（电力电子与电力传动专业论文）新型传感器、变压器参数在线测试方法研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 t = = = ；_ ；= = 目= = = = 。自；= = = = = ：= a b s t r a c t n o w a d a y ss c i e n t i f i ct e c h n i c a lr e s e a r c h e sa n dm o d e m p r o d u c t i o n sn e a r l yu n i t ec o r r e l a t i n gw i t h d e t e c t i v et e c h n i q u e s t h i st h e s i sp r e s e n t sn e w t h e o r ya b o u tn e ws e n s o ra n dt r a n s f o r m e r sp a r a m e t e r d e t e c t i o nb a s e do ns u m m a r i z i n gt r a d i t i o n a lt h e o r yo f d c c u r r e n ts e n s o ra n dt r a n s f o r m e r i tc o m b i n e s t h ec o m p u t e ro n l i n ed e t e c t i o n t e c h n o l o g yw i t he l e c t r o m a g n e t i s mm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g yc l o s e l y , f i r s t l y , i nc h a p t e r2o f t h i st h e s i s ，ai i r e - n e wh e a v yd cs e n s o rt h e o r y , d c s e n s i n gt h e o r yb a s e d o nm a g n e t i cp o t e n t i a ls e l f - b a l a n c ea n df e e d b a c kc o m p e n s a t i o n ，h a sb e e np u tf o r w a r db a s e do n t h e r e s e a r c ho fb a s i cp r i n c i p l e sa b o u tt r a d i t i o n a ld ct r a n s f o r m e ra n dm a g n e t i cm a g n i f i e r i tc o m b i n e s o r g a n i c a l l ym e r i t so fm a g n e t i cp o t e n t i a ls e l f - b a l a n c ep r i n c i p l eo fr e a c t o ra n dt h ed i f f e r e n c ec u r r e n t f e e d b a c kc o m p e n s a t i o np r i n c i p l et o g e t h e r i te s t a b l i s h e so n ek i n do fd c s e n s i n gt h e o r ya n dm e t h o d b a s e do nm a g n e t i cp o t e n t i a ls e l f - b a l a n c ea n df e e d b a c kc o m p e n s a t i o na n de n h a n c e st h ea c c u r a c y , l i n e a rd e g r e e ，a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yo f m e a s u r e m e n t g r e a t l y t h e n ，af i r e - n e wt h e o r yo f t r a n s f o r m e rp