CN105093140A - 一种变压器剩磁检测及消磁的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器剩磁检测及消磁的方法，包括：采集试验变压器的剩余磁通含量，将其输入智能分析系统；由人机交互界面读取试验变压器的剩余磁通含量，并输入相应控制指令；由控制指令控制变频调压单元的输出；变频调压单元输出消磁所需低频交流电压，对试验变压器消磁。本发明还公开了一种变压器剩磁检测及消磁装置，包括交流电源模块、电源转换模块、直流电源模块、控制采集模块、变频调压单元、人机交互单元、数据采集模块、智能分析系统及试验变压器。本发明利用低频交流电压消磁，缩小了消磁装置的电源容量和体积；通过人机交互单元，操作人员准确、直观的获知消磁处理进程，并以此输入相应的控制指令，实现对试验变压器的彻底消磁。

Description

一种变压器剩磁检测及消磁的方法及其装置

技术领域

本发明涉及电力设备技术领域，具体地涉及一种变压器剩磁检测及消磁的方法及其装置。

背景技术

随着国民经济的快速发展，电力系统规模不断扩大，对电力设备的安全可靠性提出了更高的要求。电力变压器作为整个电网的“心脏”，是电力系统中安全稳定运行的关键设备。

在现场变压器交接、大修及故障后都会测量直流电阻，而大容量变压器绕组直流电阻测试时，由于变压器的容量和电感值大、等效电阻小使其时间常数变大，因此直流电阻试验过程需要很长的时间。电力变压器铁芯使用的硅钢片磁感应强度B并非与磁场强度H一一对应，而与所经历的磁状态有关。变压器磁路中的磁通是恒定的，为了缩短测试时间需强制通入很大的稳定的直流电流，这使得硅钢片产生顺磁场效应，在变压器中产生剩磁。

长期以来，变压器铁芯剩磁对变压器正常运行及保护有巨大的影响，常出现励磁涌流现象造成继电保护误动作，从而导致投切过程中跳闸现象；此外磁饱和会使励磁电流中出现大量谐波，谐波的产生会对电网电能质量造成严重的污染，使变压器无功损耗增加、寿命缩短。

综上所述，剩磁已成为变压器不稳定运行的潜在因数，而变压器剩磁一旦产生，不会自动消失，它将在正常情况下长期存在，所以我们应设法对变压器的剩磁进行检测与消除。现阶段，在国内外还没有成熟可靠的方法对变压器铁芯剩磁进行精确检测。目前国内外使用的方法主要有交流消磁法和直流消磁法，在现场试验中交流消磁法由于采用的是交流电源设备，设备笨重不便于运输，且交流消磁法无法准确判断消磁的最终结果。而直流消磁法很难最优化的控制正反向直流衰减档位的时间及消磁程序，导致不能彻底消磁。这两种方法都是大概判断消磁的最终结果，而没从剩磁检测角度来考虑剩磁的大小，从而无法准确断定变压器消磁的最终结果，因此有必要设计一种能精确检测剩磁的最终大小且便于现场运输的消磁装置，即剩磁检测和低频消磁一体装置。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种变压器剩磁检测及消磁的方法及其装置，本发明即能准确判断消磁最终结果，并达到彻底消磁的目的，又能满足试验现场空间条件和通道对设备体积和电源容量不宜过大的要求。

