硅钢铁芯极限磁滞回线的测试装置及测试方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种在220V交流低压电源下测量
电流互感器中硅钢铁芯极限磁滞回线的测试装置，属于电
力系统测试技术领域。
背景技术
[0002] 保护电流互感器是用于测量电力系统非正常运行和故障情况下一次电流的高压设备，其输出结果准确与否，直接关系着继电保护装置和监控装置等二次设备的正常运行。目前，国内多采用P类电流互感器，该类电流互感器属于铁磁式电流互感器，采用硅钢制成的闭合硅钢铁芯形成磁路，通过铁芯内
磁场的耦合，将一次大电流变换为与之成正比的二次小电流。众所周知，铁磁材料存在磁滞现象，当选择不同的磁场强度（即励磁电流）进行反复磁化时，可得到一系列大小不同的磁滞回线。当增大磁场强度时，磁滞回线包围的面积随之增大。当磁场强度足够大时，该面积达到一定极限，这个包围最大面积的磁滞回线就称为极限磁滞回线。
[0003] 随着电力系统的发展，P类电流互感器铁芯饱和影响二次设备正常运行的问题日益突出，硅钢铁芯饱和时，二次电流出现畸变，不能准确反映一次电流，大量研究及现场运行经验表明，二次设备可能因得不到准确的电流信息而产生错误的保护动作，造成硅钢铁芯饱和的原因主要包括如下几方面：当电力系统发生故障时，电流互感器的一次电流可能达到正常运行时电流的几十倍甚至上百倍，且往往含有指数衰减形式的暂态
直流分量，这将使硅钢铁芯被大幅度单方向励磁，从而进入饱和状态；还有电流互感器等设备的更新往往滞后于电力系统网架的发展，这就使得最初设计时能够保证故障情况下硅钢铁芯不饱和的电流互感器，由于此后系统容量的增大或结构的改变，在故障情况下发生硅钢铁芯饱和，硅钢铁芯往往存在剩磁，若剩磁极性同
故障电流所产生的磁场极性相同，则会使硅钢铁芯更加容易饱和。
[0004] 为了评估各种工况尤其是饱和状态下P类电流互感器的性能，可采用实验和仿真两种手段，其中，实验手段需要配置暂态大电流源以及各类检测装置，技术难度和成本很高；仿真手段用的工具和方法主要包括ATP电磁暂态仿真
软件、MATLAB的PSB工具箱软件、基于Preisach理论的电流互感器仿真方法，上述仿真方法都需要硅钢铁芯的极限磁滞回线数据作为仿真基本条件，涉及上述仿真工具的研究文献见博士学位论文《保护用电流互感器铁心饱和相关问题的研究》和期刊论文《基于MATLAB的
变压器仿真建模及特性分析》。
[0005] 出于技术原因，硅钢材料生产厂家一般不直接提供极限磁滞回线数据；另外，厂家提供的励磁曲线图中磁场强度多采用对数
坐标系，只能用于定性观察硅钢材料的励磁特性，难以还原成精确的励磁特性数据。所以，只能通过励磁实验来获取硅钢铁芯材料的极限磁滞回线数据，一般采取的做法如下：通过在初级绕组施加励磁电流将硅钢铁芯激励到饱和状态，记录此时励磁电流
波形和次级绕组空载
电压波形，再通过一些数学处理即可得到极限磁滞回线数据，若采用上述方法直接对电流互感器进行饱和励磁的话，将会遇到一些技术问题，下面以一个实际电流互感器为例进行说明，电流互感器参数如下：Z11型
冷轧硅钢片铁芯，有效磁路长度86cm，有效截面积27cm2，变比为1：1200，通过计算得出，如果在二次侧（1200
匝绕组侧）将铁芯励磁到饱和，所需励磁电流大小约为0.5A，感应电压大小约为1200伏，考虑一些裕量，励磁伏安数将接近1kVA，而且在励磁侧将出现1kV以上的高压。
[0006] 综上所述，由于出现了1kV多伏的高压，容易引起绝缘和安全问题，对实验室和实验人员提出了更高的要求，另外，如果降低励磁绕组的匝数，可以降低硅钢铁芯饱和时励磁绕组的感应电势，但无法降低励磁安匝数，即需要提高励磁电流来提供硅钢铁芯饱和所需的励磁安匝数，而励磁电流过大将会引起绕组发热过大等问题，影响励磁实验的测试结果。
发明内容
[0007] 本发明的目的克服
现有技术中的不足，提供的一种在220V交流低压电源下测量电流互感器中硅钢铁芯极限磁滞回线的测试装置及测试方法，具有架构简单、成本低廉优点，适用于各种需要获取硅钢铁芯的极限磁滞回线的特性曲线的实验机构和企业，具有良好的应用前景。