a r a m e t e ro n l i n ed e t e c t i o ni si n t r o d u c e di nc h a p t e r3 af a u l ta n a l y s i ss y s t e mo ft r a n s f o r m e rb a s e do nt h i st h e o r yi sd i f f e r e n tf r o mf o r m e rd i a g n o s t i ca n d p r o t e c t i v ed e v i c e so f t r a n s f o r m e r i ta c t sa s “b l a c kb o x o f t h et r a n s f o r m e r , w h i c hi sa b l et on o to n l y a n a l y z et h ef a u l t so ft r a n s f o r m e rb u ta l s od i s t i n g u i s ht h er e l a t i o n so fo b l i g a t i o n sa n dd r o i t sb e t w e e n m a n u f a c t u r e ra n du s e r so ft r a n s f o r m e r i nc h a p t e r4 ，t h i st h e s i se x p o u n d si t ss y s t e m ss o f t w a r ea n d h a r d w a r ed e s i g ne m p h a t i c a l l y d s pi su s e dt od e s i g nt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s sp a r t , a n dd s ph a s e x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei nt h es i g n a lp r o c e s s ，m e m o r ya n dc o m p u t a t i o n a ls p e e d m e a n w h i l e ，i n c h a p t e r5a n dc h a p t e r6o ft h i st h e s i s ，i tp r e s e n t st h et r a n s f o r m e rp a r a m e t e r sa n dt h ea n a l y s i s c o n c l u s i o na c q u i r e db yo n l i n ed e t e c t i v et e c h n i q u e s ，a n dd i s c u s s e st h es y s t e me l e c t r o m a g n e t i s m i n t e r f e r ep r o t e c t i o n t h er e s e a r c ho ft h i ss y s t e mw i l lf i l lu pt h ei n t e m a la n do v e r s e e l sb l a n k i th a s w i d e p r o s p e c t so f a p p l i c a t i o n k e y w o r d ：o n l i n e d e t e c t i o n m a g n e t i cp o t e n t i a ls e l f - b a l a n c ea n d f e e d b a c kc o m p e n s a t i o n d c s e n s i n g f a u l ta n a l y s i so f t r a n s f o r m e r 华中科技大学硕士学位论文 = ；= 日l ； ； 一= 1 绪论 1 1 课题的来源、目的、意义 本课题主要研究新型传感器、变压器参数在线测试方法。围绕该课题，作者 分别做了两个有关方面的工作，即“磁势自平衡回馈补偿式直流传感器传感机理 与方法”、“变压器参数在线测试方法”。 