CN101004441A - 基于交流法的剩磁系数测试方法 - Google Patents

Abstract

一种基于交流法的剩磁系数测试方法，属于电力测试技术领域。本发明将示波器、开关、连续自耦变压器、取压陶瓷电阻、被测电流互感器二次绕组、两路测试探针、积分模块接成测试电路，然后调节连续自耦变压器，记录下示波器上的电压和电流波形，利用示波器的光标读数功能，计算出电压波形的全波均值；接下来通过一个二极管和自耦变压器串联来确定剩磁，最后在一次测试并计算完毕后，继续通过电源反向开关将电源反向，重复以上的测试与计算步骤，根据所计算的剩磁系数值求取平均值。本发明采用交流多次励磁的方法，避免了互感器中残留磁通对系统测试的影响，而且通过多次反复励磁测量，提高了系统的测试精度与稳定性。

Description

基于交流法的剩磁系数测试方法

技术领域

本发明涉及的是一种电力测试技术的方法，特别是一种基于交流法的剩磁系数测试方法。

背景技术

根据国标GB16847-1997《保护用电流互感器暂态特性技术要求》，衡量互感器二次绕组的性能指标有很多。其中较为重要的有绕组电流与磁通关系、绕组电压与电流关系、剩磁系数、绕组内阻、线性电感等参数。在这些参数中，剩磁系数的测量最为复杂，而且很难实现精确测量。在国标GB16847-1997中提到，剩磁系数的测量剩磁系数的测试，在交流法测试和直流法等不同方法进行测试时，都是先采集电压和电流波形，然后通过示波器对磁滞回线进行观察测量，此种方法，不适合励磁特性的精确测量，且通过示波器很难准确确定剩磁通点和饱和磁通点，很难获得准确、稳定的剩磁系数参数。

经对现有技术文献的检索发现，刊登在《高电压技术》第26卷第三期2000.6上的“暂态保护互感器暂态绕组励磁特性及剩磁测试”一文中提到，采用国标推荐的传统直流法测试装置，互感器二次绕组放电过程中的电流变化缓慢，电流不能在短时间达到零点，故剩磁系数的测量不能准确得到。对于TPY级电流互感器，其剩磁通常较低可以忽略，而对于TPS和TPX极电流互感器，由于剩磁系数高，需在每次试验前进行铁心退磁。因此在励磁特性测量中需要一道额外的消磁处理工序，给测试带来很大的不便。检索中还发现，刊登在《变压器》1995年第12期的“TPY级电流互感器暂态特性的测量”一文中提及交流法测试，是在电流互感器二次绕组两端施加一实际的正弦波交流电压，一次侧开路，测量其相应的励磁峰值电流。交流法测定剩磁系数时，对励磁电压进行积分，将其与相应电流在X-Y示波器上显示磁滞回环。当励磁电流达到与饱和磁通Φs相应的值时，则电流过零时的磁通值即为剩磁Φr，剩余磁通与饱和磁通之比值为剩磁系数K r，即K r＝Φr/Φs。而且无论是交流法还是直流法，通过示波器磁滞回线观测剩磁点，再计算剩磁系数，显然无法达到准确测量要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于交流法的剩磁系数测试方法，使其克服了传统测试装置的复杂、而且需要观察测量的弊端，是一种无需事先退磁的精确测量方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明将示波器、开关、连续自耦变压器、取压陶瓷电阻、被测电流互感器二次绕组、两路测试探针、积分模块接成完整的测试电路，然后调节连续自耦变压器，记录下示波器上的电压和电流波形，利用示波器的光标读数功能，计算出电压波形的全波均值；接下来通过一个二极管和自耦变压器串联来确定剩磁，最后在一次测试并计算完毕后，继续通过电源反向开关将电源反向，重复以上的测试与计算步骤，根据所计算的剩磁系数值求取平均值。

以下对本发明作进一步的描述，测试步骤如下：

第一步：首先将连续自耦变压器二次侧、限流电阻、被测电流互感器二次绕组、取压陶瓷电阻依次按顺序连接起来，并将连续自耦变压器调到零点，准备好交流电源并通过开关接入连续自耦变压器一次侧，做好剩磁测试准备。然后将被测电流互感器二次绕组电压测试端接到积分模块输入端，将积分模块输出端接到示波器第二通道(CH2)上，接下来将电流探针接到取压陶瓷电阻电压测试端，并接到示波器的第一通道(CH1)，测试取压陶瓷电阻两端的电压(用来检测流过被测电流互感器二次绕组的电流)。

