CN115775668A - 电力变压器能量对冲式消磁方法及模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力变压器能量对冲式消磁方法及模块，其能量对冲式消磁装置包括剩磁检测模块(1)、消磁过程监测模块(2)、容性储能装置(3)、充电装置(4)、正反向消磁控制模块(5)、检测充电电源(6)、直阻测试接入控制模块(7)、控制单元(8)、显示交互单元(9)及供电电源(10)；本发明提供的这种变压器剩磁消磁方法，能够快速消除电力变压器铁芯各种原因形成的剩磁，消磁装置体积小、结构紧凑且使用方便。

Description

电力变压器能量对冲式消磁方法及模块

技术领域

本发明涉及电力变压器能量对冲式消磁方法及模块。

背景技术

电力变压器是电力系统完成电力传输的重要核心设备之一，如果发生突发故障将引起大面积停电，造成严重后果；而变压器的不良投运方式也可能引起电网系统事故。变压器绕组直流电阻测试是变压器状态检修例行试验中必需做的项目，而直流电阻试验必然使变压器铁芯严重饱和而产生剩磁。

变压器存在剩磁，投运时可引发变压器的继电保护装置误动，使变压器的投运失败，励磁涌流对变压器内部铁芯、绕组及结构件造成冲击，大型电力变压器冲击产生的振动还可能使瓦斯继电器误动，对外部冲击也会影响整个电网的稳定性。曾发生过某电站一台变压器空载接进电源产生的励磁涌流，诱发邻近其两个电站正在运行的变压器产生“和应涌流”(sympthetic inrush)而误跳闸，造成大面积停电；很大的励磁涌流会导致变压器及断路器因电动力过大受损；诱发操作过电压，损坏电气设备；励磁涌流中的低频分量导致电流互感器磁路被过度磁化而大幅降低测量精度和继保动作的的正确率；励磁涌流形成的大量谐波对电网电能质量造成严重污染，甚至造成电网电压骤升或骤降，影响其他电气设备正常运行。目前电力变压器消磁方法主要有交流法和直流法。

直流法：根据电磁理论，变压器铁心内存在的剩磁，可以通过正反向通入直流电流，并按一定周期逐渐减小，直到小于某个规定值，即可达到消磁的目的。但常规直流法消磁，如果参数控制不好只能消除20％-50％的剩磁；

而且对大型电力变压器消磁时间很长，一般每相消磁时间可达30-120分钟。

对一台250MVA/500kV及以上大型电力变压器消磁时间长达3小时以上。

工频交流法：在被消磁变压器一侧绕组上(一般为低压侧)施加可调压工频交流电压，另一侧中性点接地。监测被消磁变压器绕组上的电压，逐渐升高电压至50％额定电压，并停留约5分钟，将电压缓慢降至零，再重新缓慢升高电压至100％额定电压，直到完全去磁。工频交流法消磁，因设备庞大非常不适合现场使用。

低频交流法：利用变频器原理，通过降低施加在被消磁变压器绕组上的电源频率，降低消磁电压，提高消磁电流，降低消磁设备功率，消磁时间略有延长，消磁效果好于直流消磁法。通过逐渐降低消磁电压和电流，直至某个设定值。这种消磁方法效果好于直流消磁，但消磁时间较长，需要变频电源，不能确保100％消磁。

发明内容

本发明所要解决的技术问题总的来说是提供电力变压器能量对冲式消磁方法及模块。变压器铁芯是由高导磁率取向硅钢片叠积成的闭合磁路，具有非线性励磁特性，即在不同偏磁下其导磁率和交流磁化曲线工作点是不同的，根据这些特性即可检测其是否存在剩磁：在施加一定的工频电压时，存在剩磁和不存在剩磁由于其交流工作点不同，在同一电压下的励磁电流值不同，一般存在剩磁时励磁电流要大30-45％；当然这与变压器铁心所用硅钢片材料和剩磁大小相关。基于变压器的特性，说明存在剩磁和无剩磁其低电压励磁阻抗不同，绕组电感不同，可以通过测量其阻抗或电感量判断是否存在剩磁。由于存在剩磁和无剩磁其励磁交流工作点不同，因此励磁电流的波形会存在差异，励磁电流的波形上下不对称，由于存在偶次谐波分量，说明铁芯存在剩磁，但在弱剩磁的情况下不明显。剩磁磁化方向在变压器没有激励源的情况下外部检测相对比较困难，通过采用小信号直流源激励绕组，计算正反向激励时间常数检测剩磁方向，也可以通过工频小信号激励源检测波形的对称性确定剩磁方向，对于铁心裸露的变压器，可以采用偏磁传感器直接检测。当然，对于变压器各种试验过程中产生的直流励磁，只要记录最后一次直流励磁的方向即可。

