CN106371044A - 一种基于漏磁的箱体内部铁心工作状态监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于漏磁的箱体内部铁心工作状态监测方法，通过漏磁的监测间接获得铁心的工作状态，判断铁心是否饱和，在内部具有铁心以及绕组的箱体外部同一电流回路中不同空间位置安装两组CT，使用这两组CT的二次电流以及回路电压，无需增加硬件，使用软件对电压电流数据进行实时处理即可重构出表示铁心磁通变化的BH曲线，根据BH曲线的特征监测铁心的工作状态，用来作为继电保护装置的动作判据。本发明可以将经过量化后的铁心状态的不对称度作为实时数据在监视屏幕上绘制出变化曲线，同时通过设置报警阈值，实现当检测到铁心异常状态时的自动报警；不用在箱体内部高压区域安装任何磁场测量探头，避免了由于探头及引线对局部高压电场的畸变影响，对设备的可靠性无任何影响。

Description

一种基于漏磁的箱体内部铁心工作状态监测方法

技术领域

本发明属于电力系统自动化技术领域，具体涉及一种基于漏磁的箱体内部铁心工作状态监测方法。

背景技术

当变压器中绕组与电源相联后，就会在铁心中产生磁通，在铁心中由于激磁电压产生的磁通叫主磁通，主磁通大小决定于激磁电压的大小，额定电压激磁时产生的主磁通不应使铁心饱和，即此时的磁通密度不应饱和，主磁通在闭合磁路的铁心中成封闭回路，但在铁心饱和后会溢出铁心。未经过铁心闭合的部分磁通为漏磁通，变压器的漏磁通可分为两种，一种为变压器正常运行时的稳态漏磁通，另一种是变压器空载合闸、突然短路、直流偏磁等一次电流含有非周期分量导致铁心出现暂态饱和时的暂态漏磁通。不同于主磁通只在铁心内流动，漏磁通的路径比较多元化，漏磁通的路径有的是通过部分绕组和变压器油闭合，有的通过部分绕组、铁心与变压器油闭合，有的通过绕组、拉板与变压器油闭合，还有一部分通过绕组、夹件与变压器油闭合，从高压绕组离开的磁力线向油箱侧弯曲，有的通过绕组与变压器油闭合，有的通过绕组、变压器油、油箱闭合。此外，当油箱或夹件设有屏蔽时，还有一部分磁力线通过绕组、变压器油及屏蔽闭合。

随着变压器容量不断增大，受限于运输，导致体积与外形设计受到极大的限制，变压器的漏磁问题日益严峻，变压器正常运行时稳态漏磁通导致油箱壁局部铁损增大而引起局部温升过高，目前可以通过过电流试验予以检测验证并采用磁屏蔽予以解决，但对于励磁涌流等导致铁心出现暂态饱和时的暂态漏磁通尚未采取有效措施予以屏蔽，暂态漏磁通干扰套管CT的传变准确性，容易导致继电保护装置误动，影响运行的可靠性。

发明内容

一种基于漏磁的箱体内部铁心工作状态监测方法，在内部具有铁心以及绕组的箱体外部同一电流回路中不同空间位置安装两组CT，使用这两组CT的二次电流以及回路电压，重构出表示铁心磁通变化的BH曲线，根据BH曲线的特征监测铁心的工作状态。

优选的，BH曲线的重构方法如下：

对一电气回路上的两组CT的电流以及电压进行高速数字采样，将电压和电流转换为表征其变化过程的采样数据序列，然后通过两组CT电流的组合计算求出铁心的漏磁感应电流。根据数据的采样率，截取当前时刻之前的一个完整周波的电压、漏磁感应电流的数据序列，对电压数据序列进行积分处理后得到的B_one_wave序列，将其作为磁感应强度B的变化，漏磁感应电流数据作为H_one_wave序列表现磁场强度H的变化，在二维平面上，将H_one_wave序列作为水平方向的磁场强度H轴的坐标数据，B_one_wave序列作为垂直方向的磁感应强度B轴的坐标数据，使用上述两组坐标数据序列构造出BH曲线。

