吳偉亮 劉細(xì)平

一種變壓器剩磁削弱技術(shù)研究

吳偉亮 劉細(xì)平

（江西理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，江西 贛州 341000）

為了保證電力變壓器在電力系統(tǒng)中更加安全可靠地工作，需要解決變壓器的剩磁問題。為此，本文介紹一種脈沖寬度調(diào)制（PWM）電壓注入變壓器的技術(shù)來實現(xiàn)削弱剩磁的目的。PWM電壓是由變頻器按照定頻變壓或變頻變壓進(jìn)行調(diào)制與逆變產(chǎn)生的電壓，具體方法為：先向變壓器注入直流電流，使變壓器磁化飽和，然后將PWM電壓注入變壓器一次側(cè)削弱剩磁。Matlab仿真結(jié)果和實驗結(jié)果驗證了該剩磁削弱技術(shù)的正確性和有效性，為電力變壓器的安全運(yùn)行提供技術(shù) 保障。

剩磁；直流消磁；交流消磁；脈沖寬度調(diào)制（PWM）；變頻；變壓

0 引言

電力變壓器在電力系統(tǒng)中有著非常重要的作用[1-4]，不僅能升高電壓把電能送到用電地區(qū)，還能把電壓降低為各級使用電壓，以滿足用電的需要。因此保證變壓器的安全可靠至關(guān)重要。

變壓器在出廠前需要做直流電阻試驗，來檢驗變壓器內(nèi)部是否存在斷路、短路等問題，而直流電阻試驗會使變壓器產(chǎn)生剩磁[5-7]。此外，空載變壓器拉閘時也會產(chǎn)生剩磁。

變壓器的剩磁會產(chǎn)生很多危害[8-11]。當(dāng)有大量剩磁的變壓器投運(yùn)時，在勵磁涌流作用下，會產(chǎn)生較大的沖擊電流，引起電壓升高，從而引起重瓦斯保護(hù)動作跳閘，也會造成變壓器近端的設(shè)備、儀器損壞；大量剩磁會對變壓器的相關(guān)試驗結(jié)果造成干擾，也會產(chǎn)生較多的諧波分量和直流分量，從而降低電網(wǎng)質(zhì)量，還會對電網(wǎng)中的電力電子器件造成危害。

因此需要采用合理的方法來削弱變壓器的剩磁。常用的消磁方法有直流去磁法[12-16]和交流去磁法[17]，兩者都是通過控制變壓器的輸入電源，使其產(chǎn)生一個交變的衰減磁場，從而使變壓器的剩磁得到衰減。

常用的直流去磁法或交流去磁法的消磁裝置需要經(jīng)過幾次重復(fù)的去磁操作才能夠?qū)⒆儔浩鞯氖４畔麥p下來，而且消磁裝置中缺少與其他裝置、系統(tǒng)進(jìn)行自動化控制操作的開關(guān)，不具備自動化投入與切除的功能。

本文提出一種脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation, PWM）電壓注入變壓器的技術(shù)來削弱變壓器的剩磁。首先通過變頻器按照定頻變壓或者變頻變壓進(jìn)行調(diào)制與逆變產(chǎn)生PWM電壓，然后將PWM電壓注入變壓器來削弱剩磁。通過相關(guān)的Matlab仿真和實驗對所提控制技術(shù)進(jìn)行驗證?；诒疚乃峒夹g(shù)的消磁裝置可以控制注入變壓器的PWM電壓幅值和頻率，通過一次操作就可以消減剩磁，且該裝置具有多個可控開關(guān)，可進(jìn)行自動化投入和切除，具備自動化控制和互鎖約束控制功能。

1 變壓器剩磁的產(chǎn)生及削弱

1.1 變壓器剩磁產(chǎn)生的原理

圖1為變壓器鐵心的磁滯回線。當(dāng)給鐵磁材料施加一個外加磁場時，鐵磁材料的感應(yīng)磁場從點(diǎn)開始，沿著曲線逐漸增大。當(dāng)外加磁場增大到一定數(shù)值后，鐵磁材料的感應(yīng)磁場會達(dá)到磁化的飽和狀態(tài)點(diǎn)，此時增大外加磁場，鐵磁材料的感應(yīng)磁場也基本不會發(fā)生變化。之后逐漸減小外加磁場，鐵磁材料的感應(yīng)磁場也會逐漸減小，但是變化路徑為曲線，當(dāng)外加磁場減小為零時，鐵磁材料不會恢復(fù)到磁中性點(diǎn)，而是到點(diǎn)，此點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為該鐵磁材料的剩磁r。m為最大磁感應(yīng) 強(qiáng)度。