电抗器磁势自动平衡原理与差流回馈补偿原理结合、构成的直流传感机理与 方法是国家自然科学基金项目“磁势自平衡回馈补偿式直流传感机理与方法”的 主要内容之一。长期以来直流电流的传感技术，由于不象交流那样存在互感原理， 而显得相当麻烦和棘手，致使在直流电流传感机理与方法的研究方面一直被世人 所关注。无论是在电解、电镀、电气机车、高压直流输电等直流强电流领域，还 是在电力系统继电保护、电信等直流弱电领域，直流电流的测量、监控问题都非 常关键。如直流强电流测量领域，直流传感原理的准确性、可靠性，对节能降耗 提高经济效益意义重大。仅电冶炼、电化学、电镀、电气机车行业，每年消耗的 直流电量达1 5 0 0 亿千瓦小时，而直流传感器的现场实测误差只有百分之六十的比 例达到0 5 以内，不少超过1 ，而且稳定性、可靠性差【l j ，每年涉及到8 亿多千 瓦小时电能的节约与浪费。 西电东送是我国开发大西北能源资源的项基本国策，直流输电是西电东送 的重要方式，直流传感器是直流输电系统中测量、控制和保护用的关键设备【2 j 。而 这些设备多年来依赖进口，这将制约着我国在该领域科学技术的研究和民族工业 的振兴。其问题的关键，必须加强我国直流电流传感机理与方法的研究，形成具 有我国自己特色的直流传感理论与技术基础。 “变压器参数在线测试方法”的研究对电力变压器的安全运行具有重要意义。 然而变压器作为电能传输中的关键设备，不发生故障也是不可能的，正如飞机在 飞行、起降中不可能没有事故一样，能否在变压器上装有象飞机上的“黑匣子”， 用来记录识别事故，便于查找事故原因，界定事故的责权关系以杜绝事故，是一 项非常有意义的重要课题。许多变压器生产厂家、用户迫切需要开发出一种变压 华中科技大学硕士学位论文 t ；= = ；= = = = = = = = ；= = ；= = j = = 器故障识别装置，在线采集、记录、识别其变压器铁耗、铜耗等参数指标，以衡 量变压器运行质量，使故障发生时能即时记录、识别，防止事故进一步扩大，同 时使厂家与用户双方责权明确。 1 2 国内外概况 纵观国内、国外的研究现状表明，直流电流传感器按检测控制原理可分为开 环测量原理与闭环测量原理。直流分流器f 卦、直流电流互感器 4 1 、霍尔检测式传感 器【5 】等属开环原理：霍尔零磁通传感裂6 l 、磁调制比较仪【7 】、磁放大比较仪【8 】、双 重磁检测式比较仪【9 】等属闭环原理。这些传感器各自有很多优点，但基于测量原理 和方法的局限性是难以避免的。开环原理具有电路结构简单、体积小、重量轻、 且不存在系统振荡问题的优点，但存在测量数据准确性、稳定性、线性度不高、 抗干扰能力差的弱点。闭环原理具有测量准确度高、线性度好、抗干扰能力强的 优点，但存在闭环系统因开环放大倍数高( 一般大于1 0 0 0 倍) 而带来的稳定性问 题、以及电路结构调试复杂、大功率驱动棘手的弱点。能否研究出一种直流电流 测量原理和方法，将开环原理与闭环原理进行交叉，将两种原理的优点结合起来， 而剔除其缺点，构成一种新的电流传感原理与方法。能象交流电流传感器( 交流 电流互感器、交流电流比较仪) 那样，准确度高、线性度好、抗干扰能力强，不 存在系统振荡和大功率驱动的问题、高稳定、高可靠，且电路结构调试简单。研 究这种直流电流传感原理与方法，不仅在理论研究的价值方面，还是在国民经济 的急需方面，是具有重要创新意义的科学技术研究课题。 本项目是在完成2 0 0 1 年已结题的国家自然科学基金项目 1 0 1 1 1 双重磁检测器 强电直流传感理论与方法研究”( 简称双重磁检测器项目) 基础上的创新，其原理 与方法与已结题项目存在着本质上的差别。双重磁检测器项目是基于磁调制器与 磁放大器有机交叉结合的检测方案、构成大功率驱动及高反馈增益的闭环系统， 它对传统的磁调制器比较仪原理存在的虚假平衡等棘手问题是一次理论与方法上 的突破，但本质上它仍属经典的闭环原理，其高反馈增益、大功率驱动问题不可 避免。本项目拟研究基于开环与闭环原理相结合、构成所谓磁势自平衡回馈补偿 式直流传感机理与方法。本项目创新、独特之处在于提出了利用铁芯矩形磁化曲 2 华中科技大学硕士学位论文 ；= = = ；e e # = = = ；= = = = # = 目= 一 线的特性，建立起直流磁势平衡的思想方法，并通过对电抗器铁芯结构的合理设 计，巧妙地实现安匝差检测，构成差流回馈补偿系统，而不是高增益的闭环系统。 既实现了闭环补偿，又避免了经典闭环系统高反馈增益导致的振荡和大功率驱动 问题。