CN113884778A - 一种基于高频激励的变压器绕组参数辨识方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于高频激励的变压器绕组参数辨识方法。首先从理论上分析了利用高频电流趋肤效应进行变压器绕组材质区分的原理，之后提出了具体的测试步骤。其中，为了减小绕组线圈电感对测量结果的影响，首先根据变压器等效电路来实际测试得到变压器回路的等效电感值，之后根据基频下的电感值来计算待测频率下的等效电感值并进行补偿，最后通过对比测试变压器与标准变压器的电阻参数来辨别变压器绕组材质。

Description

一种基于高频激励的变压器绕组参数辨识方法
技术领域
本发明属于变压器参数辨识领域，特别涉及一种基于高频激励的变压器绕组参数辨识方法。
背景技术
变压器作为电网中不可缺少的重要环节，其质量直接影响着电网公司的供电安全和用户的用电体验，因此变压器的安全可靠性尤为重要。由于铜导线的电阻率小、熔点高以及铜的焊接技术较成熟等特点，对电力系统安全运行有着良好的作用，因此铜导线是变压器绕组选材的不二之选。然而，由于成本的压力，一些厂商通过改变变压器的一些内部结构，将铜绕组改成铝绕组，使铝绕组变压器的设计参数和铜绕组的变压器一致，达到以次充好的效果，从而直接降低了生产成本，这种违规的操作，给变压器带来了很多安全隐患，对电力系统安全稳定运行影响很大。
为了保证电力系统的安全运行，为了打击厂商的“以铝代铜”行为，需要对变压器的内部材料，线圈绕组进行材质上的分析与鉴别，由于厂商对变压器的设计不能直接看到变压器内部情况，如果对变压器进行拆解，会损坏变压器，造成经济上的损失，故市面上也出现了较多辨识变压器绕组材料的方法。这其中绝大部分方案由于可行性低，难以在工程上实现广泛应用。为解决该问题，本发明提供了一种基于电流趋肤效应的变压器绕组材质辨识方法，由于该方法可以不改变变压器位置且能在对变压器不造成损耗的情况下进行测试，因此具有较高的工程实用性。
发明内容
本发明针对变压器由于封闭结构造成无法直观辨别绕组材质问题，提出了一种基于高频激励的变压器绕组参数辨识方法。
本发明采用的理论方案如下：
S11.在交变电流的作用下，导体会产生趋肤效应，求出趋肤深度计算公式为：
Figure BDA0003328363880000011
其中，ρ为电阻率(Ω·m)，ω为角频率(rad/s)，μ为磁导率(H/m)，σ为电导率(S/m)；
S12.结合S11，根据电磁场理论得到高频下的电流密度计算函数：
Figure BDA0003328363880000012
其中，Js为导体表面的电流密度，r0为导体截面半径，r为导线截面上的点到中心的距离，J为电流密度，
Figure BDA0003328363880000013
S13.结合S12，高频下趋肤深度较小，认为r0/δh＞＞1，求出化简后的电流密度函数为：
J(r0-δh)＝Jse-1
由此可见，对于不同绕组材质的导体而言，趋肤深度δh的不同会使流过导体的电流密度不同，频率越高，效果越显著。
根据变压器的结构得到变压器一次侧施加电源，二次侧短路情况下的等效电路结构图图2，可见变压器绕组可以等效为一组电感和电阻串联结构，因此可以利用该特点进行变压器绕组材质识别。进一步的，结合图1-4根据上述理论依据，本发明提出了一种基于电流趋肤效应的变压器绕组识别技术的具体实施方案，方案步骤如下：
S21.记录待测变压器的容量信息和测试编号，将变压器二次侧短路，一次侧连接50Hz工频电压源，测量并记录在不同电压下的流过变压器的电压电流值I0和无功功率值Q0，计算变压器接入电路的等效电感：
Figure BDA0003328363880000021
其中，f为50Hz；
S22.根据S21，选取5～10个点测量并计算电感值，剔除异常值后取电感值的平均值，作为基频电感值；
S23.根据S22得到的基频电感值，计算待测频率下的电感值及相应的补偿电容值；
S24.将待测频率下电容补偿器串联至变压器测试回路后，接通电源，测量并记录回路电压，回路电流，回路有功功率。计算得到变压器绕组在高频电流趋肤效应作用下的电阻值。
通过上述方法，可以较为准确的测量变压器绕组在高频电流趋肤效应作用下的电阻值，通过对比测试变压器与标准变压器的电阻参数可以将铝变压器准确区别出来。由于本发明利用测量变压器等效电感会让变压器在高频电压作用下的电容器的谐振补偿更加准确，从而减少了辨别时由于技术方案不完善所带来的的测量误差，提高了基于电流趋肤效应下变压器绕组材质辨别的准确性。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于高频激励的变压器绕组参数辨识方法测试流程图；
图2为变压器基频电感测试回路等效电路图；
图3为经补偿后的变压器绕组高频电阻测试电路图；
图4为50kVA下两台变压器在不同频率下电阻值散点图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案更加清楚，下面结合实例并配合所附图式说明如下。
选取两台50kVA配电变压器，其中一台为铜变，一台为铝变，变压器的部分参数为：
参数 铜变 铝变
型号 S11-M-50/10 S11-M-50/10
容量/kVA 50 50
负载损耗/W 962 869
短路阻抗/％ 3.92 4.28
利用本发明所述步骤进行测试：
1)设定电源频率为50Hz，在10-40V内改变电压值进行测试，以铝绕组变压器为例经过测试并计算得到的数据如下表所示：
电压/V 15 18 20 22 25 28 30 32 平均值
等效电感/mH 248.1 248.7 247.9 249.3 248.6 249.8 247.6 249.2 248.6
以此得到待测铝绕组变压器测试回路等效电感值为248.6mH；
2)对变压器测试回路等效电感进行补偿；
3)测量并计算得到两台变压器在不同频率下的阻值：
频率 铝变 铜变 频率 铝变 铜变
200 36.48 38.26 1200 251.96 168.36
500 75.12 64.95 1300 268.54 177.48
1000 167.28 132.44 1400 307.27 201.05
1100 211.09 148.94 1500 411.12 271.16
根据表中数据和附图可以明显看到铜绕组变压器和铝绕组变压器的绕组电阻值在高频电源作用下由于趋肤深度不同造成导体电阻不同，因此可以很明显地区分出来以铝代铜变压器。由于本方法在等效电感值获取时采用了对待测变压器进行实际测试的方法，因此对具体的一台变压器来讲，使用本发明所述方法将获得更精确的测试结果，从而增加变压器绕组辨识的准确性和可靠性。

