摘要：针对电力换流变压器铁芯剩磁产生的励磁涌流问题及电力换流变压器安全运行的影响，在分析换流变压器剩磁产生及消磁原理的基础上，为解决常规交流消磁设备存在消磁时间较长的问题，基于交流消磁法，采用控制SPWM波来对换流变压器进行消磁。研制了换流变压器消磁装置，对已知剩磁的变压器，搭建试验回路进行消磁测量，通过测量环形铁芯的励磁涌流，验证消磁装置的消磁效果。试验结果表明，换流变压器铁芯剩磁通过加载正弦激励后，励磁涌流基本消失，体现了消磁装置的实用性，从而为具有封闭磁路的电力换流变压器中的剩磁研究提供一种测量及消磁方法。
关键词：换流变压器；封闭铁芯；剩磁；消磁；励磁涌流
引言
电力变压器在运行过程中，其内部会产生稳态磁通。当变压器断电切除时，由于回路磁通守恒，稳态磁通不会立即消失，而会保留一个与最末时刻稳态磁通大小相等、极性相同的剩磁。同时，由于铁磁材料固有的磁滞现象，在对电力变压器进行电压比、直流电阻测量等操作后同样会在铁芯中残留剩磁。剩磁使变压器铁芯饱和，在励磁电流中产生大量谐波，这不仅增加了变压器的无功消耗，而且可能引起继电保护装置误动作。大容量换流变压器的剩磁会导致空载或轻载合闸时产生较大的励磁涌流，使保护系统发生动作，较高的励磁涌流将产生过电压，使得断路器跳闸、换流变合闸操作频频失效，甚至烧毁器件，同时也会对换流变产生冲击造成损伤。
当变压器容量较大时，剩磁的危害也会相应增大[1]。在剩磁的估算方面，依据模型计算剩磁提出较早，效果也比较突出，主要是Stoner-Wohlfarth模型（简称SW模型）、Pruduct模型和变压器模型。SW模型主要是针对磁性纳米粒子，利用SW模型构建方程，经插值后得出剩磁[2]。通过分析耦合变压器的互感电路模型，基于场路耦合能量平衡原理计算电感参数和耦合系数[3]。虽然通过模型进行剩磁的优化估算，所得到的结果比较准确，但估算过程比较繁复，容易出错，直接利用合间时刻的剩磁与电流幅值、相角的联系可实现剩磁的准确估算。采用磁通传感器通过测量漏磁场得到剩磁数值，该方法的精确性受限于传感器的安装位置，其仅适用于无油箱的变压器，或者通过变压器通电实验得到励磁涌流的峰值，并根据该峰值得到剩磁的数值[4]。上述方法仅能通过变压器合闸后获得剩磁数值，并不能在合闸前对剩磁数值进行计算。有学者对变压器进行暂态仿真分析的基础上得到了电流－剩磁的表达式，通过对铁芯进行激励，根据测量得到的剩磁进行去磁电流设定[5]，使其剩磁减小为0。基于磁滞回线的变压器剩磁计算方法[6]，从铁磁材料固有的磁滞现象角度分析变压器剩磁产生的原因，提出了基于时间-电流曲线的变压器剩磁检测的方法[7]。通过绘制的磁通与电流关系曲线，可得到铁心的部分饱和磁滞回线，根据获得的饱和磁滞回线来计算铁心剩磁通和剩磁系数[8]。根据激励电源方式的不同[9]，主要分为交流消磁法和直流消磁法。交流消磁方法通过交流电源首先将铁屯、磁通升至饱和，随后采用交变衰减的电压，对铁芯进行消磁。有研究发现变频率定电压方式相比较于变电压定频率方式更加简单且所需消磁时间少，基于研制的消磁装置，对不同结构变压器进行了消磁实验[10,11]，当变压器空载合闸时，铁心中的剩磁使变压器产生较大的励磁涌流，对变压器造成严重冲击，同时产生大量谐波，增加了变压器的无功消耗[12]。通过研究励磁涌流与剩磁及合闸初相角之间的关系，可以得出励磁涌流中的谐波含量情况[13]。基于一种磁隔离的交流电流峰值检测电路，结合峰值电流控制技术可有效抑制初级电流的直流偏置[14]。采用集成电路工艺设计了Ruthroff型传输线变压器，应用于宽带功率放大器，实现负载阻抗的转换[15]。而Jacek Horiszny等人提出通过在变压器低压侧并联电容器来削弱铁芯磁通以抑制变压器励磁涌流[16]。但未完全去除剩磁，因此在应用上存在一定的局限性。综上所述，学者对变压器剩磁估算及直流消磁法做了大量研究，而对交流消磁法及其应用方面还需要进一步的探索分析。
本文首先对变压器消磁原理进行分析，提出一种采用交流消磁控制SPWM波来对换流变压器进行消磁的方法，研制交流消磁装置，对电力换流变压器进行试验验证。
1 变压器消磁原理分析
在电流产生磁场强度H的激励下，铁磁材料（如铁芯）被磁化并以感应强度B描述磁化程度。磁化后的铁芯，若去除电流激励，使H=0，铁磁材料中的磁感应强度虽减小，但并不为零，即B≠0，这种现象称为铁磁材料具有剩磁特性。
当有正弦电流
通过电感时，根据电感的电压-电流的时域关系（式（1）所示），说明电感上的电压-电流都为同频正弦量。
(1)
