CN107703368A - 一种变压器深度饱和状态下的电感的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器深度饱和状态下的电感的测量方法，用于解决现有技术中并没有一种可模拟获知变压器在深度饱和状态下的运行状态的方法的技术问题。本发明通过测量变压器空载合闸时的励磁涌流和二次侧端电压，经过数值积分和计算，即可得到变压器的励磁曲线。并且由于励磁涌流范围大，所得的励磁曲线包含了深度饱和状态下的励磁特性，因此可通过对所得的励磁曲线进行线性拟合获得变压器在深度饱和状态运行下的电感，有助于工程运维人员对变压器在深度饱和状态下的运行状态进行研究。

Description

一种变压器深度饱和状态下的电感的测量方法

技术领域

本发明涉及变压器技术领域，尤其涉及一种变压器深度饱和状态下的电感的测量方法。

背景技术

变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯(磁芯)。主要用于：电压变换、电流变换、隔离和稳压等。当初级线圈中通有交流电流时，磁芯中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压(或电流)。其中磁芯的作用主要为形成磁阻很小的耦合磁通的磁路，由于其磁阻很小，能够大大提高变压器的工作效率。

一般情况下，在制造变压器时一般会尽量的利用磁芯导磁率高的特点，不断的提高效率，但是由于磁芯本身的限制，通过的磁通量不会无限增大，而会达到深度饱和状态。当磁芯达到深度饱和，磁通量基本不会有变化，卷绕在磁芯上的线圈，会失去电感或电抗，此时线圈总的电阻趋向零，即使线圈两端的电压不高，也会产生大电流，增加铜耗，甚至会使线圈会烧毁，因此给电路的运行带来负面影响。

因此，为获知变压器在深度饱和状态下的运行状态，对于变压器在深度饱和状态下的运行参数等进行研究有重要的意义。然而，现有技术中并没有一种可模拟获知变压器在深度饱和状态下的运行状态的方法，给对变压器进行进一步研究带来了困难。

发明内容

本发明实施例提供了一种变压器深度饱和状态下的电感的测量方法，解决了现有技术中并没有一种可模拟获知变压器在深度饱和状态下的运行状态的方法的技术问题。

本发明实施例提供的一种变压器深度饱和状态下的电感的测量方法，包括：

搭建变压器空载试验电路，并采用开关对变压器进行空载合闸；

测量并记录变压器空载合闸瞬间的电流波形数据和电压波形数据；

对电压波形数据进行积分获得变压器的磁通量数据；

根据电流波形数据与磁通量数据绘得变压器深度饱和状态下的励磁曲线。

优选地，变压器空载试验电路包括试验电源和变压器；

试验电源用于提供稳定的正弦电压；

开关为过零开关，过零开关设置于试验电源与变压器的一次侧之间，用于在正弦电压的相位为0时控制合闸。

优选地，测量并记录变压器空载合闸瞬间的电流波形数据和电压波形数据包括：

通过电流传感器和电压探头测量变压器空载合闸瞬间的电流和电压，并通过示波器记录获得变压器空载合闸瞬间的电流波形数据和电压波形数据，电流传感器和电压探头均与示波器连接。

优选地，对电压波形数据进行积分获得变压器的磁通量数据包括：

通过梯形积分法对电压波形数据进行积分获得变压器的磁通量数据，磁通量数据为电压波形数据对时间的积分。

优选地，根据电流波形数据与磁通量数据绘得变压器深度饱和状态下的励磁曲线包括：

以电流波形数据为横坐标，并以磁通量数据为纵坐标，绘得变压器深度饱和状态下的励磁曲线。

优选地，采用开关对变压器进行空载合闸之前还包括：

对变压器进行退磁处理。

优选地，对变压器进行退磁处理具体包括：

对变压器二次侧进行开路处理，在变压器一次侧加额定电压，并逐渐降低电压至零。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

通过测量变压器空载合闸时的励磁涌流和二次侧端电压，经过数值积分和计算，即可得到变压器的励磁曲线。并且由于励磁涌流范围大，所得的励磁曲线包含了深度饱和状态下的励磁特性，因此可通过对所得的励磁曲线进行线性拟合获得变压器在深度饱和状态运行下的电感，有助于工程运维人员对变压器在深度饱和状态下的运行状态进行研究。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种变压器深度饱和状态下的电感的测量方法的流程示意图。

图2为本发明实施例提供的一种变压器空载试验电路结构图。

图3为本发明实施例提供的试验变压器的励磁涌流和二次侧端电压的示意图。

图4为本发明实施例提供的示波器记录的试验变压器二次侧端电压波形示意图。

图5为本发明实施例提供的示波器记录的试验变压器励磁涌流波形示意图。

图6为本发明实施例提供的试验变压器的含深度饱和状态的励磁曲线的拟合示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种变压器深度饱和状态下的电感的测量方法，用于解决现有技术中并没有一种可模拟获知变压器在深度饱和状态下的运行状态的方法的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