优选的，根据BH曲线的特征监测铁心的工作状态具体方法如下：

使用不对称度k_asy对BH曲线的不对称特征进行量化，不对称度k_asy具体计算方法如下：分别找出BH曲线上B轴、H轴方向的极大值点A(H_max, B_max)，极小值点C(H_min, B_min)，以及新的中心D点；以新的中心D点为原点构建参考坐标系，参考坐标系中横轴、纵轴将BH曲线所在平面分割为四个象限，分别求出新坐标系中A、C两点在第一、第三两个象限内与坐标轴所形成的矩形面积S1、S3，据此计算出本BH曲线的不对称度k_asy，具体计算公式为：

S1 = | H_max * (B_max –(B_max + B_min) / 2) |;

S3 = | H_min * (B_min –(B_max + B_min) / 2) |;

k_asy=| S1 - S3 | / ( S1 + S3 )。

优选的，BH曲线中D点坐标为D（0，(B_max + B_min) / 2）。

优选的，通过两组CT电流的组合计算求出铁心的漏磁感应电流具体方法为：

对一电气回路上的两组CT的电流数字采样，通过软件处理合成滤除其中共同的一次电流对应的二次电流分量，剩余电流作为漏磁磁通作用在CT二次回路上产生的感应电流。

优选的，两组CT安装在同一个电气回路中的不同空间位置，一组安装在靠近铁心的位置，在漏磁通的影响范围内，另一组则安装在远离铁心的其他空间位置，避免漏磁通的影响。

优选的，为了提高精度，避免铁心在未饱和低漏磁状态下的采样误差影响，当两组CT的电流差值小于空载电流的k倍时，不进行BH曲线的重构及不对称度计算，本次取k=1.5。

有益效果

本发明提供了一种基于漏磁的箱体内部铁心工作状态监测方法，采集安装在不同空间位置的两组CT的二次电流，通过漏磁的监测间接获得铁心的工作状态，判断铁心是否饱和，无需增加硬件，使用软件对电压电流数据进行实时处理即可实现。通过铁心BH曲线的重构获得铁心的磁通变化过程，用来作为继电保护装置的动作判据。本发明可以将经过量化后的铁心状态的不对称度作为实时数据在监视屏幕上绘制出变化曲线，同时通过设置报警阈值，实现当检测到铁心异常状态时的自动报警；不用在变压器内部高压区域安装任何磁场测量探头，避免了由于探头及引线对局部高压电场的畸变影响，对变压器可靠性无任何影响。

附图说明

图1 为单相变压器两组CT安装位置示意图；

图2为单相变压器内部磁通及套管区域漏磁通示意图；

图3为BH曲线不对称度的计算原理图；

图4为主变套管与线路CT的三相电流工程录波波形；

图5为三相电流工程录波中C相两组CT以及两组CT差值的电流波形；

图6为使用三相漏磁感应电流与三相电压重构的三相BH曲线；

图7为C相BH曲线不对称度的变化。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，具体以单相双绕组变压器来说明本发明的具体应用。

在电力系统中，对于大容量变压器，基于运输及制造因素，通常采用三个独立的单相变压器在安装就位后组合而成三相变压器，单相变压器与电网的常见连接方式如图1所示，配置了两组CT，其中线路CT 101安装在变压器引线的断路器附近，变压器套管CT 102安装在变压器本体上方的升高座内部，靠近变压器内部的绕组及铁心。

