基于谐波电阻的变压器箔式绕组温升在线修正.pdf
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1、控制与应用技术IEMCA电机与控制应用 2 0 2 3,50(8)基于谐波电阻的变压器箔式绕组温升在线修正*弓子钧,张博,董婷(沈阳工业大学电气工程学院,辽宁沈阳摘要:绕组热点温度是配电变压器在线监测的重要指标,而现有的绕组温升在线计算方法未考虑箔式绕组结构产生的影响。通过配电变压器不同谐波下等效电阻比值对箔式绕组结构进行辨识,然后对比线绕式和箔式两种绕组结构发热差异,对一种通过绕组电阻变化计算绕组温升的算法进行了在线修正。该方法提供了一种通过谐波电阻比值预测箔式绕组热点温度的新思路。关键词:配电变压器;在线监测;热点温度;绕组结构辨识;谐波电阻中图分类号:TM406doi:10.12177/
2、emca.2023.086110870)文献标志码:A文章编号:16 7 3-6 540(2 0 2 3)0 8-0 0 18-0 8On-Line Correction for Temperature Rise of Foil Winding in TransformerBased on Harmonic ResistanceGONG Zjun,ZH A NG Bo,D O NG T i n g(School of Electrical Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)Abstract:H
3、ot-spot temperature of winding is an important indicator for on-line monitoring of distributiontransformers.However,the existing on-line calculation methods for winding temperature rise do not consider theinfluence of foil winding structure.The structure of foil winding is identified by equivalent r
4、esistance ratio ofdistribution transformer under different harmonics,and comparing the heating difference between the wire windingstructure and the foil winding structure,an algorithm for calculating the winding temperature rise through changes inwinding resistance was online corrected.This method p
5、rovides a new idea for predicting the hot-spot temperature offoil winding through the ratio of harmonic resistance.Key words:distribution transformer;on-line monitoring;hot-spot temperature;winding structureidentification;harmonic resistance2提出了一种通过变压器运行绕组电阻变化反0引言推绕组温升的算法。即根据绕组电阻与温度变化随着电网智能化的发展,配电变压
6、器在线监成正比关系,通过在线计算配电变压器绕组等效测变得越来越普及,变压器的热点温度作为影响电阻变化,间接计算出绕组的温升。此方法由电变压器运行安全与使用寿命的重要指标,其在线阻变化反推绕组温升,不需要过于复杂的信息进监测显得尤为重要 。行建模,适用于配电变压器的场景。但是,箔式绕目前配电变压器在线监测主要依靠测量端口组变压器在运行过程中存在趋肤效应,绕组端部数据进行计算。对于热点温度的在线监测,文献电流密度高,导致绕组的端部过热 3。因此,利用收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 0;收到修改稿日期:2 0 2 3-0 4-17*基金项目:国家自然科学基金项目(52 2 0 7 0 6 4)
