CN116106694A - 一种谐波环境下车载牵引变压器绕组绕制结构的评估方法 - Google Patents

一种谐波环境下车载牵引变压器绕组绕制结构的评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种谐波环境下车载牵引变压器绕组绕制结构的评估方法，包括以下步骤：首先搭建车载牵引变压器绕组绕制结构评估实验平台，根据实验平台获取变压器绕组额定运行下的工作温度、湿度和电压，然后根据实验测出车载牵引变压器绕组的漏磁感应强度、绕组的谐波电流、霍尔传感器的间距来获取电磁融合因子，然后测出绕组的温度和绕组受到的谐波电动力得到温度和压力影响因子，进而由三个因子得到车载牵引变压器绕组绕制结构的综合评估系数，最终评估出绕组绕制结构的合理性。本发明根据实际运行状况，可准确评估车载牵引变压器绕组绕制结构的合理性，为车载牵引变压器绕组绕制结构的选用与评估提供依据。

Description

一种谐波环境下车载牵引变压器绕组绕制结构的评估方法
技术领域
本发明属于电气绝缘监测与故障诊断领域，具体涉及一种谐波环境下车载牵引变压器绕组绕制结构的评估方法。
技术背景
变压器是电力系统中至关重要的电力设备，同样车载牵引变压器是动车组的核心设备。变压器主要依靠电磁感应原理进行工作，主要由铁芯和绕组组成。绕组是变压器变换电压的电路部分，绕组的电气性能和机械性能直接影响变压器的性能。绕组一般缠绕在铁芯周围，绕组的型式大体上分为层式绕组和饼式绕组两种。一般绕组结构依据变压器的容量大小来选择。绕组的绕制结构不同在一定程度上影响绕组的稳定能力和抗短路能力。随着非线性负荷的逐渐增长以及电力电子技术的成熟和大规模应用，电网的谐波问题日益突出，变压器长期在谐波环境下运行会增加损耗产生大量热量。长时间在谐波环境下运行会使得变压器绝缘老化加速，变压器寿命降低，同时可能由于绝缘层遭受破坏引发安全事故，而绕组绕制结构不同可以一定程度上减小这种影响。而目前没有较为简便并且准确的评估方法来评估基于谐波环境下车载牵引变压器绕组绕制结构是否合理。所以讨论在谐波环境下，评估车载牵引变压器绕组绕制结构的合理性至关重要。因此，急需一种谐波环境下车载牵引变压器绕组绕制结构的评估方法。
发明内容
针对以上技术问题，本发明的目的是提出一种谐波环境下车载牵引变压器绕组绕制结构的评估方法，能够很好的评估车载牵引变压器绕组绕制结构的合理性。
实现本发明的技术方案如下：
第一步：搭建车载牵引变压器绕组绕制结构评估实验平台
车载牵引变压器绕组绕制结构评估实验平台包括：轴向霍尔传感器(1)、辐向霍尔传感器(2)、磁场控制器(3)、温度控制器(4)、外侧温度传感器(5)、绕组温度传感器(6)、车载牵引变压器测试绕组(7)、左侧轴向压力传感器(8)、右侧轴向压力传感器(9)、上侧辐向压力传感器(10)、下侧辐向压力传感器(11)、电源发生装置(12)、谐波发生器(13)、交流电流表(14)、终端控制设备(15)、湿度控制器(16)、湿度传感器(17)、实验空间(18)，其中：
终端控制设备(15)直接与电源发生装置(12)、湿度控制器(16)和温度控制器(4)相连，为减小实验误差每次实验前都通过湿度控制器(16)和温度控制器(4)控制环境的湿度和温度，环境温湿度由外侧温度传感器(5)和湿度传感器(17)分别来测量。终端控制设备(15)通过控制电源发生装置(12)调节谐波发生器(13)的输入电压，从而得到梯度变化的谐波电压。模拟实验在实验空间(18)中进行。交流电流表(14)测出谐波电流的有效值。车载牵引变压器测试绕组(7)周围放置轴向霍尔传感器(1)、辐向霍尔传感器(2)、绕组温度传感器(6)、左侧轴向压力传感器(8)、右侧轴向压力传感器(9)、上侧辐向压力传感器(10)、下侧辐向压力传感器(11)、湿度传感器(17)，分别用于测量车载牵引变压器测试绕组(7)在通入谐波电流后的轴向漏磁场强度、辐向漏磁场强度、绕组温度、左侧轴向压力、右侧轴向压力、上侧辐向压力、下侧辐向压力和环境湿度等物理量。将得到的数据代入计算公式得到综合评估系数；
第二步：根据实验平台获取变压器绕组运行参数
