電力變壓器直流偏磁檢測方法研究

趙 娟,程 帥,曹建安

(西安交通大學電氣工程學院,西安 710049)

電力系統運行中,由于高壓直流輸電系統單極接地回路運行[1]或磁風暴[2,3]引起的直流電流進入勵磁繞組,導致電力變壓器鐵芯中出現直流磁通發生直流偏磁。在直流偏磁狀態下,變壓器鐵芯快速進入飽和狀態,造成工作點漂移、勵磁電流畸變、半波飽和等現象。此外,直流偏磁磁通會導致較高鐵芯損耗,進而出現噪聲、振動及過熱等問題,甚至會危害變壓器。因此,直流磁通的監測對電力變壓器安全運行十分重要。

現有的變壓器直流磁通檢測方法[4-8]均是通過測量變壓器偏磁后的變化量間接檢測直流磁通。其中文獻[6]與文獻[7]所述的方法測量的是變壓器的聲振動而不是直接測量直流磁通。因為大多數情況下測量量與直流磁通之間不存在唯一性,故而這種測量方法容易被其他因素影響。文獻[8]提出基于C型傳感器的主磁芯動態磁通量的實時檢測方法,但檢測基于輔助磁芯的電感量變化,并且結果準確度高度依賴溫度變化。

本文提出了一種C型結構磁通門傳感器,該傳感器通過提取變壓器鐵芯部分磁通,利用磁通門原理直接檢測磁通大小。搭建實驗平臺,通過實驗驗證了該結構磁通門傳感器能夠實現變壓器直流磁通的直接檢測。

1 磁通門傳感器檢測原理

磁通門是利用磁芯飽和磁導率變化調制被測磁場,通過測量傳感器中的感應電動勢來度量被測磁場的方法[9]。

對于模型如圖1虛線框內所示的單芯磁通門傳感器,在一根鐵芯上纏繞激勵繞組與檢測繞組,鐵芯磁導率為μ,橫截面面積為S,激勵繞組匝數為N1,檢測繞組匝數為N2。設激勵線圈產生的磁場強度為H1,被測磁場強度為H0,則磁芯內部磁場可表示為:

H=H0+H1

(1)

則相應的磁芯內部磁感應強度B為:

B=μH=μ(H0+H1)

(2)

當磁芯進入飽和后,其磁導率隨激勵磁場變化不可忽略,設其為時間t的函數μ(t)。則磁通門檢測線圈感應電動勢為:

(3)

從式(3)可知,變壓器效應產生的感應電動勢對磁通門信號來說是非常大的噪聲來源,所以在實際應用中一般選擇如圖1所示的差分結構磁通門傳感器,該結構上下兩個鐵芯參數完全對稱,激勵線圈反向串聯,因此激勵繞組在磁芯中產生的磁場大小相等方向相反。但是被測磁場在兩鐵芯中分量大小方向均相同。所以在檢測線圈上,激勵產生的感應電動勢互相抵消,而被測磁場呈兩倍效果,則檢測線圈上的感應電動勢可表示為:

(4)

從式(4)中可以得到輸出電壓幅值與被測磁場強度成正比。因此本文選用差分結構的磁通門傳感器并采用脈沖幅值法[10]實現被測磁場強度測量。

圖1 差分結構磁通門傳感器

2 新型磁通門傳感器結構

本文提出傳感器詳細結構如圖2(a)所示,該結構包括C型磁芯、激勵線圈、激勵源、檢測線圈四部分。鐵芯的高磁導率使傳感器的磁阻遠遠低于變壓器磁芯,相應的主磁芯中的磁通路徑被傳感器磁芯分流。為防止渦流,C型磁芯采用與變壓器鐵芯相同的疊片方法,并在鐵芯中間構造一個方形通孔構成差分磁通門傳感器結構。

圖2 磁通門傳感器示意圖

傳感器俯視圖如圖2(b)所示,磁通門傳感器兩個勵磁繞組均勻繞制在磁芯通孔的左右兩側,繞組匝數相等且方向反向串聯。勵磁繞組產生的勵磁磁場大小相等方向相反,并圍繞通孔組成閉合磁通路徑。外部激勵源產生頻率和幅值穩定的高頻方波,使勵磁線圈中的磁通產生周期性變化。因此,當激勵電流達到峰值時,相應的磁芯中的磁場接近最大值。忽略通孔兩邊微小不對稱,假設通孔左右兩邊幾何參數和電磁參數完全相同,則在檢測線圈的感應電動勢將互相抵消,因此激勵電流只起到調節磁芯磁導率的作用。