7、作者简介:弓子钧(1994一),男,硕士研究生,研究方向为变压器状态监测张博(198 7 一),男,博士,副教授,研究方向为变压器设计。(通信作者)董婷(198 2 一),女,教授,博导,研究方向为直线电机设计。一18 一电机与控制应用2 0 2 3,50(8)上述方法对箔式绕组配电变压器进行绕组温升在线监测并不能反映出箔式绕组的热点温度。配电变压器运行状态下的谐波含量较多,很多算法利用谐波进行在线监测。文献 4 通过谐波对变压器套管介损因数进行检测,文献 5 通过对配电变压器励磁涌流时的二次谐波分量衰减特性对涌流进行辨识。文章通过配电变压器端口电压电流信息,利用绕组等效电阻在不同谐波下的变化
8、率,对配电变压器箔式绕组结构进行辨识。结合箔式绕组有限元仿真分析给出温升修正系数,对文献2 给出的温升在线监测方法进行修正。使其可以在线辨识出箔式绕组,并进行绕组热点温度修正。1配电变压器箔式绕组辨识基本原理导体在交变电流中存在趋肤效应,电流密度在导体中的分布与导体结构及电流频率有关。线绕式绕组线径较小(一般为圆导线或扁线绕制),电流密度在绕组中分布较为均匀。箔式绕组由铜箔绕制,其轴向高度较高,电流密度主要分布在绕组端部。由于二者结构不同,箔式绕组在不同频率激励下的等效电阻值随频率变化趋势与线绕式绕组不同。配电变压器工作在50 Hz频率的交变电流下,负载电流中常伴有三、五次谐波。箔式绕组结构在
9、交变电流下存在趋肤效应导致绕组端部过热,应用文献 2 中算法在线监测绕组热点温度时会产生误差。本节通过谐波电阻变化率的差异,对箔式绕组结构进行辨辩识。由于变压器在运行的场景下频率较低,所以可对麦克斯韦方程组作简化:(VxH=EV.B=0aBVxE=-at(V:D=0式中:H为磁场强度;B为磁感应强度;E为电场控制与应用技术IEMCA在圆导线绕制的线绕式绕组中,导体截面为圆形,文献 6 中推导了导体中的电流密度随导体位置变化的方程,对于线绕式绕组来说,其电流密度随导体位置变化的方程如下:二oJ(r)=J.e2=式中:r为导线截面上点距中心距离;r。为绕组半径;8 为趋肤深度;为角频率;J。为电密
10、边界值。对于线绕式绕组其等效谐波电阻如下:pJ(r)22Trdr-oJoe2rdr0PR.=式中:P为绕组消耗功率;I为绕组电流;p为绕组电阻率;R,为绕组等效谐波电阻。可见其谐波电阻变化率会受到线径的影响。在变压器的设计中,当所需导线截面积小于10mm时,从工艺上考虑应选用圆导线。其中,圆导线的直径不宜超过3.7 5mm,当单根导线截面积大于10 mm时要选用扁线。绕组趋肤效应随着绕组截面积的增大而增大 6 。定义绕组在不同频率激励下的等效电阻与50Hz下等效电阻值的比值为绕组的谐波电阻比值,求其上限值。根据上述设计规范,圆导线半径的变化范围为0 2 mm,施加50 30 0 Hz频率的激励
11、,观测电阻变化率随导线半径r的变化,其结果如图1所示。1.006+r=0.5 mm1.005r-1.0 mm(1)Ar-150mm1.004r=2.0 mm1.0031.0021.001(3)(4)A444强度;为绕组电导率;D为位移电流。对式(1)进行整理,结果如下:E=uoEat式中:为磁导率。1.00050100150200250300频率/Hz(2)图1圆导线绕组谐波电阻比值随半径变化从图1中可以看出圆导线在半径0 2 mm,一19 一控制与应用技术IEMCA随着导体线径增大,频率升高,绕组谐波电阻比值总体变化较小近似为1。对于扁线来说,其最大宽度不超过14 mm,宽厚比一般取3。所以
12、取扁线宽为14 mm,厚度4.33mm,对其谐波电阻变化率进行仿真,其结果如图2 所示。1.051.04Fd-7 mmd-1l mmd-14 mm1.011.0050100150,200250300频率/Hz图2 扁线绕组谐波电阻比值随宽度变化由图2 可知,对于扁线绕组来说,其谐波电阻比值随其宽度增加而增大。对于箔式绕组来说,其截面近似为矩形。以下分别推导其等效电阻随频率、铜箔宽度、厚度变化的函数式:P=,pJ(x)wdxd电机与控制应用2 0 2 3,50(8)由上述分析可以得出,一般情况下箔式绕组的三谐波电阻与基波电阻的比值多在1.1以上,而线绕式绕组的比值则在1 1.0 5之间,可见谐波
13、次数越高其比值相差越明显。对于变压器绕组电阻的在线计算方法已有多篇文献给出。文献 7 给出了利用三次谐波计算短路电阻的方法,文献8 给出了基于Tikhonovd-5 mm正则化方法计算短路电阻的方法。利用负载电流不同频次分量计算得出谐波电阻比值可对配电变压器的箔式绕组结构进行辨识。且随着谐波频次增高,线绕式与箔式绕组的谐波电阻比值相差越大越易区分 9。因此,当台区内高频谐波较多时,可以利用更高频次的谐波电阻值来进行比较,使辨识结果更加准确。2配电变压器箔式绕组热点温升修正方法文献 2 中提出的温升计算方法如下所示:R:-R.T=(K+T.)-(T,T.)(6)R。0式中:T为绕组温升R。为参考