本发明的发明目的主要通过以下技术方案实现：

一种变压器剩磁检测及消磁的方法，包括以下步骤：

步骤1：通过数据采集模块采集试验变压器的剩余磁通含量，并将试验变压器的剩余磁通含量输入智能分析系统；

步骤2：通过人机交互界面读取试验变压器的剩余磁通含量，根据试验变压器的剩余磁通含量输入控制指令；

步骤3：通过控制采集模块采集人机交互界面输出的控制指令，并将控制指令转换为电信号输入变频调压单元；

步骤4：变频调压单元输出试验变压器消磁所需低频电压，对试验变压器消磁；

步骤5：重复所述步骤1～4，直至人机交互界面读取到由采集模块采集的试验变压器剩余磁通含量为零时，向人机交互界面输入结束消磁控制指令，消磁过程结束。

剩磁的消除与频率关系不大，而与磁感应强度B密切相关。现场试验中硅钢片剩磁一般在0.75-1.4T之间，而正常运行时变压器磁感应强度B₁在1.7T左右，当变压器运行时的磁感应强度大于剩余磁通含量时去磁效果明显，但这需要在工频下达到额定电压。根据励磁电流公式I=U/WL可知，当频率f越小W就越小，达到消磁试验所需的励磁电流时电压就越小，所需的电源容量亦越小，因此降低频率可利用小电源容量消磁设备得到与高频同样的消磁效果。

本发明通过智通分析系统准确分析和判定试验变压器的剩余磁通含量，操作人员根据人机交互界面读取的剩余磁通含量输入控制指令，控制变频调压单元向试验变压器的初级绕组输出消磁所需要的低频交流电压，从而完成对试验变压器的彻底消磁。因此本发明即能准确判断消磁最终结果，并达到彻底消磁的目的，又能满足试验现场空间条件和通道对设备体积和电源容量不宜过大的要求。

进一步的，所述数据采集模块采集试验变压器的剩余磁通含量，包括试验变压器初级绕组电流的二次谐波含量及波形偏移量。变压器剩磁的存在会使其磁通曲线发生偏移，从而影响励磁电流产生二次谐波，二次谐波含量使励磁电流的正半周期变成尖顶波，正负半周期电流波形不在对称，且剩磁含量越大，励磁电流畸变越严重，因此从二次谐波含量和波形偏移量可以准确判断变压器剩磁含量，并据此输入控制指令，控制变频调压单元的输出电压和频率，从而实现变压器彻底消磁。

进一步的，上述步骤1中所述智通分析系统根据试验变压器的剩余磁通含量建立实时参数数据库，定义的参数变量经智能分析系统分析与判定后，向人机交互界面提供包括消磁次数、消磁进度数据量以及剩余磁通含量等的实时动态数据。操作人员在人机交互界面可直观、准确得知试验变压器的消磁次数、消磁进度数据量以及剩余磁通含量等实时动态参数，并据此输入相应的控制指令进行消磁，从而方便、准确的实现对试验变压器消磁的目的。

进一步的，通过电压电流检测通道和频率检测通道检测所述步骤4中变频调压单元输出的低频交流电压，并根据检测结果调整变频调压单元输出的交流电压为试验变压器消磁所需低频交流电压。根据检测通道的反馈信号，调整变频调压单元输出的低频交流电压，从而提高消磁过程的准确性以及消磁效率。

一种变压器剩磁检测及消磁装置，包括交流电源模块、电源转换模块、直流电源模块、控制采集模块、变频调压单元、人机交互单元、数据采集模块、智能分析系统及试验变压器；所述交流电源模块通过电源转换模块为所述直流电源模块、变频调压单元、人机交互单元及智能分析系统供电，所述直流电源模块为所述控制采集模块和数据采集单元供电，人机交互单元输出端与控制采集模块输入端连接，控制采集模块输出端与变频调压单元输入端连接，变频调压单元输出端与试验变压器的初级绕组输入端连接，数据采集模块输入端与试验变压器初级绕组输出端连接，数据采集模块输出端与智能分析系统输入端连接，智能分析系统输出端与人机交互单元输入端连接。

在进行变压器剩磁检测与消磁试验时，试验变压器的剩余磁通含量经数据采集模块传入智能分析系统，操作人员可在人机交互单元读取来自智通分析系统的试验变压器剩余磁通含量，并根据此剩余磁通含量在人机交互单元输入控制指令，该控制指令在一定范围内连续可调，控制指令经控制采集模块转换为电信号并传入变频调压单元，控制变频调压单元输出消磁所需低频电压，从而对试验变压器进行消磁。在试验过程中，智能分析系统不断通过数据采集模块采集试验变压器的剩磁余量，并将分析结果传送至人机交互界面，操作人员通过人机交互界面读取剩磁余量，并判断消磁是否完成，待消磁余量达至目标值时，输入结束消磁控制指令，消磁试验完毕。