第二步：调节连续自耦变压器，设定流过被测电流互感器二次绕组的电流，根据电阻取压陶瓷电阻两端电压，记录下示波器上的电压和电流波形，利用示波器的光标读数功能，计算出电压波形的第一个半波平均值，然后找出电压波形的第二个半波平均值、第三个…第八个半波平均值，将以上八个半波平均值的绝对值平均，得到平均值，记为全波均值。

第三步：确定剩磁，将一个二极管和连续自耦变压器串联，这个二极管将提供一个被整流过后的波形，这个波形将要决定剩磁。提高连续自耦变压器的值直到整流后的半波峰值和之前的全波波形电流峰值一致，在示波器上记录下电压和电流波形，利用示波器的光标读数功能，计算电压波形的第一个半波平均值和第二个半波平均值…第八个半波平均值，并将八个半波平均值进行平均，记为半波平均值。然后根据半波平均值、全波均值计算剩磁系数Kr。

第四步：一次测试并计算完毕后，继续通过电源反向开关将电源反向，重复以上的测试与计算步骤。如此重复四次后，根据所计算的剩磁系数值求取平均值。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)采用多次励磁确定剩磁通和饱和磁通值，无须测试前对其进行复杂的退磁操作，不需要额外的专门的消磁措施。(2)所求取的饱和磁通值和剩余磁通值都是区间积分值，很大程度上减小了偶然误差，提高了测试精度。(3)通过正反交替励磁实现了测量消磁一体化。并且可取多次测量的平均值，减少了随即误差，提高了精度。

附图说明

图1为本发明测试方法原理图

图2为本发明双向励磁磁滞回线图

图3为本发明单向励磁磁滞回线图

图4为本发明方法流程图

具体实施方式

下面对本发明的一实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在国标中介绍，测量剩磁系数Kr是通过对励磁电压进行积分

$\mathrm{\φ}\left(t\right)={\∫}_0^t(u\left(\mathrm{\τ}\right)-\mathrm{Rct}\·i\left(\mathrm{\τ}\right))\mathrm{d\τ}$ 其中，Rct为绕组内阻

然后根据积分的电压和应的电流在X-Y示波器上显示出磁滞回环，根据磁滞回环确定饱和磁通φs和剩磁φr，从而确定剩磁系数Kr＝φr/φs。而实际上在小线圈测量中，测试时示波器受干扰比较大，难以形成比较稳定的磁滞回环，再加上测试剩磁本身所产生的误差，因而，要得到准确的测量值就比较困难。因此，在国标介绍的交流测试法基础上引入一种新的测试剩磁的方法。如图l，即：通过由0-250VAC连续自耦变压器、限流电阻、取压陶瓷电阻、积分模块组成的测试电路和双通道示波器测试饱和磁通，通过由0-250VAC连续自耦变压器、二极管、限流电阻、取压陶瓷电阻、积分模块组成的测试电路和双通道示波器确定剩余磁通。

由图2和图3励磁曲线可知，在使用测试方法原理图(图1)电路测试剩磁的过程中，主要是双向励磁测量和单向励磁测量，磁滞回线有所不同，在交流法中，电源是正弦波，所以给二次绕组通过时，二次绕组经历过一个完整的磁滞回线，即磁通从0上升到φs(饱和磁通)，然后从φs(饱和磁通)下降到0，又从0上升到-φs(反向饱和磁通)，最后从-φs(反向饱和磁通)下降到0，所以全波积分值是从-φs到φs，即2φs。

而在此交流方法中，对剩磁的确定是用单向励磁波形确定的，如图3所示，电流变化为从零到足以让线圈达到饱和时的电流峰值，所以磁通变化方向为：磁通从0升至φs(饱和磁通)，然后由φs(饱和磁通)下降为φr(剩磁通)，最后由φr(剩磁通)又升至φs(饱和磁通)，所以在以后的周期波形中，都是含有剩磁的，也就是说，半波积分值是φs-φr

