一种电力变压器剩磁量评估及消磁的装置及控制方法与流程

本发明涉及一种电力变压器剩磁量评估及消磁的装置及控制方法，属于电力系统安全控制技术领域。

背景技术：

电力变压器退出运行、直流电阻试验后都会产生剩磁，剩磁量的多少分别取决于开关动作前绕组电流、绕组通过直流电流的强度和时间。变压器铁心剩磁的影响，主要包括以下几个方面：

(1)当变压器剩磁量较大时，空载充电产生的励磁涌流可能导致变压器输入与输出电流相差较大，引起变压器差动保护误动作。

(2)变压器空载充电时形成的冲击励磁涌流会引起绕组间的机械力作用，可能逐渐使其固定物松动、绕组变形，从而形成隐患。

(3)励磁涌流中含有多种谐波成分及直流分量，使得变压器成为电网中的谐波源，降低了供电系统的供电质量；同时，谐波中的高次分量对电力系统中的敏感电力电子元器件也会产生较强的破坏作用。

因此，电力变压器投运前进行剩磁量评估并进行消磁，对变压器安全、电网稳定运行具有重要意义。目前，针对电力变压器剩磁量，尚无有效的剩磁评估方法。这就使消磁呈现出盲目性特点。现有的消磁方法有交流消磁和直流消磁两种。交流消磁法需要的设备复杂、容量较大，现场一般难以达到；直流消磁法，是在高压绕组两端通入方向交替变化幅值逐渐减小的直流电流，从而达到消除剩磁的目的。但是，在实际消磁过程中剩磁量的变化难以体现，消磁效果无法保证。

技术实现要素：

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种电力变压器剩磁量评估及消磁的装置及控制方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种电力变压器剩磁量评估及消磁的装置，包括：主电路、控制电路、驱动电路，所述主电路包括：开关电源两端分别并联有滤波电容、电阻r0，开关电源正向端串联有主开关t5，主开关t5后端并联有开关t6与电阻r1串联支路，开关1与开关2串联支路，开关3与开关4串联支路；所述驱动电路分别与主开关t5、开关t6、开关1、开关2、开关3、开关4的驱动端相连接，所述控制电路与驱动电路相连接，用于向驱动电路发出指令。

作为优选方案，所述主开关t5后端还并联有开关t7与电阻r2串联支路，所述驱动电路与开关t7的驱动端相连接。

作为优选方案，所述电阻r2阻值大于电阻r1阻值。

作为优选方案，所述控制电路包括剩磁量评估控制模块，所述剩磁量评估控制模块用于将开关t1、开关t4、开关t5开通，开关t2、开关t3、开关t6、开关t7关断，对接入开关1与开关2，开关3与开关4之间的两个公共端的待测绕组正向充电，记录待测绕组实时电流值n1，当电流值n1上升至预定电流值时，记录完毕；先将开关t6开通，然后依次关断开关t1、开关t4、开关t5，直到待测绕组中电流为0a；将开关t6关断，将开关t2、开关t3、开关t5开通，对待测绕组反向充电，记录待测绕组实时电流值n2，当电流值n2上升至预定电流值时，记录完毕；先将开关t6开通，然后依次关断开关t2、开关t3、开关t5，直到待测绕组中电流为0a；计算实时电流值n1、n2的相关系数ρ；求ρ′＝1-ρ，ρ′即为剩磁评估值，ρ′数值越小表示剩磁越少，数据越大表示剩磁越多。