圖1 變壓器鐵心的磁滯回線

1.2 變壓器剩磁削弱的原理

可以通過施加合適的反向磁場來減弱或者消除變壓器鐵磁材料的剩磁。其原理主要是通過縮小鐵心的磁滯回環(huán)，達(dá)到消除剩磁的目的。

采用感應(yīng)法測量變壓器鐵磁繞組的交流磁化特性，如圖2所示。其中鐵磁繞組一次側(cè)匝數(shù)為1，二次側(cè)匝數(shù)為2，e為鐵心的有效面積。

圖2 感應(yīng)法測量變壓器鐵磁繞組的交流磁化特性

當(dāng)一次繞組通入交流電流1時，在二次繞組會產(chǎn)生一個感應(yīng)電動勢2，即

式中，為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

求取2在半個周期內(nèi)的平均值，可得感應(yīng)電動勢，即

在交變電流中，半個周期()的變化初始值和最終值大小相等、方向相反，則

把式（3）代入式（2）得

式中：為頻率；可以通過電壓表測量。為測量的平均值，交流電壓幅值e=1.11，因此，有

由式（5）可得

由式（6）可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度與施加的交流電壓的幅值成正比，與交流電壓的頻率成反比。因此可以通過改變交流電壓的幅值或者頻率來控制磁感應(yīng)強(qiáng)度，達(dá)到削弱剩磁的效果。

1）直流消磁法

給變壓器施加直流電壓，直流方向一直交替變化，同時幅值逐漸衰減至0，這樣可以產(chǎn)生一個交變的衰減磁場，來達(dá)到消磁的效果。直流消磁原理如圖3所示。

圖3 直流消磁原理

2）交流消磁法

給變壓器施加交流電壓，交流方向不斷改變，保證頻率不變，交流電壓幅值隨時間逐漸變小。電壓越小，磁滯回環(huán)會越小，從而達(dá)到減小磁感應(yīng)強(qiáng)度的目的，來實現(xiàn)消磁。交流消磁原理如圖4所示。

圖4 交流消磁原理

本文采用PWM電壓注入法來削弱變壓器鐵磁材料中的剩磁。

2 變壓器剩磁削弱的測試方案

2.1 變壓器剩磁削弱的測試拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

變壓器剩磁削弱的測試拓?fù)淙鐖D5所示，由交流電源、開關(guān)、變頻器、直流電源、變壓器等組成。其中通過變頻器產(chǎn)生PWM電壓注入變壓器來削弱剩磁。變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 變壓器剩磁削弱的測試拓?fù)?/p>

圖6 變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

變壓器的剩磁可以通過變壓器的磁化飽和操作產(chǎn)生，其過程為首先斷開開關(guān)Q1和Q2，然后閉合開關(guān)Q3，使變壓器二次側(cè)短接，再閉合開關(guān)Q4，通過直流可調(diào)電源向變壓器一次側(cè)注入直流電流，從而使變壓器磁化飽和，等變壓器磁化飽和后，先將開關(guān)Q4斷開，然后將開關(guān)Q3斷開。

變壓器剩磁削弱的操作過程為：首先確認(rèn)開關(guān)Q3和Q4已斷開，然后閉合開關(guān)Q1和Q2，再通過變頻器產(chǎn)生合適的PWM電壓注入變壓器一次側(cè)，可以削弱變壓器的剩磁。最后斷開開關(guān)Q2和Q1。

2.2 變壓器剩磁削弱的控制策略

變頻器分別采用定頻變壓和變頻變壓這兩種調(diào)制信號進(jìn)行空間矢量脈寬調(diào)制（space vector pulse width modulation, SVPWM）后，產(chǎn)生的驅(qū)動信號控制變頻器逆變橋中開關(guān)管VT1～VT6的導(dǎo)通與關(guān)斷，然后產(chǎn)生的PWM電壓注入變壓器一次側(cè)實現(xiàn)削弱剩磁的功能，控制策略如圖7所示。