本发明通过控制变频调压单元输出交流低频进行消磁，缩小了消磁试难设备的体积和电源容量，并通过智能分析系统和人机界面实时检测试验变压器的剩磁余量，从而能够精确判断试验变压器的剩磁余量，并最终实现变压器彻底消磁的目的。

进一步的，所述变频调压单元包括主电路和控制电路，所述主电路包括电力调压器和电力调频器，所述控制电路包括电压电流检测通道和频率检测通道。通过主电路为电力调频器提供电源电压，控制电路接收控制采集模块传递的控制指令、并根据控制指令控制变频调压单元的输出电压和频率，使满足现场试验所需的低频交流需求，保障使用体积较小、电源容量较小的消磁装置能很好的进行消磁试验。

进一步的，所述电压电流检测通道包括电压采样回路和电流采样回路，所述电压采样回路和电流采样回路均包括运算放大器、双光耦合以及单片机。通过电压采样回路和电流采样回路来检测变压调频模块输出的电压和频率是否满足消磁试验要求，利用运算放大器和双光耦合将采样所得电流和电压稳定的、等比例的传入单片机A/D采样通道，且因光耦合的电气隔离特性，传入单片机的信号所受干扰较小，提高了电流电压检测通道的精确性，从而保证变频调压单元输出的电压和频率能更准确的满足消磁试验的需求。

进一步的，所述智能分析系统包括实时参数数据库，所述实时参数数据库包含来自所述数据采集模块的试验变压器初级绕组电流的二次谐波含量、波形偏移量及剩余磁通含量。变压器剩磁的存在会使其磁通曲线发生偏移，从而影响励磁电流产生二次谐波，二次谐波含量使励磁电流的正半周期变成尖顶波，正负半周期电流波形不在对称，且剩磁含量越大，励磁电流畸变越严重，因此从二次谐波含量和波形偏移量可以准确判断变压器剩磁含量，并据此输入控制指令，控制变频调压单元的输出电压和频率，从而实现变压器彻底消磁。

进一步的，所述人机交互单元包括接口模块、显示模块和键盘模块。智能分析系统通过接口模块将变压器实时剩磁含量输入人机交互单元，该实时剩磁含量通过显示模块为操作人员直观、及时的读取，操作人员根据所读取的变压器实时剩磁含量通过键盘模块输入控制指令，从而控制变频调压单元的输出电压及频率。整个消磁试验过程中，操作人员能过人机交互单无准确、直观、例捷的对变压器进行消磁处理，最终达到变压器彻底消磁的目的。

本发明的有益效果：

本发明通过控制变频调压单元输出低频交流，对试验变压器进行消磁处理，在取得较好消磁效果的同时，缩小了消磁装置的电源容量和体积，使消磁装置能满足现场试验条件的空间要求，且便于现场移动；通过智通分析系统将变压器实时剩磁余量传递至人机交互单元，操作人员可准确、直观的获知消磁处理进程，并以此输入相应的控制指令，以达到最终对试验变压器的彻底消磁处理。

附图说明

附图1为本发明一种实施方式的结构框图；

附图2为本发明一种实施方式的波形偏移量测剩磁原理图；

附图3为本发明一种实施方式中变频调压单元的电路结构原理图；

附图4为本发明一种实施方式中电压采样电路；

附图5为本发明一种实施方式中电流采样电路；

附图6为本发明一种实施方式中变压器剩磁检测及消磁装置与试验变压器接线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1、图3所示，一种变压器剩磁检测及消磁的方法，包括以下步骤：

步骤1：通过数据采集模块采集试验变压器的试验变压器初级绕组电流的二次谐波含量、波形偏移量及剩余磁通含量，并将采集结果输入智能分析系统；

步骤2：智能分析系统根据上述采集结果建立实时参数数据库，定义的参数变量经智能分析系统分析与判定后，向人机交互界面提供包括消磁次数、消磁进度数据量以及剩余磁通含量的实时动态数据；