本项目已经对些技术方案进行了模拟和预研，并且取得了一些初步结果 u 2 1 。 “变压器参数在线检测方法”与以往研究不同之处在于这种方法介绍了如何 在线检测变压器的铜耗、铁耗参数，从而增加了变压器故障检测装置的功能。虽 然对于变压器的诊断与保护、变压器的故障机理，国内外的学者都有了深入的研 究，但是在变压器上装有像飞机上的“黑匣子”，用来记录识别事故，便于查找事 故原因，界定事故的责权关系以杜绝事故，尚没有真正成功。本项目的研究，将 填补国内外在该方面的空白。 1 3 本课题的任务 如前面所述，本课题有两个子课题组成，那么本课题的研究任务也是围绕这 两个子课题展开的。下面分别从两个方面给出本课题的任务： ( 1 ) 磁势自平衡回馈补偿式直流传感器传感机理与方法：在深入研究传统串 联型直流电流互感器、磁放大器的工作原理的基础上，提出一种新型直流传感理 论，即磁势自平衡回馈补偿式直流传感机理与方法，研究其传感机理与方法的理 论依据与技术方案。 ( 2 ) 变压器参数在线检测方法：对变压器的铜耗、铁耗在线检测进行深入研 究，从而研究变压器的故障识别原理，总结出一套新的故障识别理论；解决好检 测方法与检测误差问题；在深入研究数字信号处理系统理论的基础上，完成d s p 信号处理系统的软硬件设计与调试。 华中科技大学硕士学位论文 = = # = # = = = = = 一= 一 2 磁势自平衡回馈补偿式直流传感器 2 1 引言 本项目的研究目标为建立一种磁势自平衡回馈补偿式直流传感机理与方法。 基于这种新原理和新方法的传感器，既具有直流闭环测量原理准确度高、线性度 好、抗干扰能力强的优点，也具有开环测量原理电路结构调试简单、消除大功率 驱动的困惑、且不存在系统振荡闯题的优点。 2 2 直流电流互感器工作原理 直流电流互感器提供和直流线路电流成正比的直流电流或电压，它的电路基 本上可分为串联和并联两个类型。本文主要介绍串联型直流电流互感器工作原理。 串联型直流电流互感器原理如图2 一l 所示1 2 l ，其中有两个相同的饱和电抗器 c ，和c 。当被测量的直流电流较大时，用一根铜捧贯穿两个电抗器的环形磁芯作 为一次电路，两个电抗器的二次绕组匝数相等，而且反向串联。二次电路接到工 频或频率更高的交流辅助电源。互感器的负载经一个桥式整流电路串接n - ：次电 路之中。一次和二次电路之间通过磁路耦合，电路是相互绝缘的，从而保证了安 全。 泡和 辅助交 流电源 图2 - - 1 串联型直流电流互感器的原理图 磁芯的磁化曲线要求具有较高的矩形系数，而且矫磁力较小。图2 - - 2 为理想 4 华中科技大学硕士学位论文 自= 目= = = ；= = = = = = 一 的磁化曲线。因两个电抗器电路接法的极性不同，分别画出它们的磁化曲线以便 说明工作点的变化情况，其中矫磁力为f 0 。当没有二次电流时，一次电流i 。在每 个磁芯中产生一个磁动势f ，相当于工作在磁化曲线的1 点上，使两个磁芯都达到 深度饱和。因为一次绕组为一匝，f = 厶，所以磁动势也可以用折算到一次侧的 磁化电流来表示。例如矫磁力可用i o 来表示。如果二次电流i 方向如图2 一】所示 二次绕组匝数为n ，则c l 和c z 磁芯的磁动势分别为e = j d + 和如= ，d + n f 电抗器c 和c z 磁化曲线上的工作点都向右移。当电抗器c z 磁化曲线上的工作点移 到2 点时，退出饱和状态oc l 的则仍处于饱和之中。此时 n f 一，d ：，o 或f ：! ( ，d + ，。) ：，：+ ，j 式中i ：j d i j ：i a 同理，如果电流i 反向，而大小等于三( ，d + ，。) 时，电抗器c i 也将退出饱和 状态。 鬻曩乒 - l5 ： 0 3 b 一7 f p h 羹韵葑i f o 一 ( 4 ) 葚薯f i l 4 叶蠢动尊 j 5 8 5 i 6rl 2 ( 矿 6 ， 图2 - - 2 直流电流互感器的理想磁化曲线 ( a ) 电抗器c 。在磁化曲线上的工作点；( b ) 电抗器c ：在磁化曲线上的工作点 当两个电抗器的工作点都处在磁化曲线水平线段上时，两个磁芯都处于饱和 状态。如果曲线具有如图2 2 的理想形状，当工作点沿着水平线移动时，则磁通 华中科技大学硕士学位论文 = = = = 自= = 一：= 不变，也可以说是：这时两个二次绕组的电感都等于零，绕组中的电流由二次电 路中的电阻决定。 当有一个电抗器的工作点沿磁化曲线垂直线段移动时，相当于这个电抗器二 次绕组的电感为无穷大，则绕组中的电流无法变化。 