典型暂态过电压下变压器铁芯磁化动力学特性与计及磁频散和磁后效的暂态磁滞模型

The study on the transformer transient hysteresis modeling based on the magnetization dynamics of the transformer core is the key point and difficulty in this field. The main purpose of this project is to build a hysteresis model for transformer core. A platform for measuring the electromagnetic parameters of a scale-down transformer is built firstly. Based on the platform, the magnetic processes of the transformer core are acquired by experiment under the effect of different typical transient overvoltages, such as the sinusoidal alternating voltage, the lightning impulse, the switching impulse, the damping oscillation wave, and the superposition overvoltage of power frequency voltage and different transient overvoltages. The magnetization dynamics of the transformer core under different typical transient overvoltages are obtained. Then, the influence rule of the key waveform parameters on the magnetization dynamics is also acquired. Based on the electromagnetic parameters and the magnetization dynamics acquired above, the hysteresis operator and the distribution function of the Preisach model are modified and determined by using the classic Preisach model theory. Afterward, the transformer core transient hysteresis model considering the magnetic dispersion and aftereffect is established based on the research above. Finally, a transformer model is set up based on the hysteresis model, and applied in ferroresonance and energizing no-load transformer analysis for validation. The implementation of the project can provide an important theoretical basis and technical support for the transformer manufacturing, transformer relay protecion, dynamic modeling of transformer, and electromagnetic transient simulation research in power systems.

基于变压器铁芯磁化动力学特性的变压器暂态磁滞建模研究一直是本领域的重点和难点。本项目拟以变压器为研究对象，以磁滞建模为主线，以变压器铁芯磁化过程典型电磁参量测量为切入点，搭建等比例缩小变压器电磁参量测量平台，系统研究电力系统中正弦交变电压、雷电冲击波、操作冲击波、衰减振荡波以及工频叠加不同暂态过电压下变压器铁芯的磁化过程，获取不同典型暂态过电压下变压器铁芯磁化动力学特性及关键波形参数对其影响规律；以经典Preisach建模理论为基础，以试验研究所获取的电磁参数和磁化动力学特性为依据，改进并确定Preisach模型磁滞算子及分布函数，提出计及磁频散和磁后效的变压器铁芯暂态磁滞模型，以此搭建变压器模型，并在铁磁谐振及合闸空载变压器两种情况下进行应用和验证。本项目的实施可以为变压器制造、变压器继电保护、变压器动态建模以及电力系统电磁暂态仿真分析研究提供理论和技术支撑。

本项目的研究目标是揭示电力系统典型暂态过电压作用下变压器铁芯的磁化过程和磁化规律。以试验变压器为研究对象，通过研究不同的铁芯磁滞模型及其改进模型，建立变压器的低频暂态模型，并对变压器合闸励磁涌流及铁磁谐振等常见的电磁暂态现象进行了仿真和试验验证。取得的成果如下：.① 搭建了变压器铁芯磁化动力学特性测量试验平台，通过任意函数发生器配合功率放大器作为激励电源，对试验变压器施加了不同频率和幅值的正弦电压波形，通过高精度宽频多通道数据同步采集与存储系统在线测量该空载变压器上的电压和励磁电流，得到了参数的变化对变压器铁芯的磁化动力学特性的影响规律。.② 通过对电磁参数的本构关系进行推导计算，得到了以Φ-I表示的经典Preisach模型，并推导建立了以Φ为输入变量的Preisach逆模型；以Preisach逆模型为基础，对中心回线辨识方法进行了改进，基于不同幅值的静态局部磁滞回线簇的测量，对I-Φ型Preisach逆模型的分布函数进行了参数辨识，并通过试验验证了辨识方法的准确性。.③ 从变压器铁芯损耗出发，对变压器的电流成分进行了分析，得到了以静态磁滞分量、涡流分量和额外分量表示的三分量电流模型。静态磁滞电流和涡流电流分别通过改进的Preisach逆模型和经典的涡流方程计算得到，额外电流成分是基于最优化算法获取参数，最后建立了具有频率依赖特性的Preisach动态磁滞模型。.④ 从JA能量平衡方程出发，推导建立了包含磁滞损耗、涡流损耗以及额外损耗的动态JA磁滞模型，并采用无磁滞磁化曲线修正朗之万函数，使动态JA模型满足各项异性特性，并且着重解决了JA磁滞模型中铁芯动态损耗以及各向异性特性在电磁暂态软件中的表征问题，建立了基于EMTP-ATP的Φ-I型JA磁滞电感。.⑤ 以铁芯磁滞模型为核心，搭建了全物理耦合的变压器电磁对偶暂态仿真模型；研究了此模型在铁磁谐振，不同频率的激励，直流偏磁和变压器的空载合闸等变压器常见暂态过程下的特性，通过仿真和试验对比验证了所提出的变压器铁芯暂态磁滞模型在暂态仿真中的准确性和实用性。.