作为优选方案，所述控制电路包括剩磁量消磁控制模块，所述剩磁量消磁控制模块用于将开关t1、开关t4、开关t5开通，开关t2、开关t3、开关t6、开关t7关断，对接入开关1与开关2，开关3与开关4之间的两个公共端的待测绕组正向充电，当待测绕组电流数值达到设定第1消磁电流数值后，先将开关t6开通，然后依次关断开关t1、开关t4、开关t5，进行正向放电，直到待测绕组中电流为0a；将开关t6关断，将开关t2、开关t3、开关t5开通，对待测绕组反向充电，当待测绕组电流数值达到第2设定消磁电流数值后，先将开关t6开通，然后依次关断开关t2、开关t3、开关t5，进行反向放电，直到待测绕组中电流为0a；所述第2设定消磁电流数值小于第1设定消磁电流，第2设定消磁电流数值减小量为第1设定消磁电流数值的3％-5％；重复对待测绕组进行正向充电、正向放电至oa，其中第3设定消磁电流数值小于第2设定消磁电流，第3设定消磁电流数值减小量为第2设定消磁电流数值的3％-5％；重复对待测绕组进行反向充电、反向放电至oa，其中第4设定消磁电流数值小于第3设定消磁电流，第4设定消磁电流数值减小量为第3设定消磁电流数值的3％-5％；重复对待测绕组进行第n次正向充电、正向放电至oa或者第n次反向充电、反向放电至oa，其中第n设定消磁电流数值小于第n-1设定消磁电流，第n设定消磁电流数值减小量为第n-1设定消磁电流数值的3％-5％，其中n为自然数；直到第n设定消磁电流数值落入[10ma-20ma]区间，消磁结束。

作为优选方案，所述剩磁量消磁控制模块还包括采集所有充电、放电过程中待测绕组实时电流值i，两端实时电压值u，根据公式t0代表采集电压值开始时间，t1代表采集电压值结束时间，计算待测绕组实时磁通变化量，以实时磁通变化量δφ为纵轴，以对应的实时电流值i为横轴，绘制磁滞回线。

有益效果：本发明提供的一种电力变压器剩磁量评估及消磁的装置及控制方法，为实现准确快速消磁，提供参考依据，更加智能化，能够实现快速彻底消磁，大大提升了现场的消磁的时间和消磁效果。

附图说明

图1为电力变压器剩磁量评估及消磁的装置的结构示意图；

图2为主电路的结构示意图；

图3为主电路正向充电的电路等效示意图；

图4为主电路正向放电的电路等效示意图；

图5为主电路反向充电的电路等效示意图；

图6为主电路反向放电的电路等效示意图；

图7为磁滞回线的示意图；

图8实施例无磁状态正反向电流波形图

图9实施例有磁状态正反向电流波形图

图10实施例满磁状态正反向电流波形图

图11实施例正反向电流波形图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1-2所示，一种电力变压器剩磁量评估及消磁的装置，包括：主电路、控制电路、驱动电路，所述主电路包括：开关电源两端分别并联有滤波电容、电阻r0，开关电源正向端串联有主开关t5，主开关t5后端分别并联有开关t6与电阻r1串联支路，开关t7与电阻r2串联支路，开关1与开关2串联支路，开关3与开关4串联支路；所述驱动电路分别与主开关t5、开关t6、开关t7、开关1、开关2、开关3、开关4的驱动端相连接，所述控制电路与驱动电路相连接，用于向驱动电路发出指令。

一种电力变压器剩磁量评估及消磁的装置的剩磁量评估控制方法，包括步骤如下：

步骤1：将变压器待测绕组的两端分别接入开关1与开关2，开关3与开关4之间的两个公共端。

如图3所示，步骤2：将开关t1、开关t4、开关t5开通，开关t2、开关t3、开关t6、开关t7关断，对待测绕组正向充电，记录待测绕组实时电流值n1，当电流值n1上升至预定电流值时，记录完毕。

如图4所示，步骤3：先将开关t6开通，然后依次关断开关t1、开关t4、开关t5，待测绕组中电流经续流二极管d2、续流二极管d3、开关t6和电阻r1构成放电回路进行正向放电，直到待测绕组中电流为0a。

如图5所示，步骤4：将开关t6关断，将开关t2、开关t3、开关t5开通，对待测绕组反向充电，记录待测绕组实时电流值n2，当电流值n2上升至预定电流值时，记录完毕。

如图6所示，步骤5：先将开关t6开通，然后依次关断开关t2、开关t3、开关t5，待测绕组中电流经续流二极管d1、续流二极管d4、开关t6和电阻r1构成放电回路进行反向放电，直到待测绕组中电流为0a。

