趙 娟,程 帥,曹建安

(西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,西安 710049)

電力系統(tǒng)運(yùn)行中,由于高壓直流輸電系統(tǒng)單極接地回路運(yùn)行[1]或磁風(fēng)暴[2,3]引起的直流電流進(jìn)入勵(lì)磁繞組,導(dǎo)致電力變壓器鐵芯中出現(xiàn)直流磁通發(fā)生直流偏磁。在直流偏磁狀態(tài)下,變壓器鐵芯快速進(jìn)入飽和狀態(tài),造成工作點(diǎn)漂移、勵(lì)磁電流畸變、半波飽和等現(xiàn)象。此外,直流偏磁磁通會(huì)導(dǎo)致較高鐵芯損耗,進(jìn)而出現(xiàn)噪聲、振動(dòng)及過熱等問題,甚至?xí)：ψ儔浩?。因?直流磁通的監(jiān)測(cè)對(duì)電力變壓器安全運(yùn)行十分重要。

現(xiàn)有的變壓器直流磁通檢測(cè)方法[4-8]均是通過測(cè)量變壓器偏磁后的變化量間接檢測(cè)直流磁通。其中文獻(xiàn)[6]與文獻(xiàn)[7]所述的方法測(cè)量的是變壓器的聲振動(dòng)而不是直接測(cè)量直流磁通。因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下測(cè)量量與直流磁通之間不存在唯一性,故而這種測(cè)量方法容易被其他因素影響。文獻(xiàn)[8]提出基于C型傳感器的主磁芯動(dòng)態(tài)磁通量的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法,但檢測(cè)基于輔助磁芯的電感量變化,并且結(jié)果準(zhǔn)確度高度依賴溫度變化。

本文提出了一種C型結(jié)構(gòu)磁通門傳感器,該傳感器通過提取變壓器鐵芯部分磁通,利用磁通門原理直接檢測(cè)磁通大小。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)磁通門傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)變壓器直流磁通的直接檢測(cè)。

1 磁通門傳感器檢測(cè)原理

磁通門是利用磁芯飽和磁導(dǎo)率變化調(diào)制被測(cè)磁場(chǎng),通過測(cè)量傳感器中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來度量被測(cè)磁場(chǎng)的方法[9]。

對(duì)于模型如圖1虛線框內(nèi)所示的單芯磁通門傳感器,在一根鐵芯上纏繞激勵(lì)繞組與檢測(cè)繞組,鐵芯磁導(dǎo)率為μ,橫截面面積為S,激勵(lì)繞組匝數(shù)為N1,檢測(cè)繞組匝數(shù)為N2。設(shè)激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為H1,被測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度為H0,則磁芯內(nèi)部磁場(chǎng)可表示為:

H=H0+H1

(1)

則相應(yīng)的磁芯內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度B為:

B=μH=μ(H0+H1)

(2)

當(dāng)磁芯進(jìn)入飽和后,其磁導(dǎo)率隨激勵(lì)磁場(chǎng)變化不可忽略,設(shè)其為時(shí)間t的函數(shù)μ(t)。則磁通門檢測(cè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為:

(3)

從式(3)可知,變壓器效應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)磁通門信號(hào)來說是非常大的噪聲來源,所以在實(shí)際應(yīng)用中一般選擇如圖1所示的差分結(jié)構(gòu)磁通門傳感器,該結(jié)構(gòu)上下兩個(gè)鐵芯參數(shù)完全對(duì)稱,激勵(lì)線圈反向串聯(lián),因此激勵(lì)繞組在磁芯中產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小相等方向相反。但是被測(cè)磁場(chǎng)在兩鐵芯中分量大小方向均相同。所以在檢測(cè)線圈上,激勵(lì)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)互相抵消,而被測(cè)磁場(chǎng)呈兩倍效果,則檢測(cè)線圈上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可表示為:

(4)