经本申请发明人研究发现，由于变压器磁芯所用材料通常为硅钢片等铁磁材料，这种材料的磁通密度B和磁场强度H呈非线性关系。在励磁曲线(B-H曲线)上，可以获得变压器运行状态时的参数值，以及铁芯励磁特性等关键信息，有利于对变压器的进一步研究。此外，在研究变压器的暂态过程以及变压器处于深度饱和状态时，建立合适的变压器铁芯深度饱和模型很有必要，而模型的建立需要获取深度饱和电感等具体参数值。

目前，测量励磁曲线的方法是：对同一种铁磁材料，选择不同的磁场强度进行反复磁化，得到一系列大小不同的磁滞回线，将各磁滞回线的顶点连接起来，可以得到基本磁化曲线，即励磁曲线。但是这种方法需要进行多次试验，并且由于电源功率的限制，无法获得变压器进入深度饱和状态时的励磁特性。

此外，变压器深度饱和是变压器最大磁通密度达到了磁芯的深度饱和点，此时磁通密度不再随电流的变化而变化，即此时变压器对电流的变化没有了阻碍作用，电感就等效为一导线，没有了抑制电流的能力。此时线圈总的电阻趋向零，即使线圈两端的电压不高，也会产生大电流，增加铜耗，甚至会使线圈会烧毁，因此给电路的运行带来负面影响。因此，通常在变压器的设计之初都会留有一定的余量，防止变压器深度饱和。由于厂商在设计制造变压器之初会留有一定的余量，使得变压器难以进入深度饱和状态，因此，在提供正常电源的环境下，难以对变压器的深度饱和状态进行真实模拟，并获得变压器在深度饱和运行状态下相应的运行参数。

然而，由于变压器空载合闸瞬间会产生励磁涌流，其幅值通常可以达到变压器额定电流的10-20倍。本申请基于此，通过测量变压器空载合闸时的励磁涌流和二次侧端电压，经过数值积分和计算，即可得到变压器的励磁曲线。并且由于励磁涌流范围大，所得的励磁曲线包含了变压器在深度饱和状态下的励磁特性，因此可通过对所得的励磁曲线进行线性拟合获得变压器在深度饱和状态运行下的电感，为变压器的深入研究提供基础。

请参阅图1，该图为本发明实施例提供的一种变压器深度饱和状态下的电感的测量方法的流程示意图。

本发明实施例提供的一种变压器深度饱和状态下的电感的测量方法包括：

S101、搭建变压器空载试验电路，并采用开关对变压器进行空载合闸；

具体的，可以参阅图2，该图为本发明实施例提供的一种变压器空载试验电路结构图。变压器空载试验电路包括试验电源和变压器，试验电源连接于变压器的一次侧，用于提供稳定的正弦电压；开关为过零开关，过零开关设置于试验电源与变压器的一次侧之间，用于在正弦电压的相位为0时控制合闸。变压器的一次侧还连接有电流传感器，变压器的二次侧连接有电压探头，电流传感器和电压探头均同时连接于示波器上。

需要说明的是，为了减小剩磁对铁芯磁化过程的影响，使测得的励磁涌流更加精确，试验电路连接无误后，采用开关对变压器进行空载合闸前，对变压器进行退磁处理。对变压器进行退磁处理具体可以为：对变压器二次侧进行开路处理，在变压器一次侧加额定电压，并逐渐降低电压至零。

S102、测量并记录变压器空载合闸瞬间的电流波形数据和电压波形数据；

由于电流传感器和电压探头均与示波器连接，可以通过电流传感器和电压探头测量变压器空载合闸瞬间的电流和电压，并通过示波器记录获得变压器空载合闸瞬间的电流波形数据和电压波形数据。其中，可参阅图3，该图为本发明实施例提供的试验变压器的励磁涌流和二次侧端电压的示意图。

S103、对电压波形数据进行积分获得变压器的磁通量数据；

根据法拉第电磁感应定律，可以用梯形积分法得到电压u对时间t的积分，即有磁通量t的取值范围为[t₀,t_m]，其中t₀为示波器记录的正弦电压波第一次处于0相位时对应的时刻，t_m为正弦电压波第一次处于180°相位时对应的时刻。当t＝t_m时，励磁涌流i恰为第一峰值。

S104、根据电流波形数据与磁通量数据绘得变压器深度饱和状态下的励磁曲线。

以励磁涌流i为横坐标，磁通量Φ为纵坐标，得到Φ-i曲线。根据安培定律和法拉第电磁感应定律，B-H曲线与Φ-i曲线具有等价性，因此，所得的曲线即为励磁曲线。由于励磁涌流i范围大，其幅值可以达到变压器额定电流的10-20倍，即所得的励磁曲线中包含了变压器处于深度饱和状态时的励磁特性。对该励磁曲线进行研究，可以获得变压器在深度饱和状态下的运行参数值以及磁芯的励磁特性等信息，为变压器的深入研究提供基础。