式（2）为上式变换后的相量形式，从中可以看出电感L上的电流大小将跟随频率和电感电压的变化而变化。
(2)
铁磁材料的剩磁可通过施加适当的反向磁场进行减弱或消失。电力变压器消磁原理主要是通过缩小铁心的磁滞回环，达到消除剩磁的目的，主要分为直流法和交流法。本文主要研究交流消磁法。
交流消磁的原理主要是通入特定规律性交流电流，逐渐减小磁滞回环。由公式2可知当交流电频率一定时，电感电流大小和电感电压呈正比例关系，或者当交流电电压一定时，电感电流大小与交流电频率成反比关系。
图1交流消磁原理—频率不变
Fig.1 AC degaussing principle - frequency unchanged
交流消磁的一种原理如图1所示。向被试变压器一侧施加50Hz交流电压(如发电机)，幅值变化规律如下图所示的交流电压，以被试变压器侧反映的平均值电压表读数为准，逐渐升高电压至额定电压，逐渐降低剩磁，然后将电压幅值缓慢减小，使得磁滞回环逐渐缩小，直到完全去磁。
图2 SPWM（正弦脉冲宽度调制）波
Fig.2 SPWM (sinusoidal pulse width modulation) wave
交流消磁原理是在交流电压幅度不变时，由变频电源提供的频率可变的SPWM（正弦脉冲宽度调制）波施加到被试变压器一侧，SPWM波的波形如图2所示，它就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。当SPWM基波频率变低，变压器绕组电流变大，当其频率变高，变压器绕组电流变小。首先降低基波频率至设定频率，逐渐降低剩磁，然后将频率逐渐增高，使得磁滞回环逐渐缩小，直到完全去磁。这种消磁原理只需保持频率变化而幅值是保持不变的。
常规交流消磁设备消磁彻底，但需要较大的试验设备，现场使用比较麻烦。针对存在消磁时间较长的问题，本文采用控制SPWM波来对换流变压器进行消磁。
2 消磁装置设计
图3消磁装置设计框图
Fig.3 Block diagram of degaussing device design
硬件设计方案框图如图3所示，核心处理器为ARM Cortex™-M4微控制器。通过检测键盘状态，实现对打印机、通信接口RS232信号、液晶屏等外围设备的控制。交流消磁的核心技术是通过微控制器控制变频电源产生SPWM波。通过监测换流变压器的电流及电压信号，实现电路的过流保护以及验证消磁状态的功能。
2.1 ARM Cortex™-M4微控制器
ARM Cortex™-M4微控制器采用RISC架构的ARM微处理器作为CPU设计范例。最重要的是吸取了C51体系所显露出来的问题，在原有系列的基础上，拥有高性能、高速度，甚至是更低的功耗。主要优点体现在：(1)体积小、低功耗、低成本、高性能；(2)支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集，能很好地兼容8位/16位器件；(3)大量使用寄存器，指令执行速度更快；(4)大多数数据操作都在寄存器中完成；(5)寻址方式灵活简单，执行效率高；(6)指令长度固定；
2.2 稳压电路
直流稳压电源选用220V市电，经过变压、整流、滤波、稳压后，最终成为稳定的330V直流电。没有这个过程中的变压、整流、滤波等电路对市电的前期处理，稳压电路将无法正常工作。整个直流稳压模块框图如图4所示。
图4直流稳压模块方案框图
Fig.4 DC voltage regulator module solution block diagram
由电源变压器来改变输入到后级电路的电压，电源变压器由初级绕组、次级绕组和铁芯组成。电源变压器是一种电→磁→电转换器件，即初级的交流电转化成铁芯的闭合交变磁场，磁场的磁力线切割次级线圈产生交变电动势。次级接上负载时，电路闭合，次级电路有交变电流通过。经过变压器变压后的仍然是交流电，需要转换为直流电才能提供给后级电路，这个转换电路就是整流电路。在直流稳压电源中利用二极管的单向导电特性，将方向变化的交流电整流为直流电。交流电经过整流后得到的是脉动直流，这样的直流电源由于所含交流纹波很大，不能直接用作电子电路的电源。滤波电路可以大大降低这种交流纹波成份，让整流后的电压波形变得比较平滑。利用电路的调整作用使输出电压稳定，即在输入电压、负载、环境温度、电路参数等发生变化时仍能保持输出电压恒定。
2.3 变频电源
变频电源是电路中的核心模块，其方案框图如图5所示。基于DSP（Digital Signal Processing）芯片实现数字信号处理。DSP芯片的内部为程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，可以快速的实现各种数字信号处理算法。驱动电路采用NMOS管组成的H桥电路，由DSP芯片控制驱动电路实现SPWM波的生成。