单相变压器内部磁通及套管区域漏磁通如图2所示，由于正常运行期间变压器的磁通主要通过铁心构成回路，如对于降压变压器，由于高压侧与电网相联接，电压固定，随着低压侧负载的增大，负载电流形成的反向磁通虽然会抵消高压侧电流形成的磁通，但由于高压侧电压固定，绕组中需始终保持必要的剩余磁通，剩余磁通包括漏磁通以及铁心励磁磁通，在正常运行时，剩余磁通量较小，漏磁通也较小。在励磁涌流或偏磁等引起的铁心单侧饱和以及过电压形成的铁心双向饱和时，由于铁心的导磁能力降低，导致原经过铁心形成闭环的磁通弥散到铁心外部经由油箱壁、变压器油以及空气等构成回路，导致漏磁通急剧增大，这些不经过铁心回环的漏磁通一部分直接穿过了油箱的钢板弥散到油箱外部，但衰减很大；另有一部分磁通则从套管及升高座等油箱封闭箱体的局部安装孔中的非钢板完全覆盖区域的间隙中逃逸，由于此处无有效的导磁体予以屏蔽磁通的泄漏，这些漏磁通未得到明显的衰减，强度较大，漏磁通穿过升高座内部的CT 环形铁心以及缠绕在铁心上的二次绕组泄漏到油箱封闭箱体之外，在漏磁通作用下，二次回路形成了感应电压，于是二次回路中出现了这部分漏磁通所对应的感应电流。

因此，图2中所示的套管中CT的二次电流i₂是在两种磁通作用下的共同结果:

A、 一次回路上电流I₁所对应的磁通作用下CT绕组感应产生的二次电流；

B、 变压器铁心漏磁通作用下CT二次回路产生的感应电流。

当漏磁通微弱时，感应电流相对于CT二次电流而言不明显，当漏磁通较强时，感应电流则远大于CT二次电流，导致此时的CT二次电流出现畸变失真，无法真实有效的反映一次电流的实际大小。

通过对变压器电气回路中一次电流作用下不同空间位置的两个CT的二次电流的数据处理，滤除其中共同的一次电流对应的二次电流分量，剩余电流作为漏磁磁通作用在CT二次回路上产生的感应电流，具体为取变压器套管CT电流信号与外部同一电气串联回路上的CT电流信号进行处理，由于二者无法直接抵消，采用高精度设备数字采样后，通过软件处理合成滤除其中相同的一次电流部分，从而获得铁心漏磁通对CT影响而形成的感应电流，将此感应电流等效为铁心内部磁场强度H的变化，然后对变压器CT侧的电压进行积分，得出磁感应强度B的变化，通过这两组数据的组合应用重构铁心BH曲线，从而直观显示铁心工作状态。

对于图1所示的双绕组单相变压器，其两侧电压、电流以及内部磁通如图2所示，其中I₁₁为高压侧线路CT101的电流，I₁₂为高压侧套管CT102的电流，U₁为变压器高压侧的电压，I_exc为I₁₁、I₁₂中相同分量抵消后的漏磁感应电流，I_exc的大小能够表现铁心的漏磁大小，漏磁感应电流I_exc的计算公式为：

I_exc=I₁₂-I₁₁ -----------①

使用两组CT的电流I₁₁、I₁₂以及高压侧电压U₁，即可绘出表示铁心变化的BH曲线，根据图3所示的BH曲线不对称度的计算原理，对BH曲线的不对称特征进行量化，求出BH曲线的不对称度，具体步骤如下：

对两组CT的电流I₁₁、I₁₂以及高压侧电压U₁进行高速数字采样，将电压和电流转换为表征其变化过程的采样数据序列，然后根据公式①求出铁心的漏磁感应电流I_exc。根据数据的采样率，截取当前时刻之前的一个完整周波的电压（U₁）、电流（I_exc）采样数据序列，当电源电压频率为50Hz时，也就是20ms的采样数据序列，对电压数据序列进行积分处理后得到的B_one_wave序列，将其作为磁感应强度B的变化，电流数据作为H_one_wave序列表现磁场强度H的变化，在二维平面上，将H_one_wave序列作为水平方向的磁场强度H轴的坐标数据，B_one_wave序列作为垂直方向的磁感应强度B轴的坐标数据，使用上述两组数据序列构造出图4所示的BH曲线。max函数用来找出指定数据序列中的最大值，min函数用来找出指定数据序列中的最小值，使用max、min分别找出本周波BH曲线的B、H轴方向的极大值、极小值，具体程序处理如下：