14、温度T,下的等效电阻;R为运行一段时间后的T,环境温度下Jewdx.d二0PR.=式中:d为箔式绕组宽度;w为箔式绕组厚度。可以看出箔式绕组的谐波电阻随宽度d与厚度w变化,在MAXWELL中建立10 层箔式绕组模型,设每层厚度为W。仿真结果如图3所示。1.401.35w=1.0 mmw=1.5 mm1.30w=2.0mm盘1.2 5w-2.5mm1.101.051.000.95501100150200250300频率/Hz图3箔式绕组谐波电阻比值随厚度变化由图3可知,箔式绕组在宽度一定的情况下,随着铜箔厚度变大,其谐波电阻变化比值变大,且在三次谐波下其谐波电阻比值均大于1.0 5。一2 0 一
15、(5)的等效电阻,对于铜绕组K=235。但由于箔式绕组存在端部过热情况10,式(6)不能反映出箔式绕组的热点温升。本节通过有限元仿真分析箔式绕组的温升规律并给出箔式绕组热点温升修正系数,对式(6)作出修正。为分析在不同负载程度下箔式绕组与线绕式绕组的温升差异,在MAXWELL软件中建立了箔式绕组与线绕式绕组的低压绕组等效模型。箔式绕组由于一般为多层绕制,所以建立10 层的箔式绕组模型,线绕式绕组由于其电密均匀,所以简化为矩形绕组进行计算,其模型如图4所示。箔式绕组线绕式绕组图4箔式绕组与线绕式绕组等效模型参考一台SCB10-1000箔式绕组变压器 电机与控制应用2 0 2 3,50(8)分别设
16、定0.8 6、1.36、1.8 6 A/mm的激励进行温度场仿真。电流密度分布如图5所示。8+J-1.86 A/mmJ-1.36A/mm7J-0.86A/mm6543210-0.200.20.40.60.81.01.21.41.6轴向位置/m图5箔式绕组轴向电流密度分布由图5可知,导体的电流密度端部变化最为明显。沿导体两端1、2、4、8、16、32 mm处分别取为P1至P5段、余下部分近似为发热均匀的P6段。每段热流密度结果如表1、表2 所示。表1箔式绕组不同负载下热流密度电流密度/位置(Amm2)P1P2P30.86P4P5P6P1P2P31.36P4P5P6P1P2P31.86P4P5P6
17、表2 线绕式绕组不同负载下热流密度电流密度/(Amm-2)损耗/W热流密度/(Wm-3)0.8626.7781.3666.9681.86125.261将表1和表2 的结果施加在绕组上进行温度场仿真,轴向温升对比如图6 图8 所示。控制与应用技术IEMCA线绕式绕组箔式绕组54.772max74.479max54.76373.07054:75471.66154:74670.25354.73768.84454.72867.43554.72066.02754.71164.61854:70263.20954.694min6i.801min图6 电密J=0.86A/mm时绕组温升对比线绕式绕组C99.7
18、96max99:77499:75299:73199:70999.68799.66599.64399.62299.600min图7电密J=1.36A/mm时绕组温升对比线绕式绕组164.33max热流密度/164.29损耗/W164.24(Wm)164:20164.1642.911 47911 07134.49575366 19613.102 9269 54814.191 7837 66323.488 8931 168104.614 630848101.1012 146 51881.78386818931.963169 65935.48994 18659.34478747265.93678 41
19、9163.2853 466 780134.4561 427 35055.995297 21465.764174 534113.237150 261519.0411530554.061041.021051.90105箔式绕组145.66max142.35139.04135:73132:41139:10125:79122.48119.17ii5.86min箔式绕组237-54max232.26226:99221.71216.43164.1221115164:08205.87164.04200.59164:00195:31163.96min190.03 min图8 电密J=1.86A/mm时绕组温升
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