[0008] 为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
[0009] 一种硅钢铁芯极限磁滞回线的测试装置，其特征在于：包括
自耦变压器、定制铁芯、初级线圈、次级线圈、录波仪、电流
探头、电压探头和限流
电阻，所述初级线圈和次级线圈缠绕在定制铁芯的两侧，所述自耦变压器的高压端外接交流电源，所述初级线圈与限流电阻
串联后与自耦变压器的低压端相连接，所述电流探头的钳式输入端钳在初级线圈的电流回路上，所述电压探头的输入端与次级线圈相连接，所述电流探头和电压探头的输出端分别与录波仪的录波通道相连接。
[0010] 前述的硅钢铁芯极限磁滞回线的测试装置，其特征在于：所述所述自耦变压器的高压端外接交流电源，交流电源为220V。
[0011] 前述的硅钢铁芯极限磁滞回线的测试装置，其特征在于：所述定制铁芯的有效截2
面积S为5cm。
[0012] 前述的硅钢铁芯极限磁滞回线的测试装置，其特征在于：定制铁芯饱和时，初级线圈上的感应电压E1sat，如公式（1）所示，
[0013] E1sat＝N1·Bsat·S/45 （1）
[0014] 其中，E1sat满足5V≤E1sat≤50V，Bsat为定制铁芯的饱和磁通密；S为制铁芯的有效截面积。
[0015] 前述的硅钢铁芯极限磁滞回线的测试装置，其特征在于：定制铁芯饱和时，初级线圈上的励磁电流I1sat，如公式（2）所示，
[0016] I1sat＝Hsat·L/N1 （2）
[0017] 其中，I1sat满足I1sat≤50A，Hsat为定制铁芯的饱和磁场强度，L为定制铁芯的磁路平均长度。
[0018] 前述的硅钢铁芯极限磁滞回线的测试装置，其特征在于：所述限流电阻用于限制初级线圈上的励磁电流I1sat大小，阻值为0.5Ω。
[0019] 前述的硅钢铁芯极限磁滞回线的测试装置，其特征在于：所述电流探头的量程的有效值为150A。
[0020] 基于上述的硅钢铁芯极限磁滞回线的测试装置的测试方法，其特征在于：包括以下步骤，
[0021] 步骤（1）将自耦变压器的低压端电压调至0V，接通220V交流电源；
[0022] 步骤（2）设置录波仪的
采样周期 以第一录波通道录取的励磁电流I1sat为X轴、第二录波通道录取的感应电压的E1sat积分为Y轴；
[0023] 步骤（3）逐渐增大自耦变压器的低压端电压，观察录波仪上的X-Y轴的波形，当波形的上升支和下降支上的部分曲线完全重合时，则制定铁芯饱和，停止增大自耦变压器的低压端电压；
[0024] 步骤（4）实时将第一录波通道录取的励磁电流I1sat和第二录波通道录取的感应电压E1sat导入到PC机，设励磁电流I1sat采样数值为i[k]，感应电压数值为u[k]，k为采样序列号；
[0025] 步骤（5）根据公式（3），计算制定铁芯的磁通
密度B[k]，
[0026]
[0027] 其中，B[1]为积分初值，B[k]的极大值和极小值的绝对值相等；
[0028] 步骤（6）根据公式（4），计算制定铁芯的磁场强度H[k]，
[0029]
[0030] 步骤（7）取若干个采样周期的B[k]和H[k]的平均值；
[0031] 步骤（8）将取平均值之后的一个周期的B[k]和H[k]制成表格，表格对应的数据为定制铁芯的极限磁滞回线数据。
[0032] 本发明的有益效果是：本发明提供的测量电流互感器中硅钢铁芯极限磁滞回线的测试装置，能够在220V交流低压电源下测试电流互感器中硅钢铁芯的极限磁滞回线，将硅钢铁芯饱和时励磁线圈上的感应电压抑制在50V以下，将励磁电流抑制在50A以下，避免了感应电压过高引起的绝缘安全问题和励磁电流过大引起的发热问题，架构简单，成本低等明显优点，适用于各种需要获取铁芯材料极限磁滞回线特性曲线的实验机构和企业，具有良好的应用前景。
附图说明
[0033] 图1是本发明的硅钢铁芯极限磁滞回线的测试装置的结构示意图。
具体实施方式
[0034] 下面将结合
说明书附图，对本发明作进一步的说明。
