CN104614688B - 用于直流偏磁动态磁通测量的c型传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于直流偏磁动态磁通测量的C型传感器及其检测方法，该C型传感器包括：C型辅助铁心，包括铁心主体以及铁心主体两端向同侧的延伸部分；辅助线圈，绕制于所述铁心主体上；高频交流驱动电路，包括MOSFET桥式逆变电路，所述MOSFET桥式逆变电路用于将直流电源变为高频交流以驱动辅助线圈；电流互感器，用于检测所述辅助线圈中的回路电流；输出电路，与所述电流互感器连接，用于处理电流互感器检测的电流后输出。本发明无需样片，通过传感器的辅助铁心与待测电磁设备主铁心共享一部分磁路，根据磁路中磁阻的变化将引起辅助铁心上绕组电感值的变化，通过测量辅助铁心绕组的电感值，便能实时在线得到主铁心中的磁通动态变化波形。

Description

用于直流偏磁动态磁通测量的C型传感器及其检测方法

技术领域

本发明涉及电气设备磁通的测量，具体地指一种直流偏磁动态磁通测量C型传感器及其检测方法，属于电气设备检测领域。

背景技术

直流偏磁是电磁设备运行过程中的一种非正常工作状态，其在电磁领域广泛存在，例如：磁控饱和电抗器就是通过控制铁心中的直流偏磁来达到控制电感量的目的。再者，随着电力电子技术的高速兴起，整流、逆变电路广为应用给变压器绕组中带来一定的直流分量，尤其在高频时更为明显，从而严重影响了电能质量。此外，我国远距离大容量特高压交直流电网较为集中，造成了地电位的提高，带来一系列的变压器直流偏磁问题，在高纬度地区因太阳磁暴等引起的地磁感应电流(GIC)也是如此，导致了变压器中性点注入直流电流，进而引发一系列谐波、无功、涡流、噪声等问题，因此对直流偏磁条件下的磁通测量越发显得重要。

目前，国内外实时在线测量变压器、铁心电抗器等高压设备磁通的方法和装置基本处于空白状态，而传统的离线测量方法通常有三种：爱泼斯坦方圈法、环形试样法和单片测量法，但这三种方法皆有很大的局限性，具体为：

1、爱泼斯坦方圈法和环形试样法是传统的测量方法，对磁感应强度的测量都是利用电磁感应定律得到的，对磁场强度的测量是根据安培环路定律得到的，样片中安培环路定律磁路长度难以精确确定。

2、爱泼斯坦方圈法和环形试样法的样片制作难度大。爱泼斯坦方圈法所需要的样片必须严格按照规定的尺寸制成样片，而且样品制定的最低数量和质量也有限制。而环形试样法样片必须制成圆环状，制作起来难以实现。

3、单片测量法是日本学者Takaaki Yamayoto等提出的一种新型方法，但也只适用于直流或者交流激励下铁磁材料磁化特性的测量。

后来有学者提出基于振动的在线测量，但是直流偏磁下待测设备的振动特性与直流偏磁、铁心的励磁特性、负载电流等因素紧密相关，现场测试受多种因素影响，难以准确、清晰地反映直流偏磁下的磁通特性。

综上所述，传统的方法需要制造各式各样的样片，造成大量的材料浪费，更重要的是它们只能保证离线测量的数据，而现实运行中通常包含交流和直流的两种信号，尽管此后国内外学者在此基础上结合一系列的数学方法外推合成数据，但与现实准确值仍存在一定差距。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种直流偏磁动态磁通测量C型传感器及其检测方法，该C型传感器无需样片，通过传感器的辅助铁心与待测电磁设备主铁心共享一部分磁路，根据磁路中磁阻的变化将引起辅助铁心上绕组电感值的变化，通过测量辅助铁心绕组的电感值，便能实时在线得到主铁心中的磁通动态变化波形。