图5变频电源方案框图
Fig.5: Variable frequency power supply scheme block diagram
ARM Cortex™-M4微控制器通过通信接口向DSP芯片发送通信指令，DSP芯片根据当前的电流大小进行判断，选择芯片中预存的电流对应的数据输出，控制驱动电路产生对应基波频率的SPWM波以对变压器进行消磁。
2.4 保护电路
在进行消磁或者验证消磁的情况下，可能会由于一些偶发因素，导致变压器中的电流过大，使得无法进行合闸操作或者使整个装置、系统不能正常工作。为了避免这种情况发生，在电路中设计过流保护电路。
图6保护电路方案框图
Fig.6 Block diagram of the protection circuit
如图6所示，保护电路通过分析电流检测模块传送的电流值，判断是否电流过大，如果电流过大，则立即切断负载开关，然后通过通信接口通知微处理器当前电流过大，使得单片机采取下一步安全措施。相对于单片机控制负载开关的通断来说，这种方式是从硬件层面进行控制，更加安全快速。
负载开关方案有两种，一是通过离散元件实现的负载开关，其特点是结构简单。二是使用集成负载开关，集成负载开关是可用于开启和关闭电源轨的集成电子继电器。基本负载开关包含四个引脚：输入电压引脚、输出电压引脚、使能引脚和接地引脚。
相比于离散开关，集成负载开关可减少物料清单数量、减小解决方案尺寸并缩短开发时间，可减少系统的BOM数量。集成负载开关单个器件可实现栅极驱动器、控制逻辑、输出放电和保护功能，从而显著降低BOM数量。因此本文采用集成负载开关。
2.5电压采样
在消磁及其验证消磁的过程中，单片机通过A/D转换检测被测变压器中的电流信号与电压信号。本文采用的是交流消磁法，需要分析其电压有效值。电工原理中连续周期交变电压有效值计算公式如公式3所示：
(3)
式中：u(t)为电压的瞬时值；T为交流电周期；由于微机所能处理的是离散化的数字信号，因此需要对以上公式进行离散化处理。采用均方根算法时，其相对应的离散化公式如公式4所示：
(4)
式中：N为每周期均匀采样点数；uk为第k点电压采样值；若在一个周期内采样128个点，则AD采样频率应为128*50 = 6400Hz。
在进行AD采样之前，基于电压互感器变换电压，给测量仪表和继电保护装置供电，测量线路的电压、功率和电能，在线路发生故障时起保护作用。因此电压互感器的容量很小，一般都只有几伏安、几十伏安。
2.6电流采样
分析流经变压器的电流还有一个重要原因就是防止通过变压器的电流过大使变压器无法合闸或者发生故障。电工原理中连续周期交变电流有效值计算公式如公式5所示：
(5)
式中：i(t)为电流的瞬时值；T为交流电周期；由于微机所能处理的是离散化的数字信号，因此需要对以上公式进行离散化处理。采用均方根算法时，其相对应的离散化公式如公式6所示：
(6)
式中：N为每周期均匀采样点数；ik为第k点电流采样值；若在一个周期内采样128个点，则AD采样频率应为128*50 = 6400Hz。
在进行AD采样之前，首先需要利用电流互感器测量电流。电流互感器的原理是依据电磁感应原理的，由闭合的铁心和绕组组成，一次绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中，二次绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它的二次回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作状态接近短路。
2.7通信接口（RS232）
RS-232接口符合美国电子工业联盟（EIA）制定的串行数据通信的接口标准，是现在主流的串行通信接口之一。逻辑“1”为-3 ~ -15V；逻辑“0”：+3 ~ +15V ，噪声容限为2V。即要求接收器能识别高于+3V的信号作为逻辑“0”，低于-3V的信号作为逻辑“1”。
本文使用RS232串口对消磁结果数据与PC之间进行通讯，这些数据可用来保存或者进行分析。也可由PC发送串口指令对设备进行调试以及升级。
由LCD液晶屏显示测试信息以及用户的菜单指令选择信息。基于串口屏作为显示方案，其中通讯部分由串口通讯，UART串口或者SPI串口等组成；它通过接收用户单片机串口发送过来的指令，完成在LCD上绘图的所有操作。