步骤3：通过人机交互界面读取试验变压器的剩余磁通含量，根据试验变压器的剩余磁通含量输入控制指令；

步骤4：通过控制采集模块采集人机交互界面输出的控制指令，并将控制指令转换为电信号输入变频调压单元；

步骤5：通过电压电流检测通道和频率检测通道检测变频调压单元输出的交流电压，根据检测结果调整变频调压单元输出的交流电压为试验变压器消磁所需低频交流电压，对试验变压器消磁；

步骤6：重复所述步骤1～5，直至人机交互界面读取到由采集模块采集的试验变压器剩余磁通含量为目标值时，向人机交互界面输入结束消磁的控制指令，消磁过程结束。

上述变压器剩磁检测及消磁的方法通过以下装置实施：

一种变压器剩磁检测及消磁装置，包括交流电源模块、电源转换模块、直流电源模块、控制采集模块、变频调压单元、人机交互单元、数据采集模块、智能分析系统及试验变压器；

所述交流电源模块通过电源转换模块为所述直流电源模块、变频调压单元、人机交互单元及智能分析系统供电，所述直流电源模块为所述控制采集模块和数据采集单元供电，人机交互单元输出端与控制采集模块输入端连接，控制采集模块输出端与变频调压单元输入端连接，变频调压单元输出端与试验变压器的初级绕组输入端连接，数据采集模块输入端与试验变压器初级绕组输出端连接，数据采集模块输出端与智能分析系统输入端连接，智能分析系统输出端与人机交互单元输入端连接。

剩磁的消除与频率关系不大，而与磁感应强度B密切相关，U₁≈4.44fN₁Φm=4.44fN₁B₁S，在变压器中变压器绕组匝数N₁是一定值，不能改变。B₁为变压器实际运行的磁感应强度，现场试验中硅钢片剩磁一般在0.75-1.4T之间，而正常运行时变压器磁感应强度B₁在1.7T左右，其运行时的磁感应强度大于剩余磁通含量时去磁效果明显，这需要在工频下达到额定电压。但因现场试验条件的限制，达到额定电压所需试验设备容量太大，无法满足方便灵活的要求。又根据励磁电流公式I=U/WL可知，当频率f越小W就越小，达到试验需要的励磁电流时电压亦越小。因此，降低频率也可以得到高频同样消磁的效果。

下面以220kV/35kV变压器为例进行说明。变压器高压侧短接，低压侧加压，其短路阻抗为12.96%，负载损耗为285KW，高压侧额定电流为251A,低压侧额定电流为1649.6A。励磁电流为额定电流的0.2%，低压侧励磁电流为I₀=1649.6*0.2%=3.3A，电阻分量R_T和电抗分量X经下式计算所得为：

，

则在工频50HZ下，为达到励磁电流需加电压为：。又根据公式U₁=4.44fN₁B₁S，可知U₂/f₂=U₁/f₁，因此在1HZ下，所需电压U₂=U₁*f₂/f₁=5.25*1/50=0.105V。工频下所需的电源容量为，S₁=5.25*3.3=17.33VA，在1HZ下所需的电源容量为S₂=0.105*3.3=0.35VA，则1HZ所需的容量比工频缩小50倍，可以大大缩小设备体积，使本消磁装置能在试验现场灵活、方便的使用。

如图3、图4、图5所示，上述变频调压单元包括主电路和控制电路，所述主电路包括电力调压器和电力调频器，所述控制电路包括电压电流检测通道和频率检测通道。所述电压电流检测通道包括电压采样回路和电流采样回路。

通过主电路为电力调频器提供电源电压，控制电路接收控制采集模块传递的控制指令、并根据控制指令控制变频调压单元的输出电压和频率，使满足现场试验所需的低频交流需求，保障使用体积较小、电源容量较小的消磁装置能很好的进行消磁试验。

