本文關(guān)鍵詞：變壓器鐵心剩磁預(yù)測(cè)研究

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【摘要】：變壓器合閘時(shí),因?yàn)殍F心剩磁及合閘偏磁的共同作用,使鐵心半周飽和,進(jìn)而導(dǎo)致勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生,其幅值可達(dá)變壓器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流的6～8倍甚至更多,并會(huì)對(duì)繼電保護(hù)裝置以及一次設(shè)備產(chǎn)生諸多不利的影響。目前,最為有效的勵(lì)磁涌流抑制手段為選相合閘技術(shù),根據(jù)分閘后的剩磁數(shù)值計(jì)算得到合適的通電角度,以使得合閘偏磁與剩磁大小相等、方向相反。因此,針對(duì)剩磁的測(cè)量、計(jì)算、預(yù)測(cè)和抑制變得十分必要,且具有重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值。本文圍繞變壓器剩磁展開研究,主要的研究?jī)?nèi)容如下:1.截流過電壓和電流的基本估算方法及其對(duì)磁滯回線的影響斷路器在開斷小感性電流時(shí),往往由于其本身的開斷能力,導(dǎo)致流經(jīng)變壓器一次側(cè)的電流在未過零時(shí)提前關(guān)斷。在變壓器繞組對(duì)地電容、斷路器等效電容的影響下,電容中儲(chǔ)存的電場(chǎng)能與變壓器中儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能之間相互轉(zhuǎn)換,進(jìn)而在變壓器端部形成過電壓和電流,影響變壓器分閘后的磁滯回線,使得剩磁數(shù)值發(fā)生改變。為此,本文建立單相變壓器空載等效模型,基于拉普拉斯變換方法和回路電流方法得到截流過電壓和電流的基本估算方法。根據(jù)實(shí)際變壓器參數(shù)的標(biāo)幺值范圍,確定本文中變壓器模型參數(shù)的標(biāo)么值,利用MATLAB/Simulink仿真模型。驗(yàn)證該估算方法的正確性。此外,研究不同電容標(biāo)么值、變壓器模型參數(shù)標(biāo)幺值和截流時(shí)刻對(duì)截流過電壓倍數(shù)、阻尼振蕩角頻率和衰減系數(shù)的影響。進(jìn)一步利用截流過電壓和電流的基本估算方法,結(jié)合實(shí)測(cè)的磁通波形,研究變壓器截流后鐵心中磁通密度的變化情況,研究發(fā)現(xiàn):鐵心中除了存在衰減的交流磁通密度分量之外,還包含一定的直流磁通密度分量;過電壓情況下的頻率遠(yuǎn)大于電源正常的工作頻率,且頻率隨時(shí)間發(fā)生改變;磁通密度的衰減導(dǎo)致局部磁滯回線的存在。從變壓器截流后的外部激勵(lì)條件可以看出,截流過電壓下的鐵心磁場(chǎng)情況較為復(fù)雜,為了能夠準(zhǔn)確計(jì)算剩磁,鐵心磁滯模型的精確與否尤為重要。建立的鐵心磁滯模型需要具有如下特點(diǎn):能夠準(zhǔn)確表達(dá)磁滯現(xiàn)象;能夠反映局部磁滯回線;考慮與頻率相關(guān)的動(dòng)態(tài)損耗:渦流損耗和異常損耗;計(jì)算交直流磁通密度下的磁滯回線。2.基于Jiles Atherton(JA)磁滯理論的鐵心動(dòng)態(tài)磁滯模型的建立JA靜態(tài)鐵心磁滯理論廣泛應(yīng)用于鐵心磁滯建模領(lǐng)域,該模型具有參數(shù)少、物理含義明晰等特點(diǎn)。但原始的JA磁滯理論不能準(zhǔn)確反映局部磁滯回線、動(dòng)態(tài)損耗和直流磁通密度。針對(duì)上述問題,本文基于JA磁滯理論,建立鐵心動(dòng)態(tài)磁滯模型。重新推導(dǎo)以磁通密度B為輸入變量的JA靜態(tài)鐵心磁滯模型,并分析模型求解方法、模型參數(shù)范圍及其對(duì)磁滯回線的影響和模型參數(shù)辨識(shí)方法�？紤]到模型參數(shù)辨識(shí)較為困難,提出一種蛙跳模糊算法。為了防止蛙跳算法陷入局部最優(yōu)解并加快收斂速度,根據(jù)特殊點(diǎn)(矯頑力、矯頑力點(diǎn)磁化率)處實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的相對(duì)誤差,采用模糊控制方法,得到動(dòng)態(tài)反饋系數(shù),修正蛙跳算法的步長(zhǎng)。通過模糊控制,將JA模型的解析性質(zhì)與蛙跳算法有機(jī)融合。