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摘要：为避免变压器低频加热过程中铁芯因频率过低而导致磁通进入深度饱和，文中深入分析电压频率对变压器铁芯饱和产生的影响，提出了变压器低频加热过程中防止变压器铁芯饱和的约束条件和临界饱和频率计算公式，通过仿真试验证明文中理论分析的正确性，为工程实践提供具有重要的理论依据。
关键词：变压器；低频加热；干燥；铁芯饱和
Study on Iron Core Saturation of Large Transformer in Low Frequency Heating
JIANG Bingliang，ZHANG Xiaodong
（Skills Training Center of the State Grid Jibei Electric Power Company Limited，Baoding，Hebei 071003，China）
Abstract：In order to avoid the deep saturation of magnetic flux due to the low frequency of the core during the low-frequency heating of the transformer，the effect of voltage and frequency on the saturation of the transformer core is deeply analyzed in this paper.The conditions of frequency selection for transformer in low frequency heating are derived，and the influence of voltage and frequency on transformer core saturation is analyzed. The constraints conditions witch how to aviod iron core saturation of transformer and minimum heating frequency formulas in low frequency heating process are proposed，the simulation results show the correctness of theoretical analysis in the paper. It will provide important theoretical basis for engineering practice.
Keywords：transfomer；low frequency heating；dry；iron core saturation
引言
大型电力变压器通常采用热油循环法进行器身干燥[1-2]，因受到滤油机循环速度和部分变压器体积较大等因数影响，加热时间长、温升慢、现场实际干燥效果并不理想；尤其是在寒冷地区，即便采用各种保温措施，也难以达到工艺要求。
低频短路法是在传统工频短路法的基础上发展起来的一种辅助加热方法，可有效配合热油循环从绝缘内部向外加热，绝缘加热更为均匀，能够大幅缩短加热时间，提高工作效率。与传统工频短路法相比，低频短路法对电源容量及电压等级要求较低，一般现场均可满足，又因其无需进行无功补偿，加热装置体积较小，便于运输[3-4]。
本文提出了变压器低频加热时防止铁心饱和的约束条件，即低频加热时的压频比（U/f=恒值）应小于额定工控下的压频比，并给出了变压器铁芯饱和临界频率值的计算公式，最后通过仿真软件分析了不同频率对变压器铁心饱和的影响，验证了文中提出的变压器临界饱和频率值的计算法的正确性。
1.低频加热电源频率选取
变压器低频加热原理如图1所示。
图1 变压器低频加热原理图
Fig.1 Principle diagram of transformer low frequency heating
低频加热装置由低频加热电源和控制系统组成，被试变压器二次侧短路，一次侧通入低频短路电流，利用变压器负载损耗产生的热量加热变压器绝缘，配合滤油机可大幅缩短变压器干燥加热时间，提高工作效率。
2.变压器铁芯饱和问题分析
通常，为了提高铁磁材料的利用率，电力变压器的激磁电流i0和主磁通φ的特性曲线一般设计在额定频率和额定电流下磁化曲线进入饱和时的“膝点”附近[5]，因此，额定工况时主磁通φm与饱和值非常接近，则有：
由式（7）可知，变压器低频加热时，若频率变化速度大于外施电压变化速度，则铁芯磁路进入饱和状态，变压器激磁电流急剧上升，变压器铁芯温度升高；若铁芯进入深度饱和，磁通达到最大值而不再变化，主磁通变化率趋于0，致使二次侧线圈不能感应电动势，二次侧感应电流亦将趋于0，致使低频加热时变压器铁芯发热不均匀。
为避免变压器低频加热时铁芯进入饱和状态，施加在变压器一次侧的电压与频率须同时变化，应满足式（8）约束条件，即：
3.变压器铁芯饱和仿真研究
以型号SF9-8000/35电力变压器为例，其额定电压为：35kV/6.3kV，额定电流：132A/423.28A。短路阻抗：7.5%，单相直阻（75oC）：Rk=0.91Ω，额定工况下短路电抗Xk=19.8Ω。
根据式（6）可求出低频加热电源输出电压频率取值范围为：
0.46Hz<f<1.15Hz
根据式（12）可计算出临界饱和频率：
f≥0.3Hz
当输入电流为额定值I1=I1N=132A时，根据式（1）可求出不同频率下电压值如表1所示：
表1 额定电流下不同频率下的电压值
Table.1 the voltage value with different frequency
由于额定工况下的压频比U1N/fN=404.157，因此，当频率f>0.3Hz时，可避免变压器进入饱和状态；考虑到变压器功率因数等综合因数，频率f取（0.46~1.15）Hz 是较为合适的。
当变压器电流为额定电流I1N时，不同频率下一、二次侧电流波形如图4-图7所示。
图6 f=0.02Hz时的一二次侧电流波形
Fig.6 the transfomer current waveform at f=0.02Hz
由上图对比分析可知，当频率为0.3Hz时，变压器开始进入饱和，二次侧电流波形开始畸变，当频率继续减小，变压器则进入饱和，变压器波形畸变严重，且二次侧感应电压开始减小。当变压器达到深度饱和时，变压器二次侧感应电压趋于0。
4.结论
文中深入分析了变压器低频加热时频率变化对变压铁芯饱和产生的影响，当变压器铁芯进入饱和状态时，二次侧电流发生畸变，电压幅值随铁芯饱和程度的增大而降低，当铁芯进入深度饱和时二次侧电流甚至降为0，低频加热时，导致绕组加热不均匀，严重影响变压器的干燥效果。为了避免这一现象发生，文中给出了低频加热时防止铁芯饱和的最低频率选取约束条件，仿真试验结果证明该约束条件正确可行，为工程实践提供重要的理论支持。
参考文献：
[1]吴晓娜.浅谈采用热油真空干燥工艺对变压器进行干燥的方法[J].变压器，2011年6月，48（6）：33-34
[2]马正春.浅析大型电力变压器绝缘受潮的判断及干燥方法[J].中国高新技术企业，2015年10月，第10卷：153-154
[3]黄国强，李良书，李为，盛志平，刘富元.变压器现场绕组低频加热技术及装置研制[J].陕西电力，2013年12期：89-93
[4]朱小帆，查小明，秦亮，黄坡.基于无源性控制的变压器低频加热电源[J].电力自动化设备，2015年6月，第35卷第6期：166-171
[5]谢毓城.电力变压器手册[M].机械工业出版社，2014年6月：35-56
论文作者:姜秉梁,张晓东
论文发表刊物:《河南电力》2018年21期
论文发表时间:2019/5/21
标签：变压器论文; 低频论文; 频率论文; 铁芯论文; 电压论文; 电流论文; 干燥论文; 《河南电力》2018年21期论文;