车载牵引变压器测试绕组(7)额定工作情况下的工作温度为Tnorm，单位为K；额定电压为UN，单位为V；首先通过终端控制设备(15)控制湿度控制器(16)调节实验空间(18)内部的湿度为RH，单位为Rh％；已知变压器额定电压为UN，通过谐波发生器(13)设置一系列递增的谐波电压，电压为Ui(i＝1,2…10)，取U1＝0.5UN,U10＝5UN，中间的电压梯度差为0.5UN，一共10组实验，每一组实验谐波电压加在车载牵引变压器测试绕组(7)上保持30s，然后通过轴向霍尔传感器(1)和辐向霍尔传感器(2)测得的波形分别计算出车载牵引变压器测试绕组(7)的轴向漏磁场强度Bax和辐向磁场强度Bra，单位为mT；其中轴向霍尔传感器(1)和辐向霍尔传感器(2)的水平距离为L1，垂直距离为L2，单位为cm；再通过交流电流表(14)测出车载牵引变压器测试绕组(7)流过的谐波电流大小Iw，单位为A；再通过左侧轴向压力传感器(8)、右侧轴向压力传感器(9)测得的值取平均值获取车载牵引变压器测试绕组(7)的轴向压力Fax，单位为N；通过上侧辐向压力传感器(10)、下侧辐向压力传感器(11)测得的值取平均值获取车载牵引变压器测试绕组(7)的辐向压力Fra，单位为N；最后通过绕组温度传感器(6)得到车载牵引变压器测试绕组(7)的温度Tav，单位为K；执行完一次完整实验后重新通过终端控制设备(15)控制温度控制器(4)和湿度控制器(16)调节实验环境的温度和湿度为额定值，一共循环完成10组实验为结束；
第三步：计算电磁融合因子，温度和压力影响因子
基于第二步测得的实验数据Baxi、Brai、Iwi(i＝1…10)，L1、L2，通过公式(1)计算得出电磁融合因子
Figure BDA0003956583570000021
为：
Figure BDA0003956583570000031
测得车载牵引变压器测试绕组(7)的温度为Tavi(i＝1…10)，其中最低温度为Tmin，最高温度为Tmax，通过公式(2)计算温度影响因子
Figure BDA0003956583570000032
为：
Figure BDA0003956583570000033
测得车载牵引变压器测试绕组(7)的轴向力和辐向力分别为Faxi、Frai(i＝1…10)，其中Fmin和Fmax分别为所有数据中最小力和最大力，通过公式(3)计算压力影响因子
Figure BDA0003956583570000034
为：
Figure BDA0003956583570000035
第四步：获取绕组绕制结构综合评估系数
根据公式(4)计算出绕组绕制结构综合评估系数η为：
Figure BDA0003956583570000036
第五步：评估绕组绕制结构的合理性
根据第四步计算得出的综合评估系数η可以评估该绕组绕制结构的合理性，若η≤0.8，则表明该绕组的绕制结构合理，可以一定程度运行在谐波环境下；若η＞0.8，则表明该绕组的绕制结构不合理，应及时改变绕组的绕制结构。
本发明的有益效果在于，一种谐波环境下车载牵引变压器绕组绕制结构的评估方法具有以下优点：综合考虑轴向漏磁场强度、辐向漏磁场强度、谐波电流、绕组轴向谐波电动力、辐向谐波电动力和绕组温度对车载牵引变压器绕组绕制结构的影响，此方法可准确计算出绕组绕制结构综合评估系数，为评估车载牵引变压器绕组绕制结构的合理性提供了一条有效途径。
附图说明
图1表示的是一种车载牵引变压器绕组绕制结构合理性的测试平台。
图2表示的是一种车载牵引变压器绕组绕制结构合理性的评估流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施过程对本发明进行进一步说明。需要强调的是，此处所描述的具体实施案例仅仅用于解释本发明，并不限定本发明构思及其权利要求之范围。
第一步：搭建车载牵引变压器绕组绕制结构评估实验平台
车载牵引变压器绕组绕制结构评估实验平台包括：轴向霍尔传感器(1)、辐向霍尔传感器(2)、磁场控制器(3)、温度控制器(4)、外侧温度传感器(5)、绕组温度传感器(6)、车载牵引变压器测试绕组(7)、左侧轴向压力传感器(8)、右侧轴向压力传感器(9)、上侧辐向压力传感器(10)、下侧辐向压力传感器(11)、电源发生装置(12)、谐波发生器(13)、交流电流表(14)、终端控制设备(15)、湿度控制器(16)、湿度传感器(17)、实验空间(18)，其中：