采用蛙跳模糊算法、蛙跳算法、粒子群算法和遺傳算法分別求解模型參數(shù),并將計(jì)算的磁滯回線與實(shí)測(cè)磁滯回線進(jìn)行比較,證明了提出的蛙跳模糊算法不易陷入局部最優(yōu)解且具有更快的收斂速度�；谕芴：惴ǖ玫降牟煌磐芏认履Ｐ蛥�(shù)辨識(shí)結(jié)果,研究模型參數(shù)與磁通密度的關(guān)系,得到不同磁通密度下的局部磁滯回線參數(shù)擬合模型�；贘A靜態(tài)鐵心磁滯模型,依據(jù)鐵心損耗分離理論,在無直流磁通密度下建立考慮渦流損耗與異常損耗的鐵心動(dòng)態(tài)磁滯模型,對(duì)鐵心動(dòng)態(tài)磁滯模型中參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。利用變壓器合閘瞬間的偏磁,設(shè)計(jì)帶數(shù)字反饋的逆變電源,采用愛潑斯坦方圈搭建交直流磁通密度實(shí)驗(yàn)平臺(tái),建立鐵心磁性能測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)在不通入直流電流的情況下,使得第一個(gè)周波的直流磁通密度準(zhǔn)確、可控,這是本文實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)。此外,該系統(tǒng)也可測(cè)量無直流磁通密度下的磁滯回線。在實(shí)測(cè)不同交直流磁通密度下磁滯回線的基礎(chǔ)上,獲得了鐵心動(dòng)態(tài)磁滯模型參數(shù)辨識(shí)結(jié)果,并對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證。分析直流磁通密度對(duì)模型參數(shù)的影響,可以得到:JA靜態(tài)磁滯模型參數(shù)僅與交流磁通密度有關(guān),而動(dòng)態(tài)損耗系數(shù)受直流磁通密度和交流磁通密度的共同影響。因此,通過對(duì)不同直流磁通密度和交流磁通密度下動(dòng)態(tài)損耗系數(shù)進(jìn)行擬合,以修正鐵心動(dòng)態(tài)磁滯模型參數(shù),可得到基于鐵心動(dòng)態(tài)磁滯模型的直流偏磁下(存在直流磁通密度)鐵心損耗預(yù)測(cè)方法。通過算例的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了該預(yù)測(cè)方法的正確性。建立直流偏磁下(存在直流磁通密度)修正的Steinmetz公式計(jì)算鐵心損耗,在相同算例下,Steinmetz公式方法同樣得到了較為準(zhǔn)確的鐵心損耗數(shù)值。將Steinmetz公式方法與基于鐵心動(dòng)態(tài)磁滯模型的直流偏磁下鐵心損耗預(yù)測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比可以看出,基于鐵心動(dòng)態(tài)磁滯模型的鐵心損耗預(yù)測(cè)方法不僅可計(jì)算鐵心損耗,也可計(jì)算直流偏磁下的勵(lì)磁電流和磁滯回線,具有較為廣闊的應(yīng)用前景。3.變壓器鐵心剩磁預(yù)測(cè)方法結(jié)合外部激勵(lì)條件(截流過電壓)與內(nèi)在磁化機(jī)理(鐵心動(dòng)態(tài)磁滯模型),本文提出變壓器鐵心剩磁預(yù)測(cè)方法。首先建立模擬變壓器截流過電壓的實(shí)驗(yàn)方案,采用鐵心磁性能測(cè)量系統(tǒng)中的逆變電源輸出預(yù)設(shè)測(cè)試電壓以模擬截流過電壓,該電壓作為愛潑斯坦方圈的激勵(lì),得到實(shí)際輸出電壓和實(shí)測(cè)電流。與截流過電壓基本估算方法相比,構(gòu)建預(yù)設(shè)測(cè)試電壓的方法在保留了截流過電壓波形特征的基礎(chǔ)上,可以更加精確的模擬截流過電壓發(fā)生后鐵心中可能出現(xiàn)的各種情況�？紤]到繞組電阻、漏感等的影響,本文提出一種迭代方法計(jì)算變壓器鐵心截流后的磁滯回線。將實(shí)際輸出電壓積分后作為鐵心動(dòng)態(tài)磁滯模型初始輸入,通過將實(shí)測(cè)電流與計(jì)算電流進(jìn)行對(duì)比,調(diào)整鐵心中磁通密度的交流分量和直流分量的幅值并確定模型參數(shù),直到實(shí)測(cè)電流與計(jì)算電流的相對(duì)誤差小于預(yù)設(shè)定值時(shí)停止迭代,此時(shí)的磁滯回線即為實(shí)際作用于變壓器的磁滯回線,該磁滯回線最后一點(diǎn)即為剩磁數(shù)值。通過對(duì)最后一次迭代的電流與實(shí)測(cè)電流的比較,驗(yàn)證本文提出的鐵心動(dòng)態(tài)磁滯模型和迭代方法的準(zhǔn)確性。由于剩磁難以測(cè)量,本文采用選相合閘技術(shù),并建立直流磁通密度與勵(lì)磁涌流最大值的關(guān)系曲線,通過比較通電后的勵(lì)磁涌流最大值和空載電流,驗(yàn)證和評(píng)價(jià)剩磁預(yù)測(cè)結(jié)果的正確性。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM41

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