從式(4)中可以得到輸出電壓幅值與被測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。因此本文選用差分結(jié)構(gòu)的磁通門傳感器并采用脈沖幅值法[10]實(shí)現(xiàn)被測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量。

圖1 差分結(jié)構(gòu)磁通門傳感器

2 新型磁通門傳感器結(jié)構(gòu)

本文提出傳感器詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示,該結(jié)構(gòu)包括C型磁芯、激勵(lì)線圈、激勵(lì)源、檢測(cè)線圈四部分。鐵芯的高磁導(dǎo)率使傳感器的磁阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于變壓器磁芯,相應(yīng)的主磁芯中的磁通路徑被傳感器磁芯分流。為防止渦流,C型磁芯采用與變壓器鐵芯相同的疊片方法,并在鐵芯中間構(gòu)造一個(gè)方形通孔構(gòu)成差分磁通門傳感器結(jié)構(gòu)。

圖2 磁通門傳感器示意圖

傳感器俯視圖如圖2(b)所示,磁通門傳感器兩個(gè)勵(lì)磁繞組均勻繞制在磁芯通孔的左右兩側(cè),繞組匝數(shù)相等且方向反向串聯(lián)。勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)大小相等方向相反,并圍繞通孔組成閉合磁通路徑。外部激勵(lì)源產(chǎn)生頻率和幅值穩(wěn)定的高頻方波,使勵(lì)磁線圈中的磁通產(chǎn)生周期性變化。因此,當(dāng)激勵(lì)電流達(dá)到峰值時(shí),相應(yīng)的磁芯中的磁場(chǎng)接近最大值。忽略通孔兩邊微小不對(duì)稱,假設(shè)通孔左右兩邊幾何參數(shù)和電磁參數(shù)完全相同,則在檢測(cè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將互相抵消,因此激勵(lì)電流只起到調(diào)節(jié)磁芯磁導(dǎo)率的作用。

磁通門傳感器安裝示意圖如圖3所示,傳感器磁芯接口垂直于電力變壓器鐵芯疊片表面放置,安裝磁通門傳感器后,主磁芯中的交流磁通ΦA(chǔ)C和直流磁通ΦDC將通過低磁阻磁路流過磁通門傳感器,從而在該區(qū)域產(chǎn)生高磁通密度。假設(shè)變壓器堆疊方向指向Z方向,這意味著磁通路徑平行于X-Y平面。為了實(shí)現(xiàn)低磁阻路徑,磁通門傳感器的堆疊方向指向X方向。

圖3 磁通門傳感器安裝示意圖

3 實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證

3.1 激勵(lì)電路及原理

為驗(yàn)證該傳感器的準(zhǔn)確性,實(shí)驗(yàn)激勵(lì)電流采用自激磁通門原理[11]實(shí)現(xiàn),其激勵(lì)電路如圖4(a)所示。整個(gè)電路通過激勵(lì)繞組的充放電與比較器實(shí)現(xiàn)電壓翻轉(zhuǎn),形成自激振蕩產(chǎn)生周期性信號(hào),推挽電路起到增大輸出電流的作用。

采用分段線性模型,將激勵(lì)繞組等效為非線性電感,即在磁芯未飽和即激勵(lì)電流iex小于磁芯飽和電流IS時(shí),將激勵(lì)繞組電感等效為常數(shù)L0,在磁芯飽和即iex>IS時(shí)將激勵(lì)繞組電感等效為常數(shù)Ls,則產(chǎn)生的激勵(lì)電壓電流波形如圖4(b)所示。其中Vth為閾值電壓,大小為±VcR1/(R1+R2),Im為最大激勵(lì)電流,忽略激勵(lì)繞組電阻其值為Vth/RS,t1、t3、t4、t6為磁芯飽和狀態(tài)下線圈的充放電過程,t2、t5為磁芯未飽和狀態(tài)下線圈的充放電過程。