由以上分析可以得知，全波积分值为2φs，半波积分值为φs-φr，所以

|2×半波均值-全波均值|＝2Φ_r

所以剩磁系数Kr计算公式为

以下是本发明实施例的具体实施，主要步骤为：

一：测试仪器、电路元器件准备、接好测试电路。

二：双向励磁测饱和磁通。

三：双向励磁测剩磁通。

四：计算剩磁系数。

五：多次换向测量并求取平均值。

本实施例测试电路主要由电源部分、电压测试部分、电流测试部分、积分模块等组成。具体实施过程如下：

一：按图1本发明测试方法原理图，准备好交流电源、0-250VAC连续自耦变压器、示波器以及两路探针、二极管、取压陶瓷电阻、限流电阻、积分电阻、电容、运算放大器等。首先按顺序接好测试回路。顺序为：交流电源经电源切换开关接入0-250VAC连续自耦变压器一次侧，0-250VAC连续自耦变压器二次侧其中一端经限流电阻与被测电流互感器二次绕组相连，经被测电流互感器二次绕组另一侧接取压陶瓷电阻，最后与0-250VAC连续自耦变压器二次侧另外一端相连。至此测试回路基本完成。接下来是示波器及测试探针的连接，示波器二路探针(CH2)接取压陶瓷电阻的两端，这一路探针主要用来测试电路中的电流。一路探针(CH1)测试被测电流互感器二次绕组两端电压积分，由被测电流互感器二次绕组电压测试点经积分模块再接入示波器。其中积分模块主要由积分电阻、电容、放大器组成，积分模块的功能主要是完成二次绕组两端的积分运算，运算放大器选用LM324(注：LM324为一种四运放放大器标准型号，其中有多家生产厂商生产这种产品，在本实施例中，选用的是MOTOROLA，它是一种内含四个特性近似相同的高增益、内补偿放大器运算放大器。电路可以在+5V或+15V下工作，功耗低，每个运放静态功耗约0.8mA，但驱动电流可达40mA)。LM324正极接地，被测电流互感器二次绕组共地端与测试探针相连，电压测试端接积分电阻，然后接运算放大器负极，再由负极经积分电容接运算放大器输出端，由输出端接电压积分探针测试端。

二：连接好测试电路后，首先要完成饱和磁通的测试。测试饱和磁通只需普通交流电源即可。只需要调节连续0-250VAC连续自耦变压器，使流过被测电流互感器二次绕组的电流为1A(根据不同的互感器选择不同的电流，这一电流值为确保被测电流互感器二次绕组能达到饱和的励磁峰值电流)，如果电阻为5欧姆，则取压陶瓷电阻两端电压为5V，记录下示波器上的电压和电流波形，利用示波器的光标读数功能，计算出电压波形的第一个半波平均值，然后找出电压波形的第二个半波平均值、第三个…第八个半波平均值，将以上八个半波平均值的绝对值平均，得到平均值，记为全波均值。

三：饱和磁通确定后，需要确定剩磁，在本实施例中，剩磁是在单向电流下励磁确定的。因此需要将一个1.5A二极管和0-250VAC连续自耦变压器串联，这个二极管将提供一个被整流过后的波形，这个波形将要决定剩磁。提高0-250VAC连续自耦变压器的值直到整流后的半波峰值和之前的全波波形电流峰值一致，在示波器上记录下电压和电流波形，利用示波器的光标读数功能，计算电压波形的第一个半波平均值和第二个半波平均值…第八个半波平均值，并将八个半波平均值进行平均，记为半波平均值。经过单向励磁测试，可以完成剩磁通的确定。完成以上几个步骤后，则剩磁系数Kr可以确定，其计算公式为：

四：因为被测电流互感器二次绕组在不同的励磁情况下会形成不同的磁滞回线，为了更为准确测试剩磁系数，一次测试并计算完毕后，继续通过电源反向开关将电源反向，并重复以上的测试与计算步骤。如此重复四次后，根据所计算的剩磁系数值最后求取平均值。

实施效果：

因为本实施例中的计算要涉及到半波均值和全波均值，因此在求取过程中，只需要知道一个励磁周期的最大值和最小值。在第二个测试步骤中，因为电路模型为电感和电阻，所以电路中互感器两端电压为标准的正弦波，经积分后，仍然是正弦波，因此在确定其饱和磁通时，只需要知道一个周期内的最大值和最小值之差即可。在第三个测试步骤中，因为电路中还加入了二极管，所以二次绕组电压经积分后波形为畸变的正弦信号，但是信号仍然是周期波动的，所以计算时仍然只需计算一个周期内的最大值与最小值之差。经过这两步测试后得到的两个差值，即可计算剩磁系数。