硅钢片具有很小的磁滞回线面积，饱和磁密一般都在17000GS以上，

因此直流磁化后，材料的实际剩磁是很小的，由于变压器是一个闭合磁路，直流励磁使硅钢片内所有的磁畴都同向排列形成闭合，相互牵制，励磁电流消失后大部分不能马上恢复自然状态，这种有序排列将励磁电流产生的能量存储为磁能，形成剩磁。如果将变压器注磁到饱和状态，当励磁电流消失后，其剩余能量大约为总注磁能量的60％-70％。在这种情况下如果再同向励磁，变压器铁芯很快就进入过饱和状态，形成很大的励磁涌流。由于取向硅钢片导磁率很高，很小的直流励磁就会使其进入饱和状态。如果在有剩磁的状态下反向励磁，首先励磁电流产生的反向励磁能量抵消原来的剩磁，再进入反向励磁的饱和状态，形成反向剩磁。这种剩磁实际上是储存在铁心内的一种磁能。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

一种电力变压器能量对冲式消磁方法及模块，能量对冲式消磁装置包括剩磁检测模块、消磁过程监测模块、容性储能装置、充电装置、正反向消磁控制模块、检测充电电源、直阻测试接入控制模块、控制单元、显示交互单元及供电电源。

本发明实施例提供一种电力变压器剩磁消除方法，在本发明中，假设在无剩磁状态下通过直流励磁向变压器铁心注入的能量为E_z，在直流励磁源关闭后，励磁回路释放出的能量为E_f,则变压器铁心内存储的磁能为：E_s＝E_z-E_f公式(1)；

假设直流励磁源采用电流源，在励磁过渡过程中，电流源输出的电压为u(t),电流为i(t),励磁回路直流电阻为R_i,电流源进入稳态时的电流输出为I；则

直流励磁注入的总能量为：

当励磁结束后，电流源切换到放电状态，放电时串入的电阻为R_f,释放的能量为：

则存储在变压器铁心回路内的剩磁能量为：E_s＝E_z-E_f，公式(1)；

在直流注磁后剩磁能量会缓慢消失，但自然消失的时间很长，在未消失状态下，铁心存在的单方向偏磁就会造成较大的合闸冲击电流。

基于上述原理，本发明采用能量对冲式消磁方法，变压器剩磁实际是存在于变压器主磁路内部的剩磁能量，本发明可以根据剩磁能量的大小和剩磁方向，注入一个相反的能量，对冲消除剩磁能量，恢复铁心正常状态。

注入对冲能量可以用一个输出能量可控电源，将按计算好的能量通过变压器绕组以相反方向注入，实现消磁。但这需要精确计算剩磁能量大小和方向。针对各种容量、电压等级和硅钢片材料的变压器铁心，精确计算和检测很难实现。

该方法通过能量对冲衰减振荡，能够快速有效地消除变压器由于直流励磁在铁心上产生的剩磁，比现有直流、交流或低频消磁法消磁效率更高，且

能够彻底消除变压器铁芯剩磁，还可以在未知偏磁方向的前提下消除剩磁，并同时检测消磁效果。

附图说明

图1为本发明的功能框图。

图2为本发明的流程原理图。

具体实施方式

实施例1，如图1-2所示，本发明实施例提供一种电力变压器剩磁消除方法，在本发明中，假设在无剩磁状态下通过直流励磁向变压器铁心注入的能量为E_z，在直流励磁源关闭后，励磁回路释放出的能量为E_f,则变压器铁心

内存储的磁能为：E_s＝E_z-E_f，公式(1)；

假设直流励磁源采用电流源，在励磁过渡过程中，电流源输出的电压为u(t),电流为i(t),励磁回路直流电阻为Ri,电流源进入稳态时的电流输出为I；

则直流励磁注入的总能量为：

当励磁结束后，电流源切换到放电状态，放电时串入的电阻为R_f,释放的能量为：

则存储在变压器铁心回路内的剩磁能量为：E_s＝E_z-E_f，公式(1)；

当直流注磁后剩磁能量会缓慢消失，但自然消失的时间很长，在未消失状态下，铁心存在的单方向偏磁就会造成较大的合闸冲击电流。

基于上述原理，本发明采用能量对冲式消磁方法，变压器剩磁实际是存在于变压器主磁路内部的剩磁能量，本发明可以根据剩磁能量的大小和剩磁方向，注入一个相反的能量，对冲消除剩磁能量，恢复铁心正常状态。