磁通門傳感器安裝示意圖如圖3所示,傳感器磁芯接口垂直于電力變壓器鐵芯疊片表面放置,安裝磁通門傳感器后,主磁芯中的交流磁通ΦAC和直流磁通ΦDC將通過低磁阻磁路流過磁通門傳感器,從而在該區域產生高磁通密度。假設變壓器堆疊方向指向Z方向,這意味著磁通路徑平行于X-Y平面。為了實現低磁阻路徑,磁通門傳感器的堆疊方向指向X方向。

圖3 磁通門傳感器安裝示意圖

3 實驗及驗證

3.1 激勵電路及原理

為驗證該傳感器的準確性,實驗激勵電流采用自激磁通門原理[11]實現,其激勵電路如圖4(a)所示。整個電路通過激勵繞組的充放電與比較器實現電壓翻轉,形成自激振蕩產生周期性信號,推挽電路起到增大輸出電流的作用。

采用分段線性模型,將激勵繞組等效為非線性電感,即在磁芯未飽和即激勵電流iex小于磁芯飽和電流IS時,將激勵繞組電感等效為常數L0,在磁芯飽和即iex>IS時將激勵繞組電感等效為常數Ls,則產生的激勵電壓電流波形如圖4(b)所示。其中Vth為閾值電壓,大小為±VcR1/(R1+R2),Im為最大激勵電流,忽略激勵繞組電阻其值為Vth/RS,t1、t3、t4、t6為磁芯飽和狀態下線圈的充放電過程,t2、t5為磁芯未飽和狀態下線圈的充放電過程。

圖4 自激磁通門原理示意圖

3.2 實驗平臺搭建

實驗采用10 kVA變壓器,該變壓器飽和磁密為1.6 T,磁路長度為0.71 m,通過外加臨時繞組的測試方法[12]測得變壓器低壓側繞組匝數為230匝,則通過計算估計變壓器飽和時勵磁電流為0.561 A。在低壓側施加直流電流,為防止變壓器進入飽和狀態,選擇直流電流變化范圍為0～0.5 A。傳感器激勵繞組選取為200匝,檢測繞組匝數為100匝,均勻繞制在磁芯上。為讓磁芯易進入飽和狀態,磁芯采用高磁導率的鈷基非晶材料,材料的基本參數如表1所示。

表1 鈷基非晶參數表

試驗平臺搭建如圖5所示,傳感器樣機緊貼變壓器鐵芯表面放置,激勵源的頻率為300 Hz,偏置電流由MOTECH數控式3 A/30 V線性直流穩壓電源提供,實驗結果由示波器在測量繞組上直接測量顯示。在不同偏置電流下檢測繞組上的電壓波形如圖6所示。

圖5 直流偏磁條件下實物安裝示意圖

圖6 不同直流偏磁狀態下的輸出電壓波形

從圖6中可以看到當變壓器鐵芯中無直流偏置磁通時,測量繞組中仍能測得一定的電壓輸出,這是由傳感器激勵兩邊不完全對稱以及比較器輸出電平不對稱引起的。隨著直流偏置電流的增加,電壓波形正負脈沖幅值和占空比均有明顯變化。

3.3 測量結果

為了進一步探討輸出信號與偏置電流之間的關系,研究了偏置電流與檢測輸出電壓的幅值關系,如圖7所示。從圖7中可以看出,測得的信號隨施加的偏置電流的大小呈單調變化但并不具有線性,造成該結果非線性的因素主要有以下兩點:

圖7 檢測電壓幅值與直流偏磁電流關系曲線圖

①根據磁路基本原理,傳感器安置在變壓器上時,傳感器分得的磁通應與變壓器內磁通成一定比例,但由于強電磁力和磁致伸縮效應將會導致傳感器鐵芯變形和氣隙長度的變化,這將影響磁分路的磁阻進而影響傳感器中分得的磁通分量,對實驗結果造成誤差。

②隨著偏置電流的增大,變壓器鐵芯磁導率發生變化,變壓器中的磁通量對于施加的偏置電流大小關系呈現非線性,最終造成測量結果的非線性。

4 結論

本文提出一種新型結構的磁通門傳感器,該傳感器的主要優點為能夠直接檢測電力變壓器的直流偏磁磁通,估計變壓器偏磁程度,與傳統測量偏磁方法相比,更加簡單、直觀和有效,在實際應用中具有重要的價值。

在測量過程中,磁芯變形與氣隙變化,都將導致靈敏度和準確度的惡化,且在安裝過程中,安裝位置及安裝氣隙的不同都將會對測量結果造成一定誤差,因此改善傳感器的線性度及準確度將成為以后研究的重點。