由于在测试过程中，均是通过示波器的光标读数功能读取一个周期内的最大值与最小值之差，而且对于周期性变化的数值经过平均后，应该更为精确，在读取的过程中数据是稳定而且唯一的。即使线圈中有剩磁的存在，也不会影响测试的结果，因为经过第一个周期后，其余所有周期波形均是一致的，因而避免了线圈中原有磁通的影响，实现了无退磁条件下的测量。

Claims (8)

1、一种基于交流法的剩磁系数测试方法，其特征在于，将示波器、开关、连续自耦变压器、取压陶瓷电阻、被测电流互感器二次绕组、两路测试探针、积分模块接成完整的测试电路，然后调节连续自耦变压器，记录下示波器上的电压和电流波形，利用示波器的光标读数功能，计算出电压波形的全波均值；接下来通过一个二极管和自耦变压器串联来确定剩磁，最后，在一次测试并计算完毕后，继续通过电源反向开关将电源反向；重复以上的测试与计算步骤，根据所计算的剩磁系数值求取平均值。

2、根据权利要求1所述的基于交流法的剩磁系数测试方法，其特征是，具体步骤如下：

第一步：首先将连续自耦变压器二次侧、限流电阻、被测电流互感器二次绕组、取压陶瓷电阻依次按顺序连接起来，并将连续自耦变压器调到零点，准备好交流电源并通过开关接入连续自耦变压器一次侧，做好剩磁测试准备；然后将被测电流互感器二次绕组电压测试端接到积分模块输入端，将积分模块输出端接到示波器第二通道CH2上，接下来将电流探针接到取压陶瓷电阻电压测试端，并接到示波器的第一通道CH1，测试取压陶瓷电阻两端的电压，用来检测流过被测电流互感器二次绕组的电流；

第二步：调节连续自耦变压器，设定流过被测电流互感器二次绕组的电流，根据电阻确定取压陶瓷电阻两端电压，记录下示波器上的电压和电流波形，利用示波器的光标读数功能，计算出电压波形的第一个半波平均值，然后依次找出电压波形的第二到第八个半波平均值，将八个半波平均值的绝对值平均，得到平均值，记为全波均值；

第三步：确定剩磁，将一个二极管和连续自耦变压器串联，这个二极管将提供一个被整流过后的波形；提高连续自耦变压器的值直到整流后的半波峰值和之前的全波波形电流峰值一致，在示波器上记录下电压和电流波形，利用示波器的光标读数功能，计算电压波形的第一到第八个半波平均值，并将八个半波平均值进行平均，记为半波平均值，然后根据半波平均值、全波均值计算剩磁系数Kr；

第四步：一次测试并计算完毕后，继续通过电源反向开关将电源反向，重复以上的测试与计算步骤；如此重复四次后，根据所计算的剩磁系数值求取平均值。

3、根据权利要求1或2所述的基于交流法的剩磁系数测试方法，其特征是，所述连续自耦变压器，为0-250VAC连续自耦变压器。

4、根据权利要求1或2所述的基于交流法的剩磁系数测试方法，其特征是，所述二极管，为1.5A二极管。

5、根据权利要求1或2所述的基于交流法的剩磁系数测试方法，其特征是，所述积分模块主要由积分电阻、电容、放大器组成，积分模块完成二次绕组两端的积分运算，运算放大器正极接地，电流互感器共地端与测试探针相连，电压测试端接积分电阻，然后接运算放大器负极，再由负极经积分电容接运算放大器输出端，由输出端接电压积分探针测试端。

6、根据权利要求2所述的基于交流法的剩磁系数测试方法，其特征是，第二步中，设定流过被测电流互感器二次绕组的电流为1A，如果电阻为5欧姆，则取压陶瓷电阻两端电压为5V。

7、根据权利要求1或4所述的基于交流法的剩磁系数测试方法，其特征是，所述运算放大器选用LM324。

8、根据权利要求1所述的基于交流法的剩磁系数测试方法，其特征是，所述剩磁系数Kr，其计算公式为：

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