行PWM电压注入削弱剩磁，60s之后再次进行变压器磁化饱和操作。图9（a）～图9（c）为采用调制信号为定频50Hz、幅值从50V逐渐降至0的消磁控制的仿真波形。图9（d）～图9（f）为采用调制信号为定频50Hz、幅值从100V逐渐降至0的消磁控制的仿真波形。

图10为变频器采用变频变压调制进行剩磁削弱的仿真波形。图10（a）～图10（c）是采用调制信号为频率从10Hz逐渐升为50Hz、幅值从50V逐渐降为0的消磁控制的仿真波形。图10（d）～图10（f）是采用调制信号为频率从10Hz逐渐升为50Hz、幅值从100V逐渐降为0的消磁控制的仿真波形。

图10 变频变压调制消磁的仿真波形

图9（b）、图9（e）和图10（b）、图10（e）中消磁后（对应60s之后）的变压器二次电流宽度比磁化饱和后（对应20s之后）的变压器二次电流宽度要大一些，说明了采用PWM电压注入法可以削弱变压器剩磁，使能量可以传输。

经过PWM电压注入法消磁后，图9（e）中变压器二次电流宽度比图9（b）中变压器二次电流宽度要大一些，说明采用PWM电压注入法消磁时，调制电压幅值越大，消磁效果越好，图10亦是如此。

图9（c）与图10（c）对比发现，采用变频变压调制的消磁效果比采用定频变压调制的消磁效果稍好。

4 实验与结果分析

为了验证PWM电压注入法消磁的有效性和可靠性，在一套380V/10kW变频器、一台型号为PMP25— 2TR的可调直流电源、一台500V/500V/12kV∙A三相变压器的实验环境下进行变压器磁化饱和实验与削弱剩磁实验。变压器的额定电流为24A，空载电流＜3%，空载损耗＜2%，短路损耗＜0.45%，阻抗压降6%。

图11为变压器Yy联结，变频器采用定频变压调制进行剩磁削弱技术验证的实验波形。图11（a）为变压器二次侧短接，在一次侧A相与N之间注入+5A的直流电流，使得变压器磁化饱和的一、二次电流波形。图11（b）为变频器采用定频50Hz、幅值从10V逐渐降为0的调制信号，进行消磁后断开变频器与变压器的连接，然后变压器二次侧短接，在一次侧A相与N之间注入+5A的直流电流，使变压器磁化饱和的一、二次电流波形。图11（c）为变频器采用定频50Hz、幅值从40V逐渐降为0的调制信号，进行消磁后断开变频器与变压器的连接，然后变压器二次侧短接，在一次侧A相与N之间注入+5A的直流电流，使得变压器磁化饱和的一、二次电流波形。

图12为变压器Yy联结，变频器采用变频变压调制进行剩磁削弱技术验证的实验波形。图12（a）为变频器采用频率20Hz开始逐渐增大到50Hz、幅值从10V逐渐减小到0的调制信号，进行消磁后断开变频器与变压器的连接，然后变压器二次侧短接，在一次侧A相与N之间注入+5A的直流电流，使变压器磁化饱和的一、二次电流波形。图12（b）为变频器采用频率20Hz开始逐渐增大到50Hz、幅值从40V逐渐减小到0的调制信号，进行消磁后断开变频器与变压器的连接，然后变压器二次侧短接，在一次侧A相与N之间注入+5A的直流电流，使变压器磁化饱和的一、二次电流波形。

图13为变压器Dy联结，变频器采用变频变压调制进行剩磁削弱技术验证的实验波形。图13（a）为变频器采用频率10Hz开始逐渐增大到50Hz、幅值从10V逐渐减小到0的调制信号，进行消磁后断开变频器与变压器的连接，然后变压器二次侧短接，在一次侧A相与N之间注入+5A的直流电流，使变压器磁化饱和的一、二次电流波形。图13（b）为变频器采用频率10Hz开始逐渐增大到50Hz、幅值从20V逐渐减小到0的调制信号，进行消磁后断开变频器与变压器的连接，然后变压器二次侧短接，在一次侧A相与N之间注入+5A的直流电流，使变压器磁化饱和的一、二次电流波形。