注入对冲能量可以用一个输出能量可控电源，将按计算好的能量通过变压器绕组以相反方向注入实现消磁。但这需要精确计算剩磁能量大小和方向。针对各种容量、电压等级和硅钢片材料的变压器铁心，精确计算和检测很难实现。

为此，本发明采用大容量电容器储能，通过与变压器绕组形成自由衰减振荡，将电容器预先存储的能量，通过变压器绕组注入，对冲铁心内存储的磁能，当电容器存储的能量E_c大于变压器内部存储的磁能E_s时，就可以完全对冲，实现消磁；剩余的能量通过自由振荡形式消耗直至振荡停止，剩磁全部消除。本发明的消磁方法不需要精确计算变压器剩磁能量大小，因为多余能量会通过自由振荡形式正反向衰减励磁直至剩磁消失。另外，如果电容器存储的能量满足反向消磁要求，则可以不考虑剩磁方向，同向注磁时会将剩余能量全部充回电容器，自由振荡下一个周波即可对冲变压器内部剩磁能量。

能量对冲式消磁装置组成如图1所示，包括剩磁检测模块1、消磁过程监测模块2、容性储能装置3、充电装置4、正反向消磁控制模块5、检测充电电源6、直阻测试接入控制模块7、控制单元8、显示交互单元9及供电电源10；

剩磁检测模块1分别电连接消磁过程监测模块模块2、充电装置4、正反向消磁控制模块模块5及检测充电电源6，正反向消磁控制模块模块5电连接容性储能装置3及直阻测试接入控制模块7；检测充电电源6电连接供电电源10；供电电源10、控制单元8、显示交互单元9依次电连接，控制单元8电控制剩磁检测模块1、充电装置4、正反向消磁控制模块模块5及检测充

电电源6；

本发明利用变压器绕组电感特性与电容式储能单元电容特性组成一个自由衰减振荡式回路，通过预先给电容器储能单元充入大于等于变压器剩磁储存的反向能量，接入变压器绕组对冲变压器铁芯剩磁能量，并通过自由衰减振荡消耗掉剩余能量。注入相反能量可以通过电容器反充电实现，也可以通过开关正反接绕组实现，或正反极性及能量分配可控电源实现。

本发明系统实现原理如图2，输出P_o接被消磁变压器绕组，当直流电阻测试产生的剩磁时，输出P_o的对应端子接同一组绕组并且同极性接入。当系统与直流电阻测试仪集成一体测试时，P_i接直流电阻测试仪电流源输出端子，注意极性。电阻R_01～R₀₃用于检测注入和消磁的电压和电流，并通过C_u主控制单元记录注磁和消磁过程数据，计算注磁、自然退磁、对冲振荡消磁的能量，同时在显示单元显示详细数据和波形。继电器K₁为控制直阻电流源输出；继电器K₂为剩磁测量控制继电器；继电器K₄、K₅分别为控制正向消磁和反向消磁；变压器THV是剩磁测量和储能电容器充电共用升压电源；电阻R₁₁～R₁₃为剩磁测量、电容器电压电流采样电阻；K_3,R_c,D_c为电容器储能单元充电电路；M_c为由高压电容器或其它可控储能器件组成的储能单元。C_u对冲振荡消磁控制单元，负责所有信号的采集，励磁、自然退磁、对冲消磁、剩磁等相关参数计算，并按逻辑实现各路开关的控制，同时将参数和曲线输出显示单元。D_u显示交互单元，负责所有信号、曲线、状态的显示。

消磁过程：首先，输入变压器容量等相关参数；然后，进行消磁处理，

执行一个消磁循环；其次，根据剩磁能量计算储能电容器充电电压，对储能电容器充电；再次，切断充电电源，同时，根据选择的消磁方向控制开关K₄

或K₅闭合，控制单元实时采集对冲消磁过程的电压和电流，并在显示单元显示参数、绘制曲线；之后，通过检测振荡消磁电压和电流，确定消磁结束后，自动断开消磁回路开关；再次，按第二次剩磁测量所加相同测试电压，测试消磁后的剩磁量并给出显示；再往后，正常情况下一个消磁循环结束。如果发现消磁不理想，可根据最后剩磁评估数据，调整充电电压加大或减小对冲消磁能量，以取得最佳消磁效果。