BH曲线H轴方向极大值点H_max = max(H_one_wave)；

BH曲线H轴方向极小值点H_min = min(H_one_wave)；

BH曲线B轴方向极大值点B_max = max(B_one_wave)；

BH曲线B轴方向极小值点B_min = min(B_one_wave)；

基于上述数据，图3中BH曲线的A、C两点的坐标分别为A(H_max，B_max)、C(H_min，B_min)， 由于高压侧电压U₁是交流模式，根据交流电的中心对称特性，重构出的BH曲线H轴方向等效中心始终为“0”，即D点坐标中X₀=0，而B轴方向中心Y₀ = (B_max + B_min) / 2，故D点坐标为D（0，(B_max + B_min) / 2），以D点为原点构建新的参考坐标系，其横轴、纵轴将BH曲线所在平面分割为四个象限，具体如图3所示。然后分别求出新坐标系中A、C两点在第一、第三两个象限内与坐标轴所形成的矩形面积S1、S3，其中S1、S3具体组成如图3中的阴影部分所示，据此计算出本BH曲线的不对称度k_asy，计算步骤如下：

S1 = | H_max * (B_max –(B_max + B_min) / 2) |;

S3 = | H_min * (B_min –(B_max + B_min) / 2) |;

k_asy=| S1 - S3 | / ( S1 + S3 );

图4为某工程中主变空载合闸差动保护动作时套管与线路CT的三相电流工程录波波形，从波形中可以看出，线路CT的三相电流呈现明显的励磁涌流特征，C相套管CT与线路CT的电流存在巨大的差异。图5为录波中C相两组CT以及两组CT差值的电流波形，可以看出两组CT电流的差值波形呈现明显的励磁涌流特征，图5中C相电流在两组CT中表现不一致根本问题是主变套管漏磁通对套管CT的影响，当合闸时出现的大电流产生的漏磁被错误的感应到套管CT回路，形成CT二次回路电流的波形畸变与失真。使用三相漏磁感应电流与三相电压重构的三相BH曲线如图6所示，其中C相BH曲线呈现明显的单侧饱和特征，根据图3所示的不对称度计算方法，录波中C相的BH曲线不对称度的变化如图7所示。

本发明在具体应用中通过不同空间位置的CT采集数据，无需增加硬件，使用软件对数据进行实时处理即可，通过铁心BH曲线的重构从而获得铁心的磁通变化过程，用来作为保护判断之用，如作为励磁涌流判据使用。针对运行的变压器，采用本发明可以将经过量化后的铁心状态的不对称度作为实时数据在监视屏幕上绘制出变化曲线，同时通过设置报警阈值，实现当检测到铁心异常状态时的自动报警；同时铁心工作状态数据还可以反馈到微机保护装置中，提高微机保护装置动作的正确率，避免出现传统原理保护的误动情况；

本发明能够及时有效的监测铁心的工作状态，并针对偏磁等导致的单侧饱和提供量化的计算结果，从而便于自动控制系统即时识别铁心的异常工作状态，避免铁心长期运行在单侧饱和区域，确保变压器设备的可靠运行。

本发明可以应用在变压器铁心在线监测领域，通过电压电流实时重构BH曲线，根据不对称度可以实现自动化监测，随着高压直流输电对交流输电系统影响日益严重，此监测方法具有重要意义，可以根据铁心工作状态用来控制中性点直流抑制装置的投退，及时采取有效措施，避免变压器在直流偏磁下长时间运行。

上述监测方法不仅可以用来对铁心进行在线监测，同时还可以用来进行变压器工作状态的监测和识别，如用于励磁涌流、过励磁、和应涌流等状态下铁心的识别判断，其中过励磁需要综合电压进行判断。

考虑到高压导线的对地电容电流以及电晕损耗等，外部CT安装位置需合理选择，避免杂耗电流导致的误差，与套管CT不能相距太远但必须不在变压器漏磁通影响范围之内。

为了提高精度，避免铁心在未饱和低漏磁状态下的采样误差影响，当两组CT的电流差值小于空载电流的k倍时，不进行BH曲线的重构及不对称度计算，只有当两组CT的电流差值大于空载电流的k倍时，才进行BH曲线的重构及不对称度计算，避免由于低漏磁状态下重构出的BH曲线出现变形而导致不对称度计算出不真实的数据，本次取k=1.5。