实现本发明目的采用的技术方案是：一种用于直流偏磁动态磁通测量的C型传感器，包括：

C型辅助铁心，包括铁心主体以及铁心主体两端向同侧的延伸部分；

辅助线圈，绕制于所述铁心主体上；

高频交流驱动电路，包括MOSFET桥式逆变电路，所述MOSFET桥式逆变电路用于将直流电源变为高频交流以驱动辅助线圈；

电流互感器，用于检测所述辅助线圈中的回路电流；

输出电路，与所述电流互感器连接，用于处理电流互感器检测的电流后输出。

进一步地，所述输出电路包括全桥整流电路、RC滤波电路和放大电路，所述电流互感器检测的电流依次经过所述全桥整流电路整流、RC滤波电路滤波和放大电路放大后输出。

在上述技术方案中，所述C型辅助铁心的相对磁导率μ_a与待测电磁设备主铁心的相对磁导率μ_m满足μ_a/μ_m≥1.0；所述C型辅助铁心的宽度a_a与待测电磁设备主铁心宽度ω之比满足a_a/ω≤0.5；C型辅助铁心的长度c_a与待测电磁设备主铁心宽度ω之比满足c_a/ω≤1.0。

进一步地，所述μ_a/μ_m＝2，a_a/ω＝0.05，c_a/ω＝0.5。

本发明还提供一种通过上述C型传感器测量磁通的方法，该方法包括：

将C型传感器置于待检测电力装置上，使该传感器铁心主体与待检测电力装置的主铁心共享一部分磁路；

测量辅助线圈上的输出电压u_L、主铁心激励绕组的励磁电流i_m及直流绕组的直流电流i_dc对比主铁心铁磁材料BH曲线即可实时反映动态磁通测量，从而完成磁通在线测量。

在上述技术方案中，未加直流偏磁u_dc时，在测量绕组辅助线圈的两端通过逆变电路产生高频交流电压u_flux；

辅助线圈的电流经过电流互感器取出后通过输出电路，输出电路将互感器二次电流转换可被检测的电压值u_L；

测量主铁心激励绕组中的电流i_m，得到u_L-i_m曲线；

根据安培环路定律得：HL_e＝i_m，式中，H为被测电磁设备主铁心铁磁材料磁场强度；L_e为被测电磁设备主铁心平均有效磁路长度；i_m为被测电磁设备主铁心励磁电流；

计算得到u_L-H曲线，u_L-H曲线与铁磁材料标准BH曲线变化趋势一致，将两者对应比较便可以得到u_L与B关系，从而得到无直流偏磁下，待测电磁设备主铁心的动态BH变化曲线；

加载直流偏磁u_dc，测量被测设备主铁心激励绕组的励磁电流i_m和直流绕组直流电流i_dc，从而得到不同直流偏磁下，待测电磁设备主铁心的动态BH变化曲线。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)由于待测电磁装置运行中的不确定性，外部干扰多，各种参数都有可能变化，本发明以现实运行待测电磁装置为基础，放置C型传感器，避免了传统测量的样片制作困难，只是从材料上离线测量，结合数学外推数据合成方法的弊端，而且节省了制作众多检测样本的材料，实现经济上的可行性。

2)本发明利用高频交流信号驱动辅助铁心，结合交流信号的趋肤效应，减小对原磁通的影响，放大电感的感抗值，跟频率成正比，使得测量的电感值就更准确。

3)本发明适用范围广，能够检测变压器、磁控饱和电抗器、电机等一系列电磁设备，而且操作简单。

4)本发明的辅助铁心高频驱动电路采用MOSFET实现成本低，它能够准确测量出直流交流混合作用下的直流偏磁特性，经济且容易实现。

附图说明

图1为本发明用于直流偏磁动态磁通测量的C型传感器的结构示意图。

图2为本发明C型传感器进行直流偏磁动态磁通测量的使用状态示意图。

图3为图2中C型传感器的电路图。

图4为C型传感器沿辅助铁心横向剖面图。

图5为C型传感器沿辅助铁心纵向剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但并非对发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明直流偏磁动态磁通测量C型传感器包括：C型辅助铁心、辅助线圈、高频交流驱动电路、电流互感器和输出电路，C型辅助铁心包括铁心主体以及铁心主体两端向同侧的延伸部分，铁心主体及其两端的延伸部分构成C形状，辅助线圈紧密绕制于C型辅助铁心的铁心主体上。高频交流驱动电路包括MOSFET型半桥逆变电路，MOSFET型半桥逆变电路与直流电源连接，用于将直流电源变为高频交流以驱动辅助线圈。电流互感器与辅助线圈连接，用于检测辅助线圈中的回路电流。输出电路包括全桥整流电路、RC滤波电路和放大输出电路，输出电路与电流互感器连接，将电流互感器检测的电流整流滤波后输出。

