论文总字数：22527字

摘 要

电力变压器是电力系统稳定运行所需最重要的设备之一，变压器的稳定运行对电力系统的安全有着不可忽视的作用。变压器在空载合闸或者在切除故障重新投入运行时，由于变压器剩磁的存在，会产生幅值较大的励磁涌流，这种冲击电流将对变压器绕组的机械稳定性以及绝缘强度造成较大的危害，从影响电力系统的正常运行。到目前为止，最常用的限制励磁涌流出现的方法是控制合闸相位角。然而此项技术需要提前知晓变压器的剩磁量。因此，对变压器剩磁的测量就变得尤为重要。根据现有文献，在实际工程中，并没有一种能有快速简单的测量变压器剩磁的方法。本文通过研究不同剩磁量对应的非线性电感量的关系，提出一种通过测量非线性电感量间接测量剩磁的方法。主要研究了以下几个方面：

本文以磁畴理论为基础，通过研究铁磁材料的磁滞特性，详细分析剩磁成因。结合Preisach模型，从宏观理论上，建立了磁滞回线的物理模型，并从理论上分析空载不饱和状态下变压器剩磁量和非线性电感量的数学关系。

通过研究实际的变压器模型，搭建空载条件下磁滞回线的测量模型，并在ATP-Draw平台上建立电路，测量磁滞回线。给变压器原边加小电压信号，测量不同剩磁量下的非线性电感量，并在MATLAB平台上拟合。

绘制变压器剩磁不为0的条件下的φ-L曲线，分析小信号模型的可行性。通过改变变压器原边小电压信号的大小，确定小信号的最佳范围。

关键词：剩磁；变压器；Preisach；小信号模型；非线性电感

ABSTRACT

The power transformer is one of the most important equipment. The stable operation of the transformer plays an important role in the safety operation of the power system. When the transformer is closed at no-load or restarted when the fault is cut out, due to the residual magnetism of the transformer, an exciting inrush current with a large amplitude will be generated. The great harm will affect the normal operation of the power system. So far, the most commonly used method to suppress the excitation inrush current is the phase selection and closing technology. However, this technology needs to know the residual magnetism of the transformer in advance, so the measurement of the residual magnetism of the transformer becomes particularly important. In actual engineering, there is no quick and easy way to measure the residual magnetism of transformers. This paper proposes a method of indirectly measuring residual magnetism by measuring the relationship between the nonlinear inductance corresponding to different residual magnetism and measuring the linear inductance. This article mainly studies the following aspects:

Based on the magnetic domain theory, through studying the hysteresis characteristics of ferromagnetic materials, the cause of residual magnetism is analyzed in detail. Combining with the Preisach model, the physical model of the hysteresis loop is established from a macroscopic theory, and the mathematical relationship between the residual magnetism of the transformer and the nonlinear inductance under no-load unsaturated conditions is theoretically analyzed.

By studying the existing transformer model, a measurement model of the hysteresis loop under no-load conditions is built, and a circuit is established on the ATP-Draw platform to measure the hysteresis loop. Add a small voltage signal to the primary side of the transformer, measure the nonlinear inductance under different residual magnetism, and fit it on the MATLAB platform.

Draw the φ-L curve under the condition that the remanence of the transformer is not 0, and analyze the feasibility of the small signal model. By changing the size of the small voltage signal on the primary side of the transformer, the optimal range of the small signal is determined.

Key words: residual flux；transformer； Preisach ；nonlinear inductance；small signal model