圖4 自激磁通門原理示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)采用10 kVA變壓器,該變壓器飽和磁密為1.6 T,磁路長(zhǎng)度為0.71 m,通過外加臨時(shí)繞組的測(cè)試方法[12]測(cè)得變壓器低壓側(cè)繞組匝數(shù)為230匝,則通過計(jì)算估計(jì)變壓器飽和時(shí)勵(lì)磁電流為0.561 A。在低壓側(cè)施加直流電流,為防止變壓器進(jìn)入飽和狀態(tài),選擇直流電流變化范圍為0～0.5 A。傳感器激勵(lì)繞組選取為200匝,檢測(cè)繞組匝數(shù)為100匝,均勻繞制在磁芯上。為讓磁芯易進(jìn)入飽和狀態(tài),磁芯采用高磁導(dǎo)率的鈷基非晶材料,材料的基本參數(shù)如表1所示。

表1 鈷基非晶參數(shù)表

試驗(yàn)平臺(tái)搭建如圖5所示,傳感器樣機(jī)緊貼變壓器鐵芯表面放置,激勵(lì)源的頻率為300 Hz,偏置電流由MOTECH數(shù)控式3 A/30 V線性直流穩(wěn)壓電源提供,實(shí)驗(yàn)結(jié)果由示波器在測(cè)量繞組上直接測(cè)量顯示。在不同偏置電流下檢測(cè)繞組上的電壓波形如圖6所示。

圖5 直流偏磁條件下實(shí)物安裝示意圖

圖6 不同直流偏磁狀態(tài)下的輸出電壓波形

從圖6中可以看到當(dāng)變壓器鐵芯中無直流偏置磁通時(shí),測(cè)量繞組中仍能測(cè)得一定的電壓輸出,這是由傳感器激勵(lì)兩邊不完全對(duì)稱以及比較器輸出電平不對(duì)稱引起的。隨著直流偏置電流的增加,電壓波形正負(fù)脈沖幅值和占空比均有明顯變化。

3.3 測(cè)量結(jié)果

為了進(jìn)一步探討輸出信號(hào)與偏置電流之間的關(guān)系,研究了偏置電流與檢測(cè)輸出電壓的幅值關(guān)系,如圖7所示。從圖7中可以看出,測(cè)得的信號(hào)隨施加的偏置電流的大小呈單調(diào)變化但并不具有線性,造成該結(jié)果非線性的因素主要有以下兩點(diǎn):

圖7 檢測(cè)電壓幅值與直流偏磁電流關(guān)系曲線圖

①根據(jù)磁路基本原理,傳感器安置在變壓器上時(shí),傳感器分得的磁通應(yīng)與變壓器內(nèi)磁通成一定比例,但由于強(qiáng)電磁力和磁致伸縮效應(yīng)將會(huì)導(dǎo)致傳感器鐵芯變形和氣隙長(zhǎng)度的變化,這將影響磁分路的磁阻進(jìn)而影響傳感器中分得的磁通分量,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成誤差。

②隨著偏置電流的增大,變壓器鐵芯磁導(dǎo)率發(fā)生變化,變壓器中的磁通量對(duì)于施加的偏置電流大小關(guān)系呈現(xiàn)非線性,最終造成測(cè)量結(jié)果的非線性。

4 結(jié)論

本文提出一種新型結(jié)構(gòu)的磁通門傳感器,該傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)為能夠直接檢測(cè)電力變壓器的直流偏磁磁通,估計(jì)變壓器偏磁程度,與傳統(tǒng)測(cè)量偏磁方法相比,更加簡(jiǎn)單、直觀和有效,在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的價(jià)值。

在測(cè)量過程中,磁芯變形與氣隙變化,都將導(dǎo)致靈敏度和準(zhǔn)確度的惡化,且在安裝過程中,安裝位置及安裝氣隙的不同都將會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成一定誤差,因此改善傳感器的線性度及準(zhǔn)確度將成為以后研究的重點(diǎn)。