圖7 變壓器剩磁削弱的控制策略

定頻變壓調(diào)制信號是電壓頻率固定，幅值由初始值0逐漸減小至0的信號；變頻變壓調(diào)制信號是電壓頻率由較小的初始頻率值0逐漸增大到50Hz，幅值由初始值0逐漸減小至0的信號。單個周期內(nèi)的PWM電壓波形如圖8所示。

圖8 PWM電壓波形

3 仿真與結(jié)果分析

為了驗證PWM電壓注入法消磁的有效性和可靠性，在Matlab仿真軟件中搭建變壓器磁化飽和與削弱剩磁的仿真模型，變壓器采用Yy聯(lián)結(jié)。變壓器的參數(shù)：額定電壓為380V，額定功率為12kV·A，繞組電阻為0.003p.u.，繞組漏電感為0.01p.u.，勵磁電阻為50p.u.。

圖9為變頻器采用定頻變壓調(diào)制進(jìn)行剩磁削弱的仿真波形。其中0～40s變壓器二次側(cè)短接，0～10s為變壓器一次側(cè)注入直流電壓進(jìn)行磁化飽和，10～20s停止注入直流電壓，20～30s再次注入直流電壓，30～40s停止注入直流電壓，40～60s為變壓器二次側(cè)開路，進(jìn)行PWM電壓注入削弱剩磁，60s之后再次進(jìn)行變壓器磁化飽和操作。圖9（a）～圖9（c）為采用調(diào)制信號為定頻50Hz、幅值從50V逐漸降至0的消磁控制的仿真波形。圖9（d）～圖9（f）為采用調(diào)制信號為定頻50Hz、幅值從100V逐漸降至0的消磁控制的仿真波形。

圖10為變頻器采用變頻變壓調(diào)制進(jìn)行剩磁削弱的仿真波形。圖10（a）～圖10（c）是采用調(diào)制信號為頻率從10Hz逐漸升為50Hz、幅值從50V逐漸降為0的消磁控制的仿真波形。圖10（d）～圖10（f）是采用調(diào)制信號為頻率從10Hz逐漸升為50Hz、幅值從100V逐漸降為0的消磁控制的仿真波形。

圖10 變頻變壓調(diào)制消磁的仿真波形

圖9（b）、圖9（e）和圖10（b）、圖10（e）中消磁后（對應(yīng)60s之后）的變壓器二次電流寬度比磁化飽和后（對應(yīng)20s之后）的變壓器二次電流寬度要大一些，說明了采用PWM電壓注入法可以削弱變壓器剩磁，使能量可以傳輸。

經(jīng)過PWM電壓注入法消磁后，圖9（e）中變壓器二次電流寬度比圖9（b）中變壓器二次電流寬度要大一些，說明采用PWM電壓注入法消磁時，調(diào)制電壓幅值越大，消磁效果越好，圖10亦是如此。

圖9（c）與圖10（c）對比發(fā)現(xiàn)，采用變頻變壓調(diào)制的消磁效果比采用定頻變壓調(diào)制的消磁效果稍好。

4 實驗與結(jié)果分析

為了驗證PWM電壓注入法消磁的有效性和可靠性，在一套380V/10kW變頻器、一臺型號為PMP25— 2TR的可調(diào)直流電源、一臺500V/500V/12kV?A三相變壓器的實驗環(huán)境下進(jìn)行變壓器磁化飽和實驗與削弱剩磁實驗。變壓器的額定電流為24A，空載電流＜3%，空載損耗＜2%，短路損耗＜0.45%，阻抗壓降6%。

圖11為變壓器Yy聯(lián)結(jié)，變頻器采用定頻變壓調(diào)制進(jìn)行剩磁削弱技術(shù)驗證的實驗波形。圖11（a）為變壓器二次側(cè)短接，在一次側(cè)A相與N之間注入+5A的直流電流，使得變壓器磁化飽和的一、二次電流波形。圖11（b）為變頻器采用定頻50Hz、幅值從10V逐漸降為0的調(diào)制信號，進(jìn)行消磁后斷開變頻器與變壓器的連接，然后變壓器二次側(cè)短接，在一次側(cè)A相與N之間注入+5A的直流電流，使變壓器磁化飽和的一、二次電流波形。圖11（c）為變頻器采用定頻50Hz、幅值從40V逐漸降為0的調(diào)制信號，進(jìn)行消磁后斷開變頻器與變壓器的連接，然后變壓器二次側(cè)短接，在一次側(cè)A相與N之間注入+5A的直流電流，使得變壓器磁化飽和的一、二次電流波形。