目录

摘要 I

ABSTRACT II

目录 1

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状总结 2

1.2.1变压器励磁涌流抑制方法研究现状 2

1.2.2铁心剩磁测量及其计算研究现状 3

1.3 本文研究的主要内容 5

第二章 铁心磁化原理与磁滞模型 6

2.1 铁心磁化原理 6

2.2 磁化模型分析 7

2.3非饱和状态下变压器铁心磁通量与电感量的关系推导 8

2.4 本章小结 9

第三章 含剩磁条件下空载铁心电感建模分析 10

3.1 变压器模型选择 10

3.2磁滞曲线绘制 11

3.3 励磁涌流分析 14

3.4 本章小结 15

第四章 小信号下铁心剩磁与非线性电感关系测量 16

4.1剩磁与电感关系曲线测量 16

4.2 测量信号大小和剩磁大小对测量精度的影响 18

4.2.1剩磁不为0时的磁滞曲线绘制 18

4.2.2 小信号最佳范围的确定 21

4.3本章小结 23

第五章 总结与展望 24

5.1总结 24

5.2展望 24

参考文献 25

致谢 27

第一章 绪论

1.1研究背景

输变电是电能应用的重要环节，近些年来，随着科技研究的深入，我国的输变电技术有了很大的进步，为今后的电网建设打下坚实的基础。与此同时，高压输电的发展使得大容量变压器得到了广泛的应用。所谓电力变压器是指利用电磁感应原理、以铁磁材料为媒介将一种交流电变成另一种交流电的输电设备。尽管可供我们选择的铁磁材料有很多种，但是它们都不是完美的，它们存在着共同的问题，那便是磁滞问题与过饱和问题。

铁磁材料在电力设备中有着广泛的应用，如发电机铁心、电动机、变压器等，在电能的传输和转换中起着重要的作用，它们在一定程度上决定着这些设备能否正常工作。因此，铁磁材料特性的精确测量和仿真对于电磁设备的设计、铁磁损耗的研究、可靠性的研究和效率的提高尤为重要。目前，工程中电磁材料的模拟仿真计算已成为电气工程领域的前沿和热点问题。

剩磁的产生是由于铁磁材料固有的磁滞特性决定的,一般在变压器分闸或者在变压器参数测量实验后，变压器铁心内会留有一定大小的磁通量，即剩磁。变压器铁心的磁化过程实际上是：当含有直流分量的电流通过绕组时，绕组上会形成与直流分量成比例的磁势，铁磁材料的磁畴结构发生改变，等效小磁极按照一定的顺序排列，电能转化为磁能，产生磁滞损耗。磁滞损耗的大小与铁磁材料工作频率、磁化历史、磁化方向、外加磁场强度、材料尺寸大小、磁导特性等因素有关^[1]。在变压器空载闭合瞬间，由于剩磁的存在，变压器会迅速饱和进而产生幅值较大的励磁涌流。变压器铁心剩磁量越大，合闸时产生的励磁涌流就越大。励磁涌流的波形中含有大量的高次谐波。励磁涌流呈指数形式衰减，对于一些容量非常大的电力变压器，需要经过数秒的时间才能衰减到稳态电流。涌流如果不加以抑制，会对电力系统的稳定运行以及电气设备安全造成许多不利影响:

1. 导致气体继电器等变压器保护装置无法正常工作。新变电站的主变压器投入运行或维修后合闸过程中，会出现较大的励磁涌流，可能引起变压器差动保护，电量保护，非电量保护等保护装置的故障，导致变压器合闸失败。
2. 当变压器铁心剩磁量较大时空载合闸产生涌流的幅值较高，从而产生较大的电动力，引起主变线圈及器身产生振动造成油箱油流涌动^[2]，触发重瓦斯保护装置动作，导致变压器无法投入运行。
3. 电力变压器容量越小，空载合闸时浪涌电流与其额定电流的比值就越大。由于剩磁的存在，可能会直接导致变压器高压侧保险丝熔断^[3]。
4. 励磁涌流中含有的直流分量会使得电流互感器磁路过度磁化，可能导致电力设备保护装置误动作。励磁涌流中的大量谐波会影响电网的安全性、可靠性、稳定性，增加电网附近的磁场干扰，影响设备正常工作，对电网电能质量造成严重的污染，造成巨大的社会经济损失^[4]。

近年来，国内已经发生了多起由于励磁涌流过大影响电网正常运行的案例：2008年3月，湖北恩施变电站在为主变充电时，由于浪涌电流过大，导致恩#1主变B相故障，主变压器多个差动保护装置，非电量保护装置异常动作，变电站无法正常工作。2014年国内某电厂在检修保护后采用500kV电网对其主变，场变进行充电时，空载合闸瞬间产生幅值巨大的励磁涌流，导致3次充电未成功。2018年4月甘金桥水电站主变电站经过检修维护后进行测量空载电流以及空载损耗的实验过程中，主变二次侧断路器合闸时，由于浪涌电流的影响，差动保护装置无法正常动作，主变无法进行合闸等操作。大量的运行数据显示，励磁涌流已成为影响直流输电系统的重要因素之一，而励磁涌流的大小主要取决于合闸角和剩磁的大小及方向^[5]。

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