假定辅助电源在二次电路所加的电势为 p = e m c o s c o t 它等于二次电路的各部分压降之和，即 式中1 l r t ，1 l rz 电抗器1 和2 二次绕组的磁链 l t ， l 2 一电抗器1 和2 二次绕组的电感； ( 2 1 ) r 二次电路中的电阻，如其它部分电阻可忽略不计，则等于负 载电阻凡。 二次电路中的电流和各部分压降波形如图2 3 所示。对照图2 2 中的磁化 曲线，从图2 3 中的t ：时刻和图2 2 中相应的工作点2 开始说明。 当辅助交流电源e 送到二次电路中的电流f = 厶+ 厶时，磁化曲线上的工作点 移到2 点。c 。仍处于饱和状态，巾。不变，鱼垒：o 。c ：的工作点已处于饱和和不 讲 饱和的临界点。此后分段加以讨论。 t ：一t 。时间段随着e 的增大，c z 工作点在饱和曲线上从2 点沿右支垂直 线段上移，l 2 为无穷大，i 保持为l + 厶不能变化，因此i r 压降也不变。电势。 除了消除在i r 压降之外，剩余的则消耗在皇墼的压降，即 d r 6 挚磋盟疵喏 晦 红 盟= e r i (22，dt 、 因而 妒2 = ( 8 一r i ) d t( 2 3 ) 在t2 一t a 这段时间内，1 l r z 的变化量1 l r 等于( e r i ) 在这段时间内的积分，即和 电压一时间积分面积a i 成正比例。面积a ，在图2 - - 3 中用阴影面积标出。c 2 磁芯中 的磁通增量= 等，相当于从2 点沿着c z 的磁化曲线右支垂直线段上升到3 点。 囊想酶 ：次毫鼍 ：次电i t 鱼羹电嚣 人脑 i1 ，1 脚j ；叱埭 p7 一 捌 m 岫 一， 量l ( 1 ：+ i ；) r l i ：l ； | j ；+ i i i i i 一 _ 一 f - - i 一 f 上 砒 j 一 - l - - _ - - 一 一 心一i ；n f 4 ) c 矗) ( c ， ( d ) 图2 3 串联型直流电流互感器的电压和电流波形 t 。一t 时间段在t 3 时，e - r i = o ，没有剩余的电势再使l l ，2 变化。此后，c 的工作点仍在水平饱和线段上，c z 的工作点在磁滞回线内沿着水平线段3 4 左移。 两个电抗器的v 无变化，电势e 全部降落在r 上。由于e 的下降，电流j 减少， 华中科技大学硕士学位论文 = = ；= = = = z = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一：一一= 直到i n 一，d = - i o ，或f _ ，：一，：，即磁化曲线上的工作点从3 左移到4 。 t 一t s 时间段 随着e 的继续下降，c z 工作点沿着左支垂直线段下移。虽 然其中有一段时间e 甚至变为负值，由于c 2 的二次绕组的电感为无穷大，i 保持 于，d - i j 不能变化。从图2 - - 8 可知e r i 和它的时间积分均为负值。到了t 。时 负电压一时间积分面积a 2 的大小等于正电压一时间积分面积a - ，杰减小，工 作点沿左支垂直线段下移到点5 ，回到水平饱和线段上。此后，两个电抗器的工作 点又都沿水平饱和线段移动，没有掣压降，全部负值的e 加于电阻上，使i 瞬时 d f 下降到一( ，：+ ，：) 。c - 磁动势 鼻= i d 一( ，d + i o ) = 一i o ( 2 4 ) 即c 工作点从5 移到临界点5 。 t s t 8 时间段在这一段时间内，重复t 2 一t s 时间段内的相反过程，工作 点沿着5 、6 、7 、8 、8 ( 2 ) 各点移动。所不同的仅在于：c t 和c z 工作状态互换 了，c 。工作点一直位于水平饱和线段上，c 的则有时在垂直线段上移动。这半周 的电流波形和前半周的波形是关于横轴对称的。 前面的讨论是假定磁化曲线具有理想的直角矩形的磁化回线。实际的磁化曲 线在转角处必有一段弧线，加上二次电路中的杂散参数，i 不可能瞬时变化，所以 二次电流i 的波形如图2 - - 3 ( c ) 所示；经整流之后，得到负载r 中的电流，如 图2 - 3 ( d ) 所示，在2 、5 、8 等时刻有缺口。 因此可知：负载中的电流比，：或大或小- + i j ，当磁芯采用矫顽力较小的材 料，例如坡莫合金和特性较好的冷轧硅钢片等，则很小( 在图2 - 3 中为了画得明 显，将，j 夸大了) 。当材料的矩形系数较高时，则缺口也较小。