圖12為變壓器Yy聯(lián)結(jié)，變頻器采用變頻變壓調(diào)制進(jìn)行剩磁削弱技術(shù)驗證的實驗波形。圖12（a）為變頻器采用頻率20Hz開始逐漸增大到50Hz、幅值從10V逐漸減小到0的調(diào)制信號，進(jìn)行消磁后斷開變頻器與變壓器的連接，然后變壓器二次側(cè)短接，在一次側(cè)A相與N之間注入+5A的直流電流，使變壓器磁化飽和的一、二次電流波形。圖12（b）為變頻器采用頻率20Hz開始逐漸增大到50Hz、幅值從40V逐漸減小到0的調(diào)制信號，進(jìn)行消磁后斷開變頻器與變壓器的連接，然后變壓器二次側(cè)短接，在一次側(cè)A相與N之間注入+5A的直流電流，使變壓器磁化飽和的一、二次電流波形。

圖13為變壓器Dy聯(lián)結(jié)，變頻器采用變頻變壓調(diào)制進(jìn)行剩磁削弱技術(shù)驗證的實驗波形。圖13（a）為變頻器采用頻率10Hz開始逐漸增大到50Hz、幅值從10V逐漸減小到0的調(diào)制信號，進(jìn)行消磁后斷開變頻器與變壓器的連接，然后變壓器二次側(cè)短接，在一次側(cè)A相與N之間注入+5A的直流電流，使變壓器磁化飽和的一、二次電流波形。圖13（b）為變頻器采用頻率10Hz開始逐漸增大到50Hz、幅值從20V逐漸減小到0的調(diào)制信號，進(jìn)行消磁后斷開變頻器與變壓器的連接，然后變壓器二次側(cè)短接，在一次側(cè)A相與N之間注入+5A的直流電流，使變壓器磁化飽和的一、二次電流波形。

圖13 變壓器Dy聯(lián)結(jié)，變頻變壓調(diào)制消磁的實驗波形

圖11（b）和圖11（c）中變壓器二次電流寬度比圖11（a）中變壓器二次電流寬度要大一些，說明采用PWM電壓注入法可以削弱變壓器剩磁，使能量可以傳輸。

圖11（c）中變壓器二次電流寬度比圖11（b）中變壓器二次電流寬度要大一些，說明采用PWM電壓注入法消磁時，調(diào)制電壓幅值越大，消磁效果越好。

圖12（b）中變壓器二次電流寬度比圖11（c）中變壓器二次電流寬度要大一些，說明采用變頻變壓調(diào)制的消磁效果比采用定頻變壓調(diào)制的消磁效果好一些。

5 結(jié)論

本文首先介紹了變壓器剩磁產(chǎn)生和削弱的原理，然后介紹了一種PWM電壓注入法削弱剩磁的控制技術(shù)及其測試方案，并通過Matlab仿真分析驗證了所提變壓器剩磁削弱技術(shù)可以有效地減少變壓器的剩磁，為電力變壓器在電力系統(tǒng)中的安全可靠運(yùn)行提供了技術(shù)保障。

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Research on a technology of weakening the residual flux of transformer

WU Weiliang LIU Xiping

(School of Electrical Engineering and Automation, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou, Jiangxi 341000)

In order to ensure that the power transformer works more safely and reliably in the power system, it is necessary to solve the problem of the residual flux of the transformer. So a technology of injecting pulse width modulation (PWM) voltage into the transformer to weaken the residual flux is introduced. The PWM voltage is generated by the converter according to the constant frequency variable voltage or variable frequency variable voltage modulation and inversion. The specific method is to inject DC current into the transformer to saturate the magnetization of the transformer, then inject PWM voltage into the primary side of the transformer to weaken the residual flux. The Matlab simulation results and experimental results verify the correctness and effectiveness of this technology of weakening the residual flux. It provides technical support for the safe operation of the power transformer.

residual flux; DC degaussing; AC degaussing; pulse width modulation (PWM); variable frequency; variable voltage

2021-07-05

2021-07-25

吳偉亮（1987—），男，江西九江人，碩士，高級工程師，研究方向為電力電子傳動與電機(jī)控制。