其中，根据变压器剩磁或根据直流电阻测试注磁计算对冲消磁能量大

小，然后，确定电容器充电量和充电电压；

其中，消磁前后剩磁测量采用AC10-3000V工频或异频交流电压测量空载电流确定剩磁大小，对一个特定绕组，其测量选择同一电压测量空载电流进行比较。

其中，测量剩磁，其励磁电源可以与电容器充电电源共用也可相互独立。

本发明的消磁方法，可以提供直流电阻测试仪连接接口或两者集成在一个装置上。

本发明的动作逻辑关系：1，直租测量：K1闭合，K2-K5断开,2，空载电流、阻抗、电感测量：K2闭合，K1,K3,K4,K5断开；3，正向消磁：K3闭合电容充电，K4闭合，其余断开；4，反向消磁：K3闭合电容充电，K5闭合，其余断开；5，过流保护：充电过流断开K3；6，测量过流：断开

K2；7，消磁过流：断开K4,K5；8，励磁消磁U,I波形采集0-2分钟；9，

空载、充电电压、电流采样。

本发明充分描述是为了更加清楚的公开，而对于现有技术就不再一一列举。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者

对其中部分技术特征进行等同替换；作为本领域技术人员对本发明的多个技术方案进行组合是显而易见的。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种电力变压器能量对冲式消磁方法，其特征在于：针对电力变压器，直流励磁源采用电流源，在励磁过渡过程中，电流源输出的电压为u(t),电流为i(t),励磁回路直流电阻为Ri,电流源进入稳态时的电流输出为I；则直流励磁注入的总能量为，

当励磁结束后，电流源切换到放电状态，放电时串入的电阻为R_f,释放的能量为：

则存储在变压器铁心回路内的剩磁能量为：E_s＝E_z-E_f，公式(1)；假设在无剩磁状态下通过直流励磁向变压器铁心注入的能量为E_z，在直流励磁源关闭后，励磁回路释放出的能量为E_f；

消磁方法；

S1，输入变压器容量、高低压侧电压，估算变压器铁芯容量和励磁电流参数；

S2，利用交流激励电源，测量变压器空载励磁电流和阻抗；

S3，进行消磁处理，执行第一消磁循环；

首先，根据变压器的剩磁能量或变压器容量估计的铁芯容量，计算储能电容器最佳充电电压，电容器的总容量为C_s：

对储能电容器进行充电；然后，切断充电电源，同时，通过控制开关K₄或K₅选择消磁方向，控制单元实时采集对冲消磁过程的电压和电流，并在显示单元显示参数、绘制曲线；之后，通过检测振荡消磁电压和电流，确定消磁结束后，自动断开消磁回路开关；

S4，执行第二次剩磁测量，用与第一次相同测试电压和频率测试消磁后的空载电流和阻抗，并计算消磁前后空载电流和阻抗，估算消磁后的铁芯剩磁，并给出显示；在一个消磁循环结束，若消磁不符合设定要求，根据最后剩磁评估数据，调整储能电容充电电压，加大或减小对冲消磁能量，执行下一个消磁循环。

2.根据权利要求1所述的电力变压器能量对冲式消磁方法，其特征在于：其中，根据变压器剩磁或直流电阻测试注磁计算对冲消磁能量大小，确定电容储能装置的充电能量和充电电压；电容储能装置用容量电容器组；

其中，消磁前后剩磁测量采用空载电流、阻抗两参数消磁前后对比法，空载电流和阻抗采用AC 10-3000V工频或异频交流电压测量，变压器消磁前后参数的变化量作为计算剩磁量的依据，对一个特定绕组，消磁前后测量选择同一电压和频率测量空载电流和阻抗进行比较；

在步骤S3中，选与变压器剩磁的原注磁方向相反为初始方向。

3.根据权利要求2所述的电力变压器能量对冲式消磁方法，其特征在于：其测量剩磁的励磁电源与电容器充电电源共用或相互独立。

4.根据权利要求2所述的电力变压器能量对冲式消磁方法，其特征在于：本发明的消磁方法集成在直流电阻测试仪内部或作为独立的电力变压器消磁装置。

5.一种电力变压器能量对冲式消磁装置，其特征在于：采用能量对冲式消磁方法研制的电力变压器剩磁消磁装置，其特征在于：能量对冲式消磁装置包括剩磁检测模块(1)、消磁过程监测模块(2)、容性储能装置(3)、充电装置(4)、正反向消磁控制模块(5)、检测充电电源(6)、直阻测试接入控制模块(7)、控制单元(8)、显示交互单元(9)及供电电源(10)；