本发明通过上述C型传感器进行直流偏磁动态磁通测量的具体过程如下：

本C型传感器用于直流偏磁动态磁通测量的结构如图2所示，其电路图如图3所示。将C型传感器置于待检测电力装置主铁心上，让铁心主体与待检测电力装置的主磁路在水平方向上平行，使C型辅助铁心与待检测电力装置的主铁心共享一部分磁路。测量辅助线圈上的输出电压u_L、主铁心激励绕组的励磁电流i_m及直流绕组的直流电流i_dc对比主铁心铁磁材料BH曲线即可实时反映动态磁通测量，从而完成在线实时测量磁通。

本实施例给主铁心激励绕组上施加交流信号，直流绕组施加直流偏磁信号，从而得到一个含直流偏磁的待检测电力装置。

由于C型辅助铁心与待检测电力装置的主铁心共享一部分磁路，磁路中磁阻的变化将引起辅助铁心上绕组电感值的变化，因此，通过测量辅助铁心绕组的电感值，便能得到主铁心中的磁通动态变化波形。而电感值无法直接测量，本发明通过以下方式获得电感值：

当辅助铁心所加电压一定时，通过电感电流公式可知：

式中：

i—C型传感器辅助线圈内电流值，

L—C型传感器辅助铁心等效电感值，

u—C型传感器辅助线圈驱动电压值。

电感的电流与电感值成反比，而经过辅助线圈的电流经电流互感器取出，然后依次经过输出电路中的全桥整流电路进行整流、RC滤波电路进行滤波、放大输出电路放大后输出可检测的电压值u_L。根据u_L得到C型传感器辅助线圈内电流值i_L。最后根据公式(1)计算出C型传感器辅助铁心的等效电感值L，进而得到待检测电力装置主铁心中磁通动态变化波形。

本实施例中，未加直流偏磁u_dc时，在测量绕组两端加上1kHz高频交流电压u_flux，利用高频交流信号的趋肤效应，减小对原磁通的影响，放大电感的感抗值，跟频率成正比，使得测量的电感值更为准确。若采用过小的频率一方面容易与励磁信号叠加，再者趋肤效应不明显；过大的频率驱动电路难以实现，经济效益差，MOSFET开关损耗大。根据上述步骤中将测量绕组中的电流i_flux通过电流互感器提取出来，并通过逆变、低通滤波和放大转换为可检测的电压信号u_L同时测量出激励绕组中的电流i_m，得到u_L-i_m曲线。根据安培环路定律：

HL_e＝i_m (2)

式中：

H—被测设备主铁心铁磁材料磁场强度；

L_e—被测设备主铁心平均有效磁路长度；

i_m—被测设备主铁心励磁电流。

在规则的变压器主铁心中的平均有效磁路长度L_e已知，从而计算得到u_L-H曲线。而上述测量中主铁心并没有饱和，u_L-H曲线与铁磁材料标准BH曲线变化趋势一致，将两者对应比较便可以得到u_L与B关系。随后，给变压器绕组加入直流偏磁，再通过测量i_m、i_dc以及u_L实时值的方法便可直接得到主铁心的动态BH变化曲线，进而得到被测设备的有效磁化特性。

作为本发明的一种优选实施方式，在上述获得动态BH变化曲线以实现磁通测量的过程中，为了保证C型传感器测量结果的灵敏度，要求设置C型传感器铁心的最佳尺寸，通过检测主铁心的相对磁导率下降一半时辅助线圈电感值的变化量，当变化量最大时，便可以得到最佳尺寸值。C型传感器的沿辅助铁心横向剖面图和沿辅助铁心纵向剖面图分别如图4和图5所示，如图5中的等效磁阻模型，根据模型可知：

式中：

l_m l_a——分别为共享磁路与辅助铁心磁路的长度；

μ₀——为真空磁导率；

μ_mμ_a——分别为主铁心与辅助铁心的相对磁导率；

A_m A_a——分别为共享磁路与辅助铁心的相对横截面积。

辅助铁心与共享磁路的等效总磁阻：

R_eq＝R_a+R_m (5)