步骤6：计算实时电流值n1、n2的相关系数ρ；

步骤7：求ρ′＝1-ρ，ρ′即为剩磁评估值，ρ′数值越小表示剩磁越少，数据越大表示剩磁越多。

所述相关系数ρ计算公式如下：

ρ＝cov(n1,n2)/σn1*σn2

其中，σn1是n1的标准差，σn2是n2的标准差，cov(n1,n2)＝en1n2－en1*en2。en1、en2分别为变量n1、n2的数学期望，en1n2是n1n2的数学期望。

相关系数ρ的值与变压器剩磁量的关系，如果变压器没有剩磁，对于相同的充电时间内，变压器每一时刻对应的正反向充电电流值是相同的，从波形角度来看，相同的充电时间内的正反向充电电流波形是重合的，相关性较高；如果变压器中有剩磁，对于相同的充电时间内，变压器每一时刻对应的正反向充电电流值是不同的，从波形角度来看，相同的充电时间内的正反向充电电流波形是不重合的，相关性不高。

因此，变压器在无磁情况下，正反向充电电流数据的相关性高，计算的相关系数接近为1；变压器在满磁情况下，正反向充电电流数据的相关性低，相关系数接近为0。为了将无磁、有磁、满磁用数据的大小直观表示。用1-ρ表示剩磁的多少，则此时，无磁时对应的剩磁量为0，满磁的剩磁量记为1，有磁的剩磁量在0和1之间。即数据越小表示剩磁越少，数据越大表示剩磁越多。

一种电力变压器剩磁量评估及消磁的装置的剩磁量消磁控制方法，包括步骤如下：

步骤1：将变压器待测绕组的两端分别接入开关1与开关2，开关3与开关4之间的两个公共端；

步骤2：将开关t1、开关t4、开关t5开通，开关t2、开关t3、开关t6、开关t7关断，对待测绕组正向充电，当待测绕组电流数值达到设定第1消磁电流数值后，先将开关t6开通，然后依次关断开关t1、开关t4、开关t5，进行正向放电，直到待测绕组中电流为0a。

步骤3：将开关t6关断，将开关t2、开关t3、开关t5开通，对待测绕组反向充电，当待测绕组电流数值达到第2设定消磁电流数值后，先将开关t6开通，然后依次关断开关t2、开关t3、开关t5，进行反向放电，直到待测绕组中电流为0a；所述第2设定消磁电流数值小于第1设定消磁电流，第2设定消磁电流数值减小量为第1设定消磁电流数值的3％-5％。

步骤4：重复步骤2对待测绕组进行正向充电、正向放电至oa，其中第3设定消磁电流数值小于第2设定消磁电流，第3设定消磁电流数值减小量为第2设定消磁电流数值的3％-5％。

步骤5：重复步骤3对待测绕组进行反向充电、反向放电至oa，其中第4设定消磁电流数值小于第3设定消磁电流，第4设定消磁电流数值减小量为第3设定消磁电流数值的3％-5％。

步骤6：重复步骤2-5，对待测绕组进行第n次正向充电、正向放电至oa或者第n次反向充电、反向放电至oa，其中第n设定消磁电流数值小于第n-1设定消磁电流，第n设定消磁电流数值减小量为第n-1设定消磁电流数值的3％-5％，其中n为自然数；直到第n设定消磁电流数值落入[10ma-20ma]区间，消磁结束。

如图7所示，还包括步骤7：采集步骤2至步骤6中待测绕组实时电流值i，两端实时电压值u，根据公式计算待测绕组实时磁通变化量，以实时磁通变化量δφ为纵轴，以对应的实时电流值i为横轴，绘制磁滞回线。

磁滞回线表示磁场强度周期性变化时，强磁性物质磁滞现象的闭合磁化曲线。它表明了强磁性物质反复磁化过程中磁感应强度b与磁场强度h之间的关系。在消磁的过程中，变压器绕组中的电流周期性变化时，由于剩磁的存在，磁感应强度b与磁场强度h会呈现出图7所示的曲线图。剩磁越少，磁滞回线越小，磁滞回线回到原点时，剩磁消除完毕。所以通过绘制磁滞回线可以体现出变压器剩磁的多少，检验了消磁的效果。

