變壓器鐵心剩磁預(yù)測研究.pdf

1、變壓器合閘時(shí)，因?yàn)殍F心剩磁及合閘偏磁的共同作用，使鐵心半周飽和，進(jìn)而導(dǎo)致勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生，其幅值可達(dá)變壓器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流的6～8倍甚至更多，并會(huì)對繼電保護(hù)裝置以及一次設(shè)備產(chǎn)生諸多不利的影響。目前，最為有效的勵(lì)磁涌流抑制手段為選相合閘技術(shù)，根據(jù)分閘后的剩磁數(shù)值計(jì)算得到合適的通電角度，以使得合閘偏磁與剩磁大小相等、方向相反。因此，針對剩磁的測量、計(jì)算、預(yù)測和抑制變得十分必要，且具有重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值。本文圍繞變壓器剩磁展開研究，主要的研究

2、內(nèi)容如下:
　　1.截流過電壓和電流的基本估算方法及其對磁滯回線的影響
　　斷路器在開斷小感性電流時(shí)，往往由于其本身的開斷能力，導(dǎo)致流經(jīng)變壓器一次側(cè)的電流在未過零時(shí)提前關(guān)斷。在變壓器繞組對地電容、斷路器等效電容的影響下，電容中儲(chǔ)存的電場能與變壓器中儲(chǔ)存的磁場能之間相互轉(zhuǎn)換，進(jìn)而在變壓器端部形成過電壓和電流，影響變壓器分閘后的磁滯回線，使得剩磁數(shù)值發(fā)生改變。為此，本文建立單相變壓器空載等效模型，基于拉普拉斯變換方法和回路電流方

3、法得到截流過電壓和電流的基本估算方法。根據(jù)實(shí)際變壓器參數(shù)的標(biāo)幺值范圍，確定本文中變壓器模型參數(shù)的標(biāo)幺值，利用MATLAB/Simulink仿真模型驗(yàn)證該估算方法的正確性。此外，研究不同電容標(biāo)幺值、變壓器模型參數(shù)標(biāo)幺值和截流時(shí)刻對截流過電壓倍數(shù)、阻尼振蕩角頻率和衰減系數(shù)的影響。進(jìn)一步利用截流過電壓和電流的基本估算方法，結(jié)合實(shí)測的磁通波形，研究變壓器截流后鐵心中磁通密度的變化情況，研究發(fā)現(xiàn):鐵心中除了存在衰減的交流磁通密度分量之外，還包含一

4、定的直流磁通密度分量;過電壓情況下的頻率遠(yuǎn)大于電源正常的工作頻率，且頻率隨時(shí)間發(fā)生改變;磁通密度的衰減導(dǎo)致局部磁滯回線的存在。從變壓器截流后的外部激勵(lì)條件可以看出，截流過電壓下的鐵心磁場情況較為復(fù)雜，為了能夠準(zhǔn)確計(jì)算剩磁，鐵心磁滯模型的精確與否尤為重要。建立的鐵心磁滯模型需要具有如下特點(diǎn):能夠準(zhǔn)確表達(dá)磁滯現(xiàn)象;能夠反映局部磁滯回線;考慮與頻率相關(guān)的動(dòng)態(tài)損耗:渦流損耗和異常損耗;計(jì)算交直流磁通密度下的磁滯回線。
　　2.基于Jile

5、s Atherton(JA)磁滯理論的鐵心動(dòng)態(tài)磁滯模型的建立
　　JA靜態(tài)鐵心磁滯理論廣泛應(yīng)用于鐵心磁滯建模領(lǐng)域，該模型具有參數(shù)少、物理含義明晰等特點(diǎn)。但原始的JA磁滯理論不能準(zhǔn)確反映局部磁滯回線、動(dòng)態(tài)損耗和直流磁通密度。針對上述問題，本文基于JA磁滯理論，建立鐵心動(dòng)態(tài)磁滯模型。
　　重新推導(dǎo)以磁通密度B為輸入變量的JA靜態(tài)鐵心磁滯模型，并分析模型求解方法、模型參數(shù)范圍及其對磁滯回線的影響和模型參數(shù)辨識方法?？紤]到模型參數(shù)辨

6、識較為困難，提出一種蛙跳模糊算法。為了防止蛙跳算法陷入局部最優(yōu)解并加快收斂速度，根據(jù)特殊點(diǎn)（矯頑力、矯頑力點(diǎn)磁化率）處實(shí)測值與計(jì)算值的相對誤差，采用模糊控制方法，得到動(dòng)態(tài)反饋系數(shù)，修正蛙跳算法的步長。通過模糊控制，將JA模型的解析性質(zhì)與蛙跳算法有機(jī)融合。采用蛙跳模糊算法、蛙跳算法、粒子群算法和遺傳算法分別求解模型參數(shù)，并將計(jì)算的磁滯回線與實(shí)測磁滯回線進(jìn)行比較，證明了提出的蛙跳模糊算法不易陷入局部最優(yōu)解且具有更快的收斂速度。基于蛙跳模糊算