S105、对励磁曲线的后半段进行线性拟合，得到斜率值，并将斜率值作为变压器深度饱和状态下的电感。

对Φ-i曲线后半段进行线性拟合，得到斜率k。由于此时变压器处于深度饱和状态，故k的大小就是此试验变压器的深度饱和电感值。

为了便于理解，以下将以一具体应用例对本发明实施例提供的变压器深度饱和状态下的电感的测量方法进行详细的描述。

本应用例中选取了一台额定电压U＝120V，额定电流I＝15A，变比k＝1的试验变压器，利用上述方法测量其含深度饱和状态的励磁曲线。具体步骤如下：

a：搭建该试验变压器的空载试验电路。利用开路退磁的方法，对试验变压器铁芯进行退磁，使变压器铁芯中剩磁基本为0。

b：在示波器上设定触发方式为单次触发，触发电平为30A。设定可记录的波形范围为幅值为250A的电流。

c：设定电源输出正弦电压，且其有效值为120V，频率为60Hz。当电压信号相位为0时，过零开关自动闭合，电压探头和电流传感器获取变压器二次侧端电压和励磁涌流的波形及数据，并由示波器进行记录。可参见图4和图5，图4为本发明实施例提供的示波器记录的试验变压器二次侧端电压波形示意图；图5为本发明实施例提供的示波器记录的试验变压器励磁涌流波形示意图。

d：将二次侧电压数据归算到一次侧，用梯形积分法得到电压u对时间t的积分，即得到磁通量Φ的瞬时数据，根据所记录的数据可知，t₀＝0.30612s，t_m＝0.31344s。

e：以励磁涌流i为横坐标，磁通量Φ为纵坐标，得到Φ-i曲线，由于励磁涌流i峰值达到了变压器额定电流的14倍(210A)，即此Φ-i曲线是包含了变压器深度饱和状态的励磁曲线。其中，励磁涌流最大值为225A，即额定电流的15倍，故曲线后半段表示变压器进入深度饱和状态的励磁特性。

f：对曲线后半段进行拟合，计算得到斜率k＝0.000592，即此次试验得到的深度饱和电感L＝0.592mH。参见图6，该图为本发明实施例提供的试验变压器的含深度饱和状态的励磁曲线的拟合示意图。

以上所述，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：其依然可以对前述各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；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各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种变压器深度饱和状态下的电感的测量方法，其特征在于，包括：

搭建变压器空载试验电路，并采用开关对变压器进行空载合闸；

测量并记录所述变压器空载合闸瞬间的电流波形数据和电压波形数据；

对所述电压波形数据进行积分获得变压器的磁通量数据；

根据所述电流波形数据与所述磁通量数据绘得变压器深度饱和状态下的励磁曲线；

对所述励磁曲线的后半段进行线性拟合，得到斜率值，并将所述斜率值作为所述变压器深度饱和状态下的电感。

2.根据权利要求1所述的变压器深度饱和状态下的电感的测量方法，其特征在于，所述变压器空载试验电路包括试验电源和变压器；

所述试验电源用于提供稳定的正弦电压；

所述开关为过零开关，所述过零开关设置于所述试验电源与所述变压器的一次侧之间，用于在正弦电压的相位为0时控制合闸。

3.根据权利要求1所述的变压器深度饱和状态下的电感的测量方法，其特征在于，所述测量并记录所述变压器空载合闸瞬间的电流波形数据和电压波形数据包括：

通过电流传感器和电压探头测量所述变压器空载合闸瞬间的电流和电压，并通过示波器记录获得所述变压器空载合闸瞬间的电流波形数据和电压波形数据，所述电流传感器和电压探头均与所述示波器连接。

4.根据权利要求1所述的变压器深度饱和状态下的电感的测量方法，其特征在于，所述对所述电压波形数据进行积分获得变压器的磁通量数据包括：

通过梯形积分法对所述电压波形数据进行积分获得变压器的磁通量数据，所述磁通量数据为所述电压波形数据对时间的积分。

5.根据权利要求1所述的变压器深度饱和状态下的电感的测量方法，其特征在于，根据所述电流波形数据与所述磁通量数据绘得变压器深度饱和状态下的励磁曲线包括：

以所述电流波形数据为横坐标，并以所述磁通量数据为纵坐标，绘得变压器深度饱和状态下的励磁曲线。

6.根据权利要求1所述的变压器深度饱和状态下的电感的测量方法，其特征在于，所述采用开关对变压器进行空载合闸之前还包括：

对所述变压器进行退磁处理。

7.根据权利要求6所述的变压器深度饱和状态下的电感的测量方法，其特征在于，对所述变压器进行退磁处理具体包括：

对所述变压器二次侧进行开路处理，在所述变压器一次侧加额定电压，并逐渐降低电压至零。