Claims (4)

1.一种基于高频激励的变压器绕组参数辨识方法，其特征在于，所述方法包含以下理论依据：
S11.在交变电流的作用下，导体会产生趋肤效应，求出趋肤深度计算公式为：
Figure FDA0003328363870000011
其中，ρ为电阻率(Ω·m)，ω为角频率(rad/s)，μ为磁导率(H/m)，σ为电导率(S/m)；
S12.结合S11，根据电磁场理论得到高频下的电流密度计算函数：
Figure FDA0003328363870000012
其中，Js为导体表面的电流密度，r0为导体截面半径，r为导线截面上的点到中心的距离，J为电流密度，
Figure FDA0003328363870000013
S13.结合S12，高频下趋肤深度较小，认为r0/δh＞＞1，求出化简后的电流密度函数为：
J(r0-δh)＝Jse-1
2.基于权利要求1所述理论依据的变压器绕组识别技术的具体实施方案，其特征在于，包含以下测试步骤：
S21.记录待测变压器的容量信息和测试编号，将变压器二次侧短路，一次侧连接50Hz工频电压源，测量并记录在不同电压下的流过变压器的电压电流值I0和无功功率值Q0，计算变压器接入电路的等效电感：
Figure FDA0003328363870000014
其中，f为50Hz；
S22.根据S21，选取5～10个点测量并计算电感值，剔除异常值后求取电感值的平均值，作为基频电感值；
S23.根据S22得到的基频电感值，计算相应频率下的电感值及相应的补偿电容值；
S24.将待测频率下电容补偿器串联至变压器测试回路后，接通电源，测量并记录回路电压，回路电流，回路有功功率。计算得到变压器绕组在高频电流趋肤效应作用下的电阻值。
3.基于权利要求2的辨别方法，其特征在于：
通过对比待测变压器与标准变压器在高频电流趋肤效应下的绕组电阻参数可以将铝变压器准确区别出来。
4.基于权利要求2的辨别方法，其特征在于：
由于本发明利用测量变压器等效电感会让变压器在高频激励作用下的电容器的谐振补偿更加准确，从而减少了辨别时由于技术方案不完善所带来的测量误差，提高了基于电流趋肤效应下变压器绕组材质辨别的准确性。
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