图13 变压器Dy联结，变频变压调制消磁的实验波形

图11（b）和图11（c）中变压器二次电流宽度比图11（a）中变压器二次电流宽度要大一些，说明采用PWM电压注入法可以削弱变压器剩磁，使能量可以传输。

图11（c）中变压器二次电流宽度比图11（b）中变压器二次电流宽度要大一些，说明采用PWM电压注入法消磁时，调制电压幅值越大，消磁效果越好。

图12（b）中变压器二次电流宽度比图11（c）中变压器二次电流宽度要大一些，说明采用变频变压调制的消磁效果比采用定频变压调制的消磁效果好一些。

5 结论

本文首先介绍了变压器剩磁产生和削弱的原理，然后介绍了一种PWM电压注入法削弱剩磁的控制技术及其测试方案，并通过Matlab仿真分析验证了所提变压器剩磁削弱技术可以有效地减少变压器的剩磁，为电力变压器在电力系统中的安全可靠运行提供了技术保障。

[1] 李冰, 王泽忠, 刘海波, 等. 直流偏磁下500kV单相变压器振动噪声试验研究[J]. 电工技术学报, 2021, 36(13): 2801-2811.

[2] 李冰, 王泽忠, 刘恪, 等. 特高压变压器直流偏磁对绕组电流的影响[J]. 电工技术学报, 2020, 35(7): 1422-1431.

[3] 谭志红, 张榆, 单飞, 等. 基于频响法的电力变压器剩磁检测技术研究[J]. 四川电力技术, 2020, 43(3): 73-77.

[4] 李威, 符劲松, 尹旭, 等. 大容量变压器消磁必要性及措施探讨[J]. 湖南电力, 2019, 39(2): 12-15.

[5] 牛帅杰, 赵莉华, 陈凌, 等. 基于时间-电流曲线的变压器剩磁检测方法研究[J]. 电测与仪表, 2017, 54(7): 64-68.

[6] 刘志远, 于晓军, 邹洪森, 等. 换流变压器交流消磁及验证装置的研究[J]. 电力工程技术, 2020, 39(4): 194-200.

[7] 金雷, 罗维, 鲁非, 等. 电力变压器现场退磁技术和退磁效果分析[J]. 变压器, 2020, 57(9): 23-27.

[8] 李春艳, 周念成, 王强钢, 等. 基于软启动的变压器励磁涌流抑制方法[J]. 电工技术学报, 2020, 35(17): 3640-3651.

[9] 周志昊. 基于小波变换的电力变压器直流偏磁时励磁电流研究[J]. 电气技术, 2020, 21(6): 69-72.

[10] 柳林, 尤方圆, 余汪洋, 等. 电力变压器直流偏磁振动噪声特征研究[J]. 电气技术, 2019, 20(7): 9-12.

[11] 仇明. 大型变压器铁心剩磁的危害及消除方法[J]. 变压器, 2018, 55(2): 74-75.

[12] 何梦, 徐楠, 李海南, 等. 变压器消磁及剩磁验证装置的研制[J]. 电力与能源, 2018, 39(3): 310-314.

[13] 戈文祺, 汪友华, 陈学广, 等. 电力变压器铁心剩磁的测量与削弱方法[J]. 电工技术学报, 2015, 30(16): 10-16.

[14] 赵小军, 李琳, 程志光, 等. 基于直流偏磁实验的叠片铁心磁化特性分析[J]. 电工技术学报, 2011, 26(1): 7-13.

[15] 何越, 林湘宁, 黄景光. 一种直流消除变压器合闸励磁涌流的方法[J]. 电工技术学报, 2011, 26(11): 141-149.

[16] LEON F D, FARAZMAND A, JAZEBI S, et al. Elimination of residual flux in transformers by the application of an alternating polarity DC voltage source[J]. IEEE Transaction on Power Delivery, 2015, 30(4): 1727-1734.

[17] 刘连升, 阴丽美, 李宁, 等. 剩磁对大型电力变压器的危害及消除方法[J]. 变压器, 2016, 53(5): 56-59.

Research on a technology of weakening the residual flux of transformer

WU Weiliang LIU Xiping

(School of Electrical Engineering and Automation, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou, Jiangxi 341000)

In order to ensure that the power transformer works more safely and reliably in the power system, it is necessary to solve the problem of the residual flux of the transformer. So a technology of injecting pulse width modulation (PWM) voltage into the transformer to weaken the residual flux is introduced. The PWM voltage is generated by the converter according to the constant frequency variable voltage or variable frequency variable voltage modulation and inversion. The specific method is to inject DC current into the transformer to saturate the magnetization of the transformer, then inject PWM voltage into the primary side of the transformer to weaken the residual flux. The Matlab simulation results and experimental results verify the correctness and effectiveness of this technology of weakening the residual flux. It provides technical support for the safe operation of the power transformer.

residual flux; DC degaussing; AC degaussing; pulse width modulation (PWM); variable frequency; variable voltage

2021-07-05

2021-07-25

吴伟亮（1987—），男，江西九江人，硕士，高级工程师，研究方向为电力电子传动与电机控制。