CN108414879A - 卷铁心变压器铁心片间短路模拟平台与测评方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了卷铁心变压器铁心片间短路模拟平台与测评方法，通过改变卷铁心的等效电阻来模拟卷铁心变压器铁心故障，并求得卷铁心首尾之间的等效电阻，通过判断直流电源输出电流的相对误差百分比来评估变卷铁心的片间短路情况。本发明能够有效地模拟卷铁心变压器的铁心片间短路故障并进行有效地测评，应用广泛，进一步为卷铁心变压器铁心故障检测和维修提供了可靠的依据。

Description

卷铁心变压器铁心片间短路模拟平台与测评方法

技术领域

本发明属于卷铁心变压器铁心故障领域，具体涉及一种卷铁心变压器铁心片间短路故障模拟平台与测评方法。

背景技术

卷铁心变压器具有耗材少、效率高等优点，尤其适合于牵引供电系统中，其能有效降低牵引供电负荷间歇性所带来的变压器空载损耗高的问题，是未来牵引变电所的核心设备。然而卷铁心在制造、运行过程中可能会出现故障，比如出现硅钢片绝缘涂层破坏导致铁心片间短路，这会引起铁心过热、铁损增加等现象，影响整个变压器甚至牵引供电系统的安全高效运行。因此，进行卷铁心检测能有效地保证变压器低能耗、高效率地运行。然而由于卷铁心复杂的绕制工艺，往往很难直接获得卷铁心卷绕长度、卷绕圈数等参数，进一步导致难以提取表征卷铁心的状态的特征量，使得卷铁心检测结果不够准确。同时，现有的常规模拟铁心故障的手段往往会破坏铁心的绝缘，造成不可恢复的破坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种有效地、无损地模拟卷铁心片间短路故障的模拟平台，以及一种卷铁心变压器铁心片间短路测评方法方法与手段。

实现本发明目的的技术方案如下：

卷铁心变压器铁心片间短路模拟平台，包括卷铁心，直流电源，断路器S₁、S₂、S₃、S₄，电阻R₁、R₂、R₃、R₄和电流表；

断路器S₁、S₂、S₃、S₄分别与电阻R₁、R₂、R₃、R₄串联形成的四个支路，和直流电源与电流表串联形成的电源支路并联；并联后两端分别连接到卷铁心的卷绕首尾端。

卷铁心变压器铁心片间短路测评方法，包括：

第一步，计算等效电阻：

使用卷铁心变压器铁心片间短路模拟平台，通过开断断路器S₁、S₂、S₃、S₄，使电阻R₁、R₂、R₃、R₄并联接入或不接入电路，从而改变卷铁心的等效电阻，实现模拟卷铁心片间短路的功能；当需要加重铁心片间短路故障程度，通过并联接入R₁、R₂、R₃、R₄中电阻值较小的电阻或者并联接入多个电阻来实现；当需要减弱或消除铁心片间短路故障程度，通过并联接入R₁、R₂、R₃、R₄中电阻值较大的电阻或者不并联接入电阻来实现；所述铁心片间短路故障包括4个等级，即片间无短路、片间轻度短路、片间中度短路以及片间重度短路，依次命名为：故障0、故障1、故障2、故障3；

1.1令每级卷绕的硅钢带首尾宽度分别为m₀,m₁,…,m_n，其中m₀和m_n分别为宽度极小值和极大值，取心柱横截面的1/2，依据几何关系，求得硅钢带宽度m_j为：

式中，j＝1,2,3,…,n,n+1,n+2,…,2n,2n+1，d为硅钢带厚度；R为卷铁心外截面半径，满足关系：R²＝d²+(m_n/2)²；n为卷绕总圈数的一半，取[]为取整运算；

1.2第i级卷铁心硅钢带的卷绕长度l_i的表达式为：

l_i＝2π(r+id)+2(p+q)+d，i＝1,2,…,n,n+1,n+2,…,2n-1,2n

式中，p为心柱长度，q为铁轭长度，r为圆角半径；

1.3第i级卷铁心硅钢带的宽度g(x)的表达式为：

式中，x为该级卷绕路径上的位置；

1.4对宽度渐变硅钢带电阻值进行积分求和，得出卷铁心首尾接直流电源时的额定等效电阻的表达式：

式中ρ为硅钢材质的电阻率；

第二步，测试、储存结果：

2.1分别在故障0、故障1、故障2、故障3状态下，使用直流电源施加值为U＝15V的直流电压，各测量3次直流电源的输出电流，取电流表读数平均值为I_iF，并进行存储；i＝0,1,2,3，分别对应故障0、故障1、故障2、故障3状态；