3消磁试验验证
3.1 消磁试验影响因素分析
影响消磁试验效果的因素主要包括消磁频率、波形、幅值及周期与消磁效果的关系。
1）消磁频率对消磁效果的影响主要体现在涡流损耗对消磁场能量的消耗。交变磁场中，铁磁材料除产生涡流以外，由于磁感应强度B的变化滞后于外磁场的变化，B的振幅由铁磁体表面向内逐渐减弱，有可能导致磁场只存在于铁磁体表面的一层，造成集肤效应，会对消磁效果产生一定的影响。
2）消磁波形与消磁效果的关系，给出一个函数f(x)，对其中任意的x∈(-∞,+∞)收敛，经过傅里叶变换可得：
(6)
由公式（6）可得，矩形波，三角波等都可以分解成不同频率的正弦波的叠加，消磁过程频率高，产生涡流和集肤效应对消磁效果的影响也越大。因此为了减小交流磁场中高频谐波的影响，应选择便于在实际试验条件下实现的，频率单一的低频正弦波形。
3）消磁幅值与消磁效果的关系，消磁过程是将固定取向的磁畴排布变成没有固定取向的过程，通过外加磁场对材料作用来实现的。通过提供足够的能量，将磁畴分布打撒，要求消磁场的能量大于材料原来固有磁场的能量。但是实际情况下对材料的剩余磁感应强度测量难度大，所以消磁幅值一般选取接近饱和磁通的值，以确保消磁效果。
4）不同的电磁特性对消磁效果产生不同的影响，包括电阻率和磁导率的影响。电阻率对消磁效果的影响主要通过涡流损耗体现。在同一消磁频率下，电阻率较大的材料，涡流损耗较小，这样消磁效果带来的误差影响较小。磁导率对消磁效果的影响主要是对集肤效应的影响，磁导率大的材料，集肤深度低，则该用较低频率的消磁场进行消磁。
3.2 消磁试验及结果分析
通过微控制器控制变频电源产生SPWM波，根据已知剩磁的大小与方向确定首次加载负向交流激励，一定时间后，减小交流激励幅值并反向激励，加载一定时间以后再次减小交流激励幅值且进行反向激励。如此反复操作，使加载在工件两端的激励递减到零。通过搭建消磁电路，手动控制交流换向电流，对环形铁芯进行消磁操作。剩磁的消磁试验回路图如图7所示。通过检测换流变压器测量线圈电流变化，验证消磁效果。图8为给对应铁芯剩磁时，加载正弦电压激励换流变压器，测量线圈中的电流波形。
图7 消磁装置试验连接图
Fig.7 Degaussing device test connection diagram
图8 剩磁存在下的电流波形
Fig.8 Current waveform in the presence of residual magnetism
图9 剩磁存在与消磁后的电流波形对比图
Fig.9 Comparison of current waveforms after residual magnetization and degaussing
图9对比了试验中环形换流变压器铁芯存在剩磁与消磁后，通过示波器读取的测量线圈中电流变化值波形。可见，存在剩磁与消磁后对应的电流波形有明显变化。通过图形分析可知，存在剩磁时，电流存在明显偏向一侧的励磁涌流，而换流变压器铁芯剩磁的消磁试验后，加载正弦激励后，励磁涌流基本消失。
测量结果表明交流换向减幅消磁方法具有很好的消磁效果。验证了本文所制备的应用于换流变压器的消磁装置具有很好的消磁功能。本方法通过监测暂态合闸时刻铁芯测量线圈中电流变化值的大小，可有效地测量铁芯剩磁的实时情况。这将延长电力换流变压器寿命并将为使用各种试验方法进行状态评估时提供更可靠的测试结果。
4 结论
本文针对电力换流变压器铁芯剩磁产生的励磁涌流问题及其对电力换流变压器安全运行的影响，对换流变压器消磁原理进行分析，提出了一种采用交流消磁控制SPWM波对换流变压器进行消磁的方法，研制交流消磁装置，详细介绍了微控制器、稳压/变频电源、保护电路、电压/电流采样电路的设计。对电力换流变压器进行了消磁试验，通过测量环形铁芯的励磁涌流，观察消磁装置的对消磁效果。试验结果表明，换流变压器铁芯剩磁通过加载正弦激励后，励磁涌流基本消失，通过消磁前后的测量电流波形对比，证明选取的去磁方法能够更有效地削弱剩磁。对暂态激励时刻铁芯测量线圈中电流变化进行连续测量，掌握铁芯剩磁的实时情况，对其进行有效消磁，从根本上减少励磁涌流对变压器的影响。
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论文作者:刘志远1,于晓军1,邹洪森1,张帅2
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/8
标签：剩磁论文; 电流论文; 变压器论文; 电压论文; 电路论文; 测量论文; 频率论文; 《电力设备》2019年第6期论文;