剩磁检测模块(1)分别电连接消磁过程监测模块模块(2)、充电装置(4)、正反向消磁控制模块模块(5)及检测充电电源(6)，正反向消磁控制模块模块(5)电连接容性储能装置(3)及直阻测试接入控制模块(7)；检测充电电源(6)电连接供电电源(10)；供电电源(10)、控制单元(8)、显示交互单元(9)依次电连接，控制单元(8)电控制剩磁检测模块(1)、充电装置(4)、正反向消磁控制模块模块(5)及检测充电电源(6)。

6.根据权利要求5所述的电力变压器能量对冲式消磁装置，其特征在于：根据剩磁能量的大小和剩磁方向，注入与一个剩磁相反的对冲能量，对冲消除剩磁能量，恢复铁心正常状态；

对冲能量，可控电源按设置的对冲能量，通过变压器绕组以相反方向注入变压器实现消磁，并将多余能量以振荡形式消耗在回路中；

可控电源采用电容器储能，通过与变压器绕组形成自由衰减振荡，将电容器预先存储的能量，通过变压器绕组注入，对冲铁心内存储的磁能，当电容器存储的能量E_c大于变压器内部存储的磁能E_s时，进行对冲，实现消磁；当电容器存储的能量满足反向消磁要求，进行正向注磁和/或同向注磁；当同向注磁时，将剩余能量全部充回电容器，电容器在自由振荡的下一个周波对冲变压器内部剩磁能量。

7.根据权利要求5所述的电力变压器能量对冲式消磁装置，其特征在于：在所述电力变压器能量对冲式消磁装置中，供电电源(10)包括接入AC220V的可调电源Preg，可调电源Preg输出端接入变压器THV输入；在变压器THV的输出端分两路，一路接测量用分压电阻R12、R13后接变压器THV另一输出端，二路通过电阻R11接并联的继电器K2、K3的常开开关；继电器K2的常开开关输出端，一路输出端Po接被消磁变压器绕组，二路输入端Pi

通过继电器K2的常开开关接直流电阻测试仪电流源输出端子；三路接并联的继电器K4、K5的常开开关；在一路输出端Po设置有测量输出电压的分压电阻R02、R03，一路输出端Po的-P_out接有电阻R01；励磁消磁U,I波形采集电路，采集电阻R01-R03的对应端点的电信号，并反馈给控制单元(8)；储能电容分别接继电器K3-K5的常开开关，串联的电阻Rc、二极管Dc组成单向电路，储能电容的正极，一路接单向电路的输出端，二路通过继电器K4的常开开关接入一路输出端Po的+P_out及二路输入端Pi的+P_in，三路接入一路输出端Po的-P_out及二路输入端Pi的-P_in；储能电容的负极，分别接继电器K3-K5的常开开关；

继电器K3通过单向电路接继电器K4、K5的常开开关；电流采样电路，采集电阻R11-R13的对应端点的电流信号，并反馈给控制单元(8)；可调电源Preg给控制单元(8)及显示交互单元(9)供电，控制单元(8)的输入端电连接有高压电压电流Hvi及输出电压电流Ovi、输出端接继电器K1-K5；电阻R01-R03用于检测注入和消磁的电压和电流，并通过储能电容C_u的主控制单元记录注磁和消磁过程数据，计算注磁、自然退磁、对冲振荡消磁的能量，同时在显示单元显示详细数据和波形；继电器K1为控制直阻电流源输出；

继电器K2为剩磁测量控制继电器；继电器K4、K5分别为控制正向消磁和反向消磁；变压器THV是剩磁测量和储能电容器充电共用升压电源；电阻R11-R13为剩磁测量、电容器电压电流采样电阻；K3,Rc,Dc为电容器储能单元充电电路；对冲振荡消磁控制单元C_u，负责所有信号的采集，励磁、自然退磁、对冲消磁、剩磁参数计算，并按逻辑实现各路开关的控制，同时将参数和曲线输出显示单元。D_u显示交互单元，负责所有信号、曲线、状态的显示。

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