由于将变压器油箱内的铁心视为一个整体进行检测，根据漏磁获得内部铁心工作状态，故本法不仅适用于上述实施方案中的单相双绕组的变压器铁心监测，对于更多绕组的变压器上述检测方法同样使用，同时也适用于三相一体变压器的铁心检测。三相一体变压器可以参考单相变压器，对三相分别进行漏磁检测与合成计算，然后找出其中漏磁最大的一组，用它来表示铁心当前的运行状态。

本说明书的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于漏磁的箱体内部铁心工作状态监测方法，其特征在于，在内部具有铁心以及绕组的箱体外部同一电流回路中不同空间位置安装两组CT，使用这两组CT的二次电流以及回路电压，重构出表示铁心磁通变化的BH曲线，根据BH曲线的特征监测铁心的工作状态。

2.如权利要求1所述的一种基于漏磁的箱体内部铁心工作状态监测方法，其特征在于：BH曲线的重构方法如下：

对一电气回路上的两组CT的电流以及电压进行高速数字采样，将电压和电流转换为表征其变化过程的采样数据序列，然后通过两组CT电流的组合计算求出铁心的漏磁感应电流，根据数据的采样率，截取当前时刻之前的一个完整周波的电压、漏磁感应电流的数据序列，对电压数据序列进行积分处理后得到的B_one_wave序列，将其作为磁感应强度B的变化，漏磁感应电流数据作为H_one_wave序列表现磁场强度H的变化，在二维平面上，将H_one_wave序列作为水平方向的磁场强度H轴的坐标数据，B_one_wave序列作为垂直方向的磁感应强度B轴的坐标数据，使用上述两组坐标数据序列构造出BH曲线。

3.如权利要求1所述的一种基于漏磁的箱体内部铁心工作状态监测方法，其特征在于：

根据BH曲线的特征监测铁心的工作状态具体方法如下：

使用不对称度k_asy对BH曲线的不对称特征进行量化，不对称度k_asy具体计算方法如下：

分别找出BH曲线上B轴、H轴方向的极大值点A(H_max, B_max)，极小值点C(H_min, B_min)，以及新的中心D点；以新的中心D点为原点构建参考坐标系，参考坐标系中横轴、纵轴将BH曲线所在平面分割为四个象限，分别求出新坐标系中A、C两点在第一、第三两个象限内与坐标轴所形成的矩形面积S1、S3，据此计算出本BH曲线的不对称度k_asy，具体计算公式为：

S1 = | H_max * (B_max –(B_max + B_min) / 2) |;

S3 = | H_min * (B_min –(B_max + B_min) / 2) |;

k_asy=| S1 - S3 | / ( S1 + S3 )。

4.如权利要求3所述的一种基于漏磁的箱体内部铁心工作状态监测方法，其特征在于：BH曲线中D点坐标为D（0，(B_max + B_min) / 2）。

5.如权利要求2所述的一种基于漏磁的箱体内部铁心工作状态监测方法，其特征在于：通过两组CT电流的组合计算求出铁心的漏磁感应电流具体方法为：

对一电气回路上的两组CT的电流数字采样，通过软件处理合成滤除其中共同的一次电流对应的二次电流分量，剩余电流作为漏磁磁通作用在CT二次回路上产生的感应电流。

6.如权利要求1所述的一种基于漏磁的箱体内部铁心工作状态监测方法，其特征在于：两组CT安装在同一个电气回路中的不同空间位置，一组安装在靠近铁心的位置，在漏磁通的影响范围内，另一组则安装在远离铁心的其他空间位置，避免漏磁通的影响。

7.如权利要求3所述的一种基于漏磁的箱体内部铁心工作状态监测方法，其特征在于：为了提高精度，避免铁心在未饱和低漏磁状态下的采样误差影响，当两组CT的电流差值小于空载电流的k倍时，不进行BH曲线的重构及不对称度计算，本次取k=1.5。