2.2计算各故障状态下的相对误差百分比ε_i，

式中，I*为电流的理论值，满足I*＝U/R_eq；R_eq为步骤1.4中推出的额定等效电阻；

第三步，参数确定：

令其中，L₁、L₂和L₃为故障界限参数；

第四步，测评分析：

对实际的卷铁心变压器进行卷铁心故障测评分析：在卷铁心两端施加值为U＝15V的直流电压，使用电流表读取通过卷铁心的电流I_F；再按照步骤2.2的方法，求得电流相对误差百分比ε；当ε≤L₁，判定卷铁心无片间短路故障；当L₁<ε≤L₂，判定卷铁心轻度片间短路故障；当L₂<ε≤L₃，判定卷铁心中度片间短路故障；当ε>L₃，判定卷铁心重度片间短路故障。

本发明的优点和积极效果为：

1、本发明能有效地避免绝铁心不可逆的伤害，并且可以调整卷铁心片间短路的程度，实现多级模拟；

2、本发明的测评方法仅需要知道硅钢带厚度、卷铁心外截面半径、心柱长度、铁轭长度等基本数据便可求出卷铁心首尾之间的等效电阻，进一步对铁心的运行实现多维度、全方位的测评。

附图说明

图1为卷铁心变压器铁心片间短路故障模拟示意图；

图2为每级硅钢带的首尾宽度示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详述。

实施案例如下：

图1为卷铁心变压器铁心片间短路故障模拟示意图，所述的故障模拟平台用以模拟卷铁心变压器铁心片间短路故障，包括卷铁心，直流电源，4个断路器S₁、S₂、S₃、S₄，4个电阻R₁、R₂、R₃、R₄，电流表；

所述的4个断路器S₁、S₂、S₃、S₄分别与所述的4个电阻R₁、R₂、R₃、R₄串联后再与所述的卷铁心卷绕首尾端并联，并联部分在于所述的直流电源和所述的电流表串联；

通过开断所述的4个断路器S₁、S₂、S₃、S₄，使所述的4个电阻R₁、R₂、R₃、R₄并联接入电路，从而改变卷铁心的等效电阻，实现模拟卷铁心片间短路的功能；当需要加重铁心片间短路故障程度时，通过并联接入所述的4个电阻R₁、R₂、R₃、R₄中电阻值较小的电阻或者并联接入多个电阻来实现；当需要减弱甚至消除铁心片间短路故障程度时，通过并联接入所述的4个电阻R₁、R₂、R₃、R₄中电阻值较大的电阻或者不并联接入电阻来实现；故障模块可以实现4个等级故障程度，即片间无短路、片间轻度短路、片间中度短路以及片间重度短路，依次为：故障0、故障1、故障2、故障3；

所述的测评方法包括以下步骤：

第一步：计算等效电阻

1.1令每级卷绕的硅钢带首尾宽度分别为m₀,m₁,…,m_n，其中m₀和m₁分别为宽度极小值和极大值，此时取心柱横截面的1/2作为研究对象，令a为截面中心沿卷绕叠装方向的距离，依据几何关系，求得第j级硅钢带宽度为：

式中，d为硅钢带厚度；R为卷铁心外截面半径，满足关系：R²＝d²+(m_n/2)²；n为卷绕总圈数的一半，取[]为取整运算；

1.2第i级的卷绕长度l_i的表达式为：

l_i＝2π(r+id)+2(p+q)+d i＝1,2,…,n,n+1,n+2,…,2n-1,2n

式中，r为圆角半径，p为心柱长度，q为铁轭长度，；

1.3第i级卷铁心硅钢带宽度g(x)的表达式为：

式中，x为该级卷绕路径上的位置；

1.4对宽度渐变硅钢带电阻值进行积分求和，得出卷铁心首尾接直流电源时的额定等效电阻的表达式：

式中ρ为硅钢材质的电阻率；

求得R_eq为40kΩ，则

第二步：测试、储存结果

2.1从故障0、故障1、故障2、故障3状态下，所述的直流电源施加值为U＝15V的直流电压，各测量3次直流电源的输出电流，取电流表读数平均值为I_iF(i＝0,1,2,3)，并进行存储；