通过上述电压采样回路，实现对电压波形参数的采集，从分压电阻取来的电压信号经滤波后，被单片机采样，将采样信号转化为0V～5V的模拟电压量送给单片机的A/D采样通道，使单片机能采集到当时的电压，以便进行稳压、稳流或限压、限流调节，为控制算法的分析、处理，实现控制、保护、波形显示等功能提供依据。输入电压：V=U_O(+)-U_O(-)经衰减变成V_i，，根据虚断运放不吸收电流，V₃=V_i；根据运放的虚短原理，有V₃=V₂，则，由于要对输入的信号既要进行隔离，又要将它等比例地送给单片机，一般采用普通光耦合和运放实现线性光耦的功能。U₁、U₂中光耦制造工艺相同，可以近似地认为它们电流放电（大）倍数是相同的。即I₁/I₃=I₂/I₃因为A/D的输入电阻很高，所以，调节RW₁的值使的输入电压V_in满足单片机的A/D转换器对外加控制的要求，供单片机采样。

电流采样电路，实现对电流波形参数的采集，其工作原理与电压采集的原理基本相同，区别主要在采用串联电阻测电流，采用运算放大器将其放大。根据放大器的工作原理，放大的倍数为R₄/R₂,使得V_I在控制要求的范围，采用普通光耦合和运放实现线性光耦功能。V_I点相对于AGND的电压与AC₁点电压相对于AGND的电压关系类似，此处通过将输入电流隔离，调节RW₁使电压满足单片机的电压需求，供单片机采样。

如图1、图2所示，上述智能分析系统包括实时参数数据库，所述实时参数数据库包含来自所述数据采集模块的试验变压器初级绕组电流的二次谐波含量、波形偏移量及剩余磁通含量。通过波形偏移量的大小来检测消磁效果，正常运行条件下变压器主磁通Φ运行于图2（b）中的线性区域，电压波形、电流波形正负半波对称，变压器中的磁通曲线、励磁电流分别如图2(a)和（c）实线所示，但是，由于变压器剩磁Φ₀的存在，磁通曲线偏移到虚线位置。磁通曲线一旦变化，铁芯磁通密度增加，铁芯部分磁通会在铁芯的饱和状态工作，而铁芯饱和则会影响励磁电流，励磁电流中将会产生二次谐波分量，二次谐波分量使励磁电流的正半周变成尖顶波，正负半周波将不再对称，并且尖顶波的幅值与剩磁的大小成正比，剩磁越多励磁电流畸变将越严重，与剩磁方向一致的半个周波磁通将大大增加，另外半个周波的磁通将减小，有剩磁时励磁电流发生偏移如图虚线所示。消磁后偏移量、二次谐波含量都会显著下降，电压和电流波形回到正常工作时候的实线位置，波形没有发生偏移且波形正半波和负半波上下对称，在电压上升和下降过程中，同一电压下的励磁电流值相同，从所述人机交互单元可看见波形变化和以及谐波含量变化，从而快速准确的判断剩磁多少。设励磁电流虚线峰值为I₁、实线峰值为I₂，则偏移效果为I₁-I₂，消磁效果为(I₁-I₂)/I₁*100%。因此，从二次谐波含量和波形偏移量可以准确判断变压器剩磁含量，并据此输入控制指令，控制变频调压单元的输出电压和频率，从而实现变压器彻底消磁。

图6所示为本发明对检修后的变压器进行消磁，针对大容量的设备电气接线如图所示,变压器剩磁检测及消磁装置的调压器和变频器相连，其输入的电流通过调压器和桥式整流电路变化为直流电，滤波电路用电感和电容滤波，逆变部分采用四只IGBT管组成，采用双极性调制方式，输出经LC低通滤波器滤波，滤除高次谐波，得到电压和频率可调的交流电，将低频电流通入到现场待试验变压器的初次绕组，并将试验变压器的二次绕组短路，并测量端口电压波形和电流波形显现到消磁仪器上。在消磁和剩磁检测过程中不需要换线，试验方便。通过现场试验得出该一体装置剩磁检测功能能准确判断剩磁含量并能彻底地消除剩磁，有效消除了剩磁给变压器的保护装置和一次设备带来的不利影响，消磁效果理想。