终端控制设备(15)直接与电源发生装置(12)、湿度控制器(16)和温度控制器(4)相连，为减小实验误差每次实验前都通过湿度控制器(16)和温度控制器(4)控制环境的湿度和温度，环境温湿度由外侧温度传感器(5)和湿度传感器(17)分别来测量。终端控制设备(15)通过控制电源发生装置(12)调节谐波发生器(13)的输入电压，从而得到梯度变化的谐波电压。模拟实验在实验空间(18)中进行。交流电流表(14)测出谐波电流的有效值。车载牵引变压器测试绕组(7)周围放置轴向霍尔传感器(1)、辐向霍尔传感器(2)、绕组温度传感器(6)、左侧轴向压力传感器(8)、右侧轴向压力传感器(9)、上侧辐向压力传感器(10)、下侧辐向压力传感器(11)、湿度传感器(17)，分别用于测量车载牵引变压器测试绕组(7)在通入谐波电流后的轴向漏磁场强度、辐向漏磁场强度、绕组温度、左侧轴向压力、右侧轴向压力、上侧辐向压力、下侧辐向压力和环境湿度等物理量。将得到的数据代入计算公式得到综合评估系数；
第二步：根据实验平台获取变压器绕组运行参数
车载牵引变压器测试绕组(7)额定工作情况下的工作温度为Tnorm，其值为363.81K；额定电压为UN，其值为18.5kV；首先通过终端控制设备(15)控制湿度控制器(16)调节实验空间(18)内部的湿度为RH，其值为65％；已知变压器额定电压为UN，通过谐波发生器(13)设置一系列递增的谐波电压，电压为Ui(i＝1,2…10)，取U1＝0.5UN,U10＝5UN，中间的电压梯度差为0.5UN，一共10组实验，每一组实验谐波电压加在车载牵引变压器测试绕组(7)上保持30s，然后通过轴向霍尔传感器(1)和辐向霍尔传感器(2)测得的波形分别计算出车载牵引变压器测试绕组(7)的轴向漏磁场强度Bax和辐向磁场强度Bra，单位为mT；其中轴向霍尔传感器(1)和辐向霍尔传感器(2)的水平距离L1为30cm，垂直距离L2为12cm；再通过交流电流表(14)测出车载牵引变压器测试绕组(7)流过的谐波电流大小Iw，第一组实验值为120.51A；再通过左侧轴向压力传感器(8)、右侧轴向压力传感器(9)测得的值取平均值获取车载牵引变压器测试绕组(7)的轴向压力Fax，单位为N；通过上侧辐向压力传感器(10)、下侧辐向压力传感器(11)测得的值取平均值获取车载牵引变压器测试绕组(7)的辐向压力Fra，单位为N；最后通过绕组温度传感器(6)得到车载牵引变压器测试绕组(7)的温度Tav，单位为K；执行完一次完整实验后重新通过终端控制设备(15)控制温度控制器(4)和湿度控制器(16)调节实验环境的温度和湿度为额定值，一共循环完成10组实验为结束；
第三步：计算电磁融合因子，温度和压力影响因子
基于第二步测得的实验数据Baxi、Brai、Iwi(i＝1…10)，L1、L2，通过公式(1)计算得出电磁融合因子
Figure BDA0003956583570000051
为：
Figure BDA0003956583570000052
测得车载牵引变压器测试绕组(7)的温度为Tavi(i＝1…10)，其中最低温度为Tmin，最高温度为Tmax，通过公式(2)计算温度影响因子
Figure BDA0003956583570000053
为：
Figure BDA0003956583570000054
测得车载牵引变压器测试绕组(7)的轴向力和辐向力分别为Faxi、Frai(i＝1…10)，其中Fmin和Fmax分别为所有数据中最小力和最大力，通过公式(3)计算压力影响因子
Figure BDA0003956583570000055
为：
Figure BDA0003956583570000056
第四步：获取绕组绕制结构综合评估系数
根据公式(4)计算出绕组绕制结构综合评估系数η为：
Figure BDA0003956583570000061
第五步：评估绕组绕制结构的合理性
根据第四步计算得出的综合评估系数η为0.73，故该绕组的绕制结构合理，可以一定程度运行在谐波环境下。

Claims (1)

1.一种谐波环境下车载牵引变压器绕组绕制结构的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：搭建车载牵引变压器绕组绕制结构评估实验平台；
第二步：根据实验平台获取变压器绕组运行参数；
第三步：计算电磁融合因子，温度和压力影响因子；
第四步：获取绕组绕制结构综合评估系数；
第五步：评估绕组绕制结构的合理性；
所述第一步的具体过程为：