实施例1：

主电路的开关电源为96v。t5为主开关，充电时t5开通，放电时t5关断；t6和t7是放电开关，充电时t6、t7关断，放电时开通，对应不同的电流值选择放电电阻改善待测绕组l放电速度(电流在1a以上t6开通，通过r1放电；电流小于1a，开通t7，通过r1、r2同时放电，加快放电速度)；t1、t4是正向充电开关，正向充电时开通，放电时关断；t2、t3是负向充电开关，负向充电时开通，放电时关断；电阻r0是滤波电容的放电电阻；电阻r1、r2是变压器绕组放电电阻，其中r2<r1；l是变压器绕组。

变压器直流消磁磁的过程是：对变压器一相绕组循环通以电流逐步下降的双向电流。比如，第1次对变压器通以+5a电流，然后让绕组放电至0a；第2次对变压器通以－4.7a，然后让绕组放电至0a；第3次对变压器通以+4.2a，然后让绕组放电至0a；第4次对变压器通以－4a，然后让绕组放电至0a，如此循环。直到第n设定消磁电流数值落入[10ma-20ma]区间，消磁结束。

本发明采用的是磁平衡式电流传感器，它将互感器、磁放大器、霍尔元件和电子线路集成在一起，具有精度高、零漂小、响应快及抗干扰能力强等优点，并能有效的将主电路和控制电路进行电气隔离，保证了在10ma～5a全量程都有较高的测量精度。

驱动电路的设计是决定主电路能否正常工作的重要环节，关系到器件工作的安全和整个电路的性能。驱动电路由驱动模块tlp250构成，tlp250使用简单，开关响应快(最大响应开关时间为1.5us)。内部为光耦隔离，可直接驱动隔离中小功率的功率模块。本发明中用来驱动功率管t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7。每一个功率管都有一个驱动电路构成。以功率管t6为例，若drive为高电平，驱动输出g控制功率管导通；若drive为低电平，驱动输出g控制功率管断开。

实验结果分析

为检验该剩磁评估方法的有效性，选取了220kva自耦变压器进行实验。用现有条件模拟变压器的剩磁状态。无磁状态的模拟：用消磁设备对变压器消磁，使变压器处于无磁状态。有磁状态的模拟：在无磁状态下，用5a电流对变压器充磁30秒，使变压器处于有磁状态。满磁状态的模拟：在无磁状态下，用5a电流对变压器充磁24小时，认为变压器处于满磁状态。

在各种剩磁状态下，用本发明的剩磁评估方法对变压器剩磁进行预评估，实验结果表1所示。由表1可知，变压器处于不同剩磁状态下的剩磁评估结果有明显的区别。评估结果符合理论值。即无磁时，变压器的剩磁评估的1-相关系数接近于0；满磁时，剩磁评估的1-相关系数接近于1；可知使用该方法对变压器剩磁进行评估是有效的。

表1

结合实验波形图进一步说明该判断方法的有效性。图8，图9，图10分别是变压器无磁，有磁，磁饱和3种情况下，变压器绕组剩磁评估的正反向充电的电流波形图。可明显看出无磁、有磁、满磁时，变压器绕组电流波形图的区别，无磁时正反向充电曲线几乎重合，相关性高；有磁时，正反向充电曲线不重合；满磁时正反向充电曲线不重合，且间距最大，相关性低；这与不同剩磁状态下变压器正反向电流数据的1-相关系数是对应的。即波形重合度越高，1-相关系数的值越小。验证了本文提出的剩磁评估方法的有效性。

为检验本发明消磁方法的有效性，选取了220kva电力变压器进行测试，首先对变压器器高压侧绕组进行正反向充电，采集电流数据。绘制电流波形图如图11所示。由图可知，变压器处于有磁状态，根据正反向电流数据计算1-相关系数为0.41。可认为该变压器有41％的剩磁。

针对以上数据分析，选取1a电流消磁，同时计算各充放电周期内磁通的变化量，绘制磁滞回线图，由图分析可知，经过多次正反向充电后剩磁量越来越少，消除了剩磁。达到了预期效果，说明该消磁方法是有效的，可靠的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。