[0035] 如图1所示，一种硅钢铁芯极限磁滞回线的测试装置，包括自耦变压器1、定制铁芯2、初级线圈3、次级线圈4、录波仪5、电流探头6、电压探头7和限流电阻8，所述初级线圈3和次级线圈4缠绕在定制铁芯2的两侧，自耦变压器1的高压端外接交流电源，交流电源为220V，初级线圈3与限流电阻8串联后与自耦变压器1的低压端相连接，电流探头6的钳式输入端钳在初级线圈3的电流回路上，电压探头7的输入端与次级线圈4相连接，电流探头6和电压探头7的输出端分别与录波仪5的录波通道相连接。
[0036] 上述定制铁芯2饱和时，初级线圈3上的感应电压E1sat，如公式（1）所示，[0037] E1sat＝N1·Bsat·S/45 （1）
[0038] 其中，E1sat满足5V≤E1sat≤50V，Bsat为定制铁芯2的饱和磁通密；S为制铁芯的2
有效截面积，这里有效截面积S为5cm ；
[0039] 定制铁芯饱和时，初级线圈上的励磁电流I1sat，如公式（2）所示，[0040] I1sat＝Hsat·L/N1 （2）
[0041] 其中，I1sat满足I1sat≤50A，Hsat为定制铁芯的饱和磁场强度，L为定制铁芯的磁路平均长度。
[0042] 所述录波仪5，采用横河公司（YOKOGAWA）的DL850型录波仪，其第一录波通道Ch1用来录取初级线圈3回路的励磁电流
信号，第二录波通道Ch2用来录取次级线圈4的开路电压信号；
[0043] 所述电流探头6，用于录取初级线圈3回路的励磁电流波形，采用横河公司的Current probe701930型电流探头，该型号电流探头的量程是150A（有效值）；
[0044] 所述电压探头7：用于录取次级线圈4中的开路电压信号，采用横河公司的Isolated probe701929型电压探头。
[0045] 所述限流电阻8用于限制初级线圈3上的励磁电流I1sat大小，阻值为0.5Ω。
[0046] 基于本发明的硅钢铁芯极限磁滞回线的测试装置的测试方法，包括以下步骤，[0047] 步骤（1）将自耦变压器1的低压端电压调至0V，接通220V交流电源；
[0048] 步骤（2）设置录波仪5的采样周期 以第一录波通道Ch1录取的励磁电流I1sat为X轴、第二录波通道Ch2录取的感应电压的E1sat积分为Y轴；
[0049] 步骤（3）逐渐增大自耦变压器1的低压端电压，观察录波仪5上的X-Y轴的波形，当波形的上升支和下降支上的部分曲线完全重合时，则制定铁芯2饱和，停止增大自耦变压器1的低压端电压；
[0050] 步骤（4）实时将第一录波通道Ch1录取的励磁电流I1sat和第二录波通道Ch2录取的感应电压E1sat导入到PC机，设励磁电流I1sat采样数值为i[k]，感应电压数值为u[k]，k为采样序列号；
[0051] 步骤（5）根据公式（3），计算制定铁芯2的磁通密度B[k]，
[0052]
[0053] 其中，B[1]为积分初值，B[k]的极大值和极小值的绝对值相等；
[0054] 步骤（6）根据公式（4），计算制定铁芯2的磁场强度H[k]，
[0055]
[0056] 步骤（7）取若干个采样周期的B[k]和H[k]的平均值；
[0057] 步骤（8）将取平均值之后的一个周期的B[k]和H[k]制成表格，表格对应的数据为定制铁芯2的极限磁滞回线数据。
[0058] 综上所述，本发明测量电流互感器中硅钢铁芯极限磁滞回线的测试装置，能够在220V交流低压电源下测试电流互感器中硅钢铁芯的极限磁滞回线，将硅钢铁芯饱和时励磁线圈上的感应电压抑制在50V以下，将励磁电流抑制在50A以下，避免了感应电压过高引起的绝缘安全问题和励磁电流过大引起的发热问题，架构简单，成本低等明显优点，适用于各种需要获取铁芯材料极限磁滞回线特性曲线的实验机构和企业，具有良好的应用前景。
[0059] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述
实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的
权利要求书及其等效物界。