2.2计算各故障状态下的相对误差百分比ε_i(i＝0,1,2,3)：

式中，I*为电流的理论值，满足I*＝U/R_eq；R_eq为步骤1.4中推出的额定等效电阻；

计算得到：ε₀＝5％，ε₁＝18％，ε₂＝37％，ε₃＝58％

第三步：参数确定与测评分析

令

在实际对变压器进行铁心故障测评分析时，根据2.1中步骤，在卷铁心两端施加对U＝15V的直流电压，使用电流表读取通过卷铁心的电流I_F，然后根据2.2中公式，求得电流相对误差百分比ε，判断相对误差百分比ε大小，当ε≤0.115，卷铁心无片间短路，当0.115<ε≤0.275，卷铁心出现轻度片间短路，当0.275<ε≤0.475，卷铁心出现中度片间短路，当ε>0.475，卷铁心出现重度片间短路。

Claims (2)

1.卷铁心变压器铁心片间短路模拟平台，其特征在于，包括卷铁心，直流电源，断路器S₁、S₂、S₃、S₄，电阻R₁、R₂、R₃、R₄和电流表；

断路器S₁、S₂、S₃、S₄分别与电阻R₁、R₂、R₃、R₄串联形成的四个支路，和直流电源与电流表串联形成的电源支路并联；并联后两端分别连接到卷铁心的卷绕首尾端。

2.卷铁心变压器铁心片间短路测评方法，其特征在于，包括：

第一步，计算等效电阻：

使用卷铁心变压器铁心片间短路模拟平台，通过开断断路器S₁、S₂、S₃、S₄，使电阻R₁、R₂、R₃、R₄并联接入或不接入电路，从而改变卷铁心的等效电阻，实现模拟卷铁心片间短路的功能；当需要加重铁心片间短路故障程度，通过并联接入R₁、R₂、R₃、R₄中电阻值较小的电阻或者并联接入多个电阻来实现；当需要减弱或消除铁心片间短路故障程度，通过并联接入R₁、R₂、R₃、R₄中电阻值较大的电阻或者不并联接入电阻来实现；所述铁心片间短路故障包括4个等级，即片间无短路、片间轻度短路、片间中度短路以及片间重度短路，依次命名为：故障0、故障1、故障2、故障3；

1.1 令每级卷绕的硅钢带首尾宽度分别为m₀,m₁,…,m_n，其中m₀和m_n分别为宽度极小值和极大值，取心柱横截面的1/2，依据几何关系，求得硅钢带宽度m_j为：

式中，j＝1,2,3,…,n,n+1,n+2,…,2n,2n+1，d为硅钢带厚度；R为卷铁心外截面半径，满足关系：R²＝d²+(m_n/2)²；n为卷绕总圈数的一半，取[]为取整运算；

1.2 第i级卷铁心硅钢带的卷绕长度l_i的表达式为：

l_i＝2π(r+id)+2(p+q)+d，i＝1,2,…,n,n+1,n+2,…,2n-1,2n

式中，p为心柱长度，q为铁轭长度，r为圆角半径；

1.3 第i级卷铁心硅钢带的宽度g(x)的表达式为：

式中，x为该级卷绕路径上的位置；

1.4 对宽度渐变硅钢带电阻值进行积分求和，得出卷铁心首尾接直流电源时的额定等效电阻的表达式：

式中ρ为硅钢材质的电阻率；

第二步，测试、储存结果：

2.1 分别在故障0、故障1、故障2、故障3状态下，使用直流电源施加值为U＝15V的直流电压，各测量3次直流电源的输出电流，取电流表读数平均值为I_iF，并进行存储；i＝0,1,2,3，分别对应故障0、故障1、故障2、故障3状态；

2.2 计算各故障状态下的相对误差百分比ε_i，

式中，I*为电流的理论值，满足I*＝U/R_eq；R_eq为步骤1.4中推出的额定等效电阻；

第三步，参数确定：

令其中，L₁、L₂和L₃为故障界限参数；

第四步，测评分析：

对实际的卷铁心变压器进行卷铁心故障测评分析：在卷铁心两端施加值为U＝15V的直流电压，使用电流表读取通过卷铁心的电流I_F；再按照步骤2.2的方法，求得电流相对误差百分比ε；当ε≤L₁，判定卷铁心无片间短路故障；当L₁<ε≤L₂，判定卷铁心轻度片间短路故障；当L₂<ε≤L₃，判定卷铁心中度片间短路故障；当ε>L₃，判定卷铁心重度片间短路故障。