车载牵引变压器绕组绕制结构评估实验平台包括：轴向霍尔传感器(1)、辐向霍尔传感器(2)、磁场控制器(3)、温度控制器(4)、外侧温度传感器(5)、绕组温度传感器(6)、车载牵引变压器测试绕组(7)、左侧轴向压力传感器(8)、右侧轴向压力传感器(9)、上侧辐向压力传感器(10)、下侧辐向压力传感器(11)、电源发生装置(12)、谐波发生器(13)、交流电流表(14)、终端控制设备(15)、湿度控制器(16)、湿度传感器(17)、实验空间(18)，其中：
终端控制设备(15)直接与电源发生装置(12)、湿度控制器(16)和温度控制器(4)相连，为减小实验误差每次实验前都通过湿度控制器(16)和温度控制器(4)控制环境的湿度和温度，环境温湿度由外侧温度传感器(5)和湿度传感器(17)分别来测量。终端控制设备(15)通过控制电源发生装置(12)调节谐波发生器(13)的输入电压，从而得到梯度变化的谐波电压。模拟实验在实验空间(18)中进行。交流电流表(14)测出谐波电流的有效值。车载牵引变压器测试绕组(7)周围放置轴向霍尔传感器(1)、辐向霍尔传感器(2)、绕组温度传感器(6)、左侧轴向压力传感器(8)、右侧轴向压力传感器(9)、上侧辐向压力传感器(10)、下侧辐向压力传感器(11)、湿度传感器(17)，分别用于测量车载牵引变压器测试绕组(7)在通入谐波电流后的轴向漏磁场强度、辐向漏磁场强度、绕组温度、左侧轴向压力、右侧轴向压力、上侧辐向压力、下侧辐向压力和环境湿度等物理量。将得到的数据代入计算公式得到综合评估系数；
所述第二步的具体过程为：
车载牵引变压器测试绕组(7)额定工作情况下的工作温度为Tnorm，单位为K；额定电压为UN，单位为V；首先通过终端控制设备(15)控制湿度控制器(16)调节实验空间(18)内部的湿度为RH，单位为Rh％；已知变压器额定电压为UN，通过谐波发生器(13)设置一系列递增的谐波电压，电压为Ui(i＝1,2…10)，取U1＝0.5UN,U10＝5UN，中间的电压梯度差为0.5UN，一共10组实验，每一组实验谐波电压加在车载牵引变压器测试绕组(7)上保持30s，然后通过轴向霍尔传感器(1)和辐向霍尔传感器(2)测得的波形分别计算出车载牵引变压器测试绕组(7)的轴向漏磁场强度Bax和辐向磁场强度Bra，单位为mT；其中轴向霍尔传感器(1)和辐向霍尔传感器(2)的水平距离为L1，垂直距离为L2，单位为cm；再通过交流电流表(14)测出车载牵引变压器测试绕组(7)流过的谐波电流大小Iw，单位为A；再通过左侧轴向压力传感器(8)、右侧轴向压力传感器(9)测得的值取平均值获取车载牵引变压器测试绕组(7)的轴向压力Fax，单位为N；通过上侧辐向压力传感器(10)、下侧辐向压力传感器(11)测得的值取平均值获取车载牵引变压器测试绕组(7)的辐向压力Fra，单位为N；最后通过绕组温度传感器(6)得到车载牵引变压器测试绕组(7)的温度Tav，单位为K；执行完一次完整实验后重新通过终端控制设备(15)控制温度控制器(4)和湿度控制器(16)调节实验环境的温度和湿度为额定值，一共循环完成10组实验为结束；
所述第三步的具体过程为：
基于第二步测得的实验数据Baxi、Brai、Iwi(i＝1…10)，L1、L2，通过公式(1)计算得出电磁融合因子
Figure FDA0003956583560000021
为：
Figure FDA0003956583560000022
测得车载牵引变压器测试绕组(7)的温度为Tavi(i＝1…10)，其中最低温度为Tmin，最高温度为Tmax，通过公式(2)计算温度影响因子
Figure FDA0003956583560000023
为：
Figure FDA0003956583560000024
测得车载牵引变压器测试绕组(7)的轴向力和辐向力分别为Faxi、Frai(i＝1…10)，其中Fmin和Fmax分别为所有数据中最小力和最大力，通过公式(3)计算压力影响因子
Figure FDA0003956583560000025
为：
Figure FDA0003956583560000026
所述第四步的具体过程为：
根据公式(4)计算出绕组绕制结构综合评估系数η为：
Figure FDA0003956583560000031
所述第五步的具体过程为：
根据第四步计算得出的综合评估系数η可以评估该绕组绕制结构的合理性，若η≤0.85，则表明该绕组的绕制结构合理，可以一定程度运行在谐波环境下；若η＞0.85，则表明该绕组的绕制结构不合理，应及时改变绕组的绕制结构。
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