此外，上述人机交互单元设置有接口模块、显示模块和键盘模块。智能分析系统通过接口模块将变压器实时剩磁含量输入人机交互单元，该实时剩磁含量通过显示模块为操作人员直观、及时的读取，操作人员根据所读取的变压器实时剩磁含量通过键盘模块输入控制指令，从而控制变频调压单元的输出电压及频率。整个消磁试验过程中，操作人员能过人机交互单无准确、直观、例捷的对变压器进行消磁处理，最终达到变压器彻底消磁的目的。

如上所述，则能很好的实现本发明。

Claims (9)

1.一种变压器剩磁检测及消磁的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：通过数据采集模块采集试验变压器的剩余磁通含量，并将试验变压器的剩余磁通含量输入智能分析系统；

步骤2：通过人机交互界面读取试验变压器的剩余磁通含量，根据试验变压器的剩余磁通含量输入控制指令；

步骤3：通过控制采集模块采集人机交互界面输出的控制指令，并将控制指令转换为电信号输入变频调压单元；

步骤4：变频调压单元输出试验变压器消磁所需低频交流电压，对试验变压器消磁；

步骤5：重复所述步骤1～4，直至人机交互界面读取到由采集模块采集的试验变压器剩余磁通含量为目标值时，向人机交互界面输入结束消磁的控制指令，消磁过程结束。

2.根据权利要求1所述的变压器剩磁检测及消磁的方法，其特征在于：所述数据采集模块采集试验变压器的剩余磁通含量，包括试验变压器初级绕组电流的二次谐波含量及波形偏移量。

3.根据权利要求1所述的变压器剩磁检测及消磁的方法，其特征在于：步骤1中所述智能分析系统根据试验变压器的剩余磁通含量建立实时参数数据库，定义的参数变量经智能分析系统分析与判定后，向人机交互界面提供包括消磁次数、消磁进度数据量以及剩余磁通含量的实时动态数据。

4.根据权利要求1～3任一项所述变压器剩磁检测及消磁的方法，其特征在于：通过电压电流检测通道和频率检测通道检测所述步骤4中变频调压单元输出的低频交流电压，根据检测结果调整变频调压单元输出的交流电压为试验变压器消磁所需低频交流电压。

5.一种变压器剩磁检测及消磁装置，其特征在于：包括交流电源模块、电源转换模块、直流电源模块、控制采集模块、变频调压单元、人机交互单元、数据采集模块、智能分析系统及试验变压器；

所述交流电源模块通过电源转换模块为所述直流电源模块、变频调压单元、人机交互单元及智能分析系统供电，所述直流电源模块为所述控制采集模块和数据采集单元供电，人机交互单元输出端与控制采集模块输入端连接，控制采集模块输出端与变频调压单元输入端连接，变频调压单元输出端与试验变压器的初级绕组输入端连接，数据采集模块输入端与试验变压器初级绕组输出端连接，数据采集模块输出端与智能分析系统输入端连接，智能分析系统输出端与人机交互单元输入端连接。

6.根据权利要求5所述的变压器剩磁检测及消磁装置，其特征在于：所述变频调压单元包括主电路和控制电路，所述主电路包括电力调压器和电力调频器，所述控制电路包括电压电流检测通道和频率检测通道。

7.根据权利要求6所述的变压器剩磁检测及消磁装置，其特征在于：所述电压电流检测通道包括电压采样回路和电流采样回路，所述电压采样回路和电流采样回路均包括运算放大器、双光耦合以及单片机。

8.根据权利要求5所述的变压器剩磁检测及消磁装置，其特征在于：所述智能分析系统包括实时参数数据库，所述实时参数数据库包含来自所述数据采集模块的试验变压器初级绕组电流的二次谐波含量、波形偏移量及剩余磁通含量。

9.根据权利要求5～8任一项所述的变压器剩磁检测及消磁装置，其特征在于：所述人机交互单元包括接口模块、显示模块和键盘模块。