所以负载电流的平 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= = 2 = = = = = ；= = = = = ；= ；= = 一一 均值基本等于l ，而和，d 成正比例。 假定2 、5 、8 等时刻和e 过零点之间的电角度为e 。从4 l = a 2 关系不难求出 。和，：的关系。如果j ：很小时 c o s 口4i f , f r x ( 2 - - 5 ) 2 乜 i d 减小时，o 增大，2 、5 、8 等时刻后移，同时，3 、4 、6 、7 等时刻也有所后移。 当一次侧空载，i a = 0 时，电流和电压波形如图2 - - 4 所示，在此情况下，磁化曲 线的工作点将在矩形回线上移动。两个电抗器均未饱和，面积a 代表当工作点沿 垂直线段移动时两个电抗器中1 l r 或巾的变化量的总和。电流变化时，相应于工作 点在回线内沿水平方向移动。此时互感器负载电流( 图2 - - 4 e ) 平均值并不等于零， 而比厶略小。这现象称为不正确响应，通常以额定电流的百分数表示。显然，磁 芯材料的矫磁力愈小，则不正确响应也愈小。 此外，辅助电源电势e 不应过大，以免在空载时加大了不正确响应。 皂压滚形 ：次电 露渡形 4 ) ( b ) 袭魏= 毒竖= = a c 。， 图2 - 4 串联型直流电流互感器空载时的电压和电流波形 这种串联型直流互感器的测量准确度，一般为在额定电流5 0 以上只能达到 0 5 的准确度。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 3 双向铁心磁放大器工作原理 双向铁心磁放大器原理如图2 - - 5 ( a ) 所示只有两个环形铁，i 二, 3 , 4 , 5 , 1 3 1 ，其动态 b h 特性近似图2 5 ( b ) 。每个铁心上各绕有检测线圈( 这里检测线圈同时也是 激磁线圈) ；在检测线圈外环绕着磁屏蔽，以便抵御外磁场的影响。母排穿过铁心 孔成为磁放大器的一次线圈。母排上的直流大电流即为被测电流。磁放大器的激 磁电源为5 0 h z 的交变电压源，可通过用变压器将2 2 0 v 、5 0 h z 的电压降压得到。 工作时，当母排上的电流，。为零时，两个铁心的激磁状态相同，其内部磁通 也相同。因此在一周期内两检测线圈的平均阻抗也相同。使得磁放大器输出电压 k = 0 。当电流i ， 0 ，在上面铁心中，由，所产生的磁势与激磁电流所产生的 磁势同向叠加，使得该铁心中的磁通趋于饱和。而在下面铁心中，所产生的磁 势与激磁电流所产生的磁势反向叠加，使铁心中的磁通远离饱和。于是在一周期 内上面的检测线圈的平均阻抗小于下面的检测线圈的平均阻抗，因此有k 0 。 当电流， 0 时的情形相反，于是可得 硌 i f 2 = 垂k + ( ) 托2 e 2 五2 e l “ 图3 - - 6 变压器短路原理图 3 1 3 2 负载试验线路及方法 负载试验的线路同空载试验，只是在负载试验时不使用平均值电压表，全部 使用方均根值仪表。由于负载试验时的容量大和功率因数c o s 妒低，是负载试验需 2 0 华中科技大学硕士学位论文 要特别注意的问题。 双绕组变压器试验时，应在额定频率下，将近似正弦波的电压加在一个绕组 上，另一个绕组短路。在施加电压的绕组电流达到额定电流时进行测量，在受到 实验设备限制时，可以施加不小于5 0 额定电流，测得的负载损耗值乘以额定电 流对试验电流之比的平方，再校正到参考温度。 三相变压器的短路试验要测量三相的电压和电流，并以三相的平均值为准。 3 1 3 3 负载损耗的测量结果 单相变压器在温度为t c ，不使用互感器时，测量的负载损耗等于式( 3 5 ) ， 使用互感器时负载损耗见式( 3 6 ) 。 三相变压器在温度为t c ，不使用互感器的二表法测量负载损耗时，其值等于 式( 3 - - 1 3 ) ，使用互感器测量的负载损耗见式( 3 - - 1 4 ) 。 三相变压器在温度为t c ，不使用互感器的三表法测量负载损耗时，其值等于 式( 3 9 ) ，使用互感器三表法测量的负载损耗见式( 3 - - 1 0 ) 。 3 2 变压器铁耗、铜耗在线测量的作用 本变压器故障识别装置的分析原理是基于变压器的铁耗和铜耗的分开在线测 量，以及损耗与变压器工作状态的关系。 因为铁耗反映铁芯的工作状态，铜耗反映绕组的工作状态。一般来说，变压 器三相铁芯绕组铁耗、铜耗各相基本一致，如一相线圈发生导线短接，其在 线测量铜耗比其它两相大，从而可以利用这