7、法得到的不同磁通密度下模型參數(shù)辨識結(jié)果，研究模型參數(shù)與磁通密度的關(guān)系，得到不同磁通密度下的局部磁滯回線參數(shù)擬合模型。
　　基于JA靜態(tài)鐵心磁滯模型，依據(jù)鐵心損耗分離理論，在無直流磁通密度下建立考慮渦流損耗與異常損耗的鐵心動(dòng)態(tài)磁滯模型，對鐵心動(dòng)態(tài)磁滯模型中參數(shù)進(jìn)行辨識。利用變壓器合閘瞬間的偏磁，設(shè)計(jì)帶數(shù)字反饋的逆變電源，采用愛潑斯坦方圈搭建交直流磁通密度實(shí)驗(yàn)平臺，建立鐵心磁性能測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)在不通入直流電流的情況下，使得第一個(gè)周波

8、的直流磁通密度準(zhǔn)確、可控，這是本文實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)。此外，該系統(tǒng)也可測量無直流磁通密度下的磁滯回線。在實(shí)測不同交直流磁通密度下磁滯回線的基礎(chǔ)上，獲得了鐵心動(dòng)態(tài)磁滯模型參數(shù)辨識結(jié)果，并對該模型進(jìn)行了驗(yàn)證。分析直流磁通密度對模型參數(shù)的影響，可以得到:JA靜態(tài)磁滯模型參數(shù)僅與交流磁通密度有關(guān)，而動(dòng)態(tài)損耗系數(shù)受直流磁通密度和交流磁通密度的共同影響。因此，通過對不同直流磁通密度和交流磁通密度下動(dòng)態(tài)損耗系數(shù)進(jìn)行擬合，以修正鐵心動(dòng)態(tài)磁滯模型參數(shù)，可得到

9、基于鐵心動(dòng)態(tài)磁滯模型的直流偏磁下（存在直流磁通密度）鐵心損耗預(yù)測方法。通過算例的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的對比驗(yàn)證了該預(yù)測方法的正確性。
　　建立直流偏磁下（存在直流磁通密度）修正的Steinmetz公式計(jì)算鐵心損耗，在相同算例下，Steinmetz公式方法同樣得到了較為準(zhǔn)確的鐵心損耗數(shù)值。將Steinmetz公式方法與基于鐵心動(dòng)態(tài)磁滯模型的直流偏磁下鐵心損耗預(yù)測方法進(jìn)行對比可以看出，基于鐵心動(dòng)態(tài)磁滯模型的鐵心損耗預(yù)測方法不僅可計(jì)算鐵心

10、損耗，也可計(jì)算直流偏磁下的勵(lì)磁電流和磁滯回線，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。
　　3.變壓器鐵心剩磁預(yù)測方法
　　結(jié)合外部激勵(lì)條件（截流過電壓）與內(nèi)在磁化機(jī)理（鐵心動(dòng)態(tài)磁滯模型），本文提出變壓器鐵心剩磁預(yù)測方法。首先建立模擬變壓器截流過電壓的實(shí)驗(yàn)方案，采用鐵心磁性能測量系統(tǒng)中的逆變電源輸出預(yù)設(shè)測試電壓以模擬截流過電壓，該電壓作為愛潑斯坦方圈的激勵(lì)，得到實(shí)際輸出電壓和實(shí)測電流。與截流過電壓基本估算方法相比，構(gòu)建預(yù)設(shè)測試電壓的方法在保

11、留了截流過電壓波形特征的基礎(chǔ)上，可以更加精確的模擬截流過電壓發(fā)生后鐵心中可能出現(xiàn)的各種情況?？紤]到繞組電阻、漏感等的影響，本文提出一種迭代方法計(jì)算變壓器鐵心截流后的磁滯回線。將實(shí)際輸出電壓積分后作為鐵心動(dòng)態(tài)磁滯模型初始輸入，通過將實(shí)測電流與計(jì)算電流進(jìn)行對比，調(diào)整鐵心中磁通密度的交流分量和直流分量的幅值并確定模型參數(shù)，直到實(shí)測電流與計(jì)算電流的相對誤差小于預(yù)設(shè)定值時(shí)停止迭代，此時(shí)的磁滯回線即為實(shí)際作用于變壓器的磁滯回線，該磁滯回線最后一點(diǎn)即