辅助线圈所测电感值L_aux：

式中：

R_eq——为等效总磁阻；

l_eq——为等效磁路总长度；

μ_eq——等效磁导率；

A_eq——等效横截面积。

检测主铁心相对磁导率下降一半时，代入公式(3)～(6)，辅助线圈电感值的变化率：

若需要得到传感器最大灵敏度，即要求最大，由公式(7)结合公式(3)和(4)即要求R_m>>R_a，结合图5进而得到以下尺寸理论：

①高度h_a的值尽可能小，这样能减少副铁心磁路l_a的长度，从而减少R_a的值。

②宽度a_a必须足够宽，这样能保证辅助铁心的横截面积A_a足够大，从而减少R_a的值。

③长度d_a必须足够宽，最好接近于主铁心长度d，这样辅助铁心的横截面积A_a足够大，从而减少R_a的值。

④辅助铁心的相对磁导率μ_a必须足够大，这样也能充分减小R_a的值。

⑤主铁心和辅助铁心之间的空气必须少，这里的空气会影响传感器的灵敏度。

⑥辅助铁心的匝数N_aux只影响辅助铁心的电感绝对值，却不影响传感器灵敏度。

经过以上分析，并通过软件仿真，得到在选择辅助铁心尺寸时，首先选择辅助铁心相对磁导率μ_a高的材料，随后保持宽度a_a值足够大大，最终选择合适的c_a值。经实验得出C型辅助铁心的相对磁导率μ_a与待测电磁设备主铁心的相对磁导率μ_m满足μ_a/μ_m≥1.0；所述C型辅助铁心的宽度a_a与待测电磁设备主铁心宽度ω之比满足a_a/ω≤0.5；C型辅助铁心的长度c_a与待测电磁设备主铁心宽度ω之比满足c_a/ω≤1.0。其中，当μ_a/μ_m＝2，a_a/ω＝0.05，c_a/ω＝0.5时，C型传感器测量结果的灵敏度最佳。

本发明具有实时性、精度高、无需制作样品、适用范围广、经济效益好等特点，能监测直流偏磁下的磁通运行状态，便于电力部门对直流偏磁下设备进行管理和抑制方案的制定。

Claims (5)

1.一种用于直流偏磁动态磁通测量的C型传感器，其特征在于，包括：

C型辅助铁心，包括铁心主体以及铁心主体两端向同侧的延伸部分，所述C型辅助铁心的相对磁导率μ_a与待测电磁设备主铁心的相对磁导率μ_m满足μ_a/μ_m≥1.0；所述C型辅助铁心的宽度a_a与待测电磁设备主铁心宽度ω之比满足a_a/ω≤0.5；C型辅助铁心的长度c_a与待测电磁设备主铁心宽度ω之比满足c_a/ω≤1.0；

辅助线圈，绕制于所述铁心主体上；

高频交流驱动电路，包括MOSFET桥式逆变电路，所述MOSFET桥式逆变电路用于将直流电源变为高频交流以驱动辅助线圈；

电流互感器，用于检测所述辅助线圈中的回路电流；

输出电路，与所述电流互感器连接，用于处理电流互感器检测的电流后输出。

2.根据权利要求1所述用于直流偏磁动态磁通测量的C型传感器，其特征在于：所述输出电路包括全桥整流电路、RC滤波电路和放大电路，所述电流互感器检测的电流依次经过所述全桥整流电路整流、RC滤波电路滤波和放大电路放大后输出。

3.根据权利要求1所述用于直流偏磁动态磁通测量的C型传感器，其特征在于：所述μ_a/μ_m＝2，a_a/ω＝0.05，c_a/ω＝0.5。

4.一种通过权利要求1所述C型传感器测量磁通的方法，其特征在于，包括：

将C型传感器置于待检测电磁装置上，使该传感器铁心主体与待检测电磁装置的主铁心共享一部分磁路；

未加直流偏磁u_dc时，在测量绕组辅助线圈的两端通过逆变电路产生高频交流电压u_flux；

辅助线圈的电流经过电流互感器取出后通过输出电路，输出电路将互感器二次电流转换可被检测的电压值u_L；

测量主铁心激励绕组中的电流i_m，得到u_L-i_m曲线；

根据安培环路定律得：HL_e＝i_m，式中，H为被测电磁设备主铁心铁磁材料磁场强度；L_e为被测电磁设备主铁心平均有效磁路长度；i_m为被测电磁设备主铁心励磁电流；

计算得到u_L-H曲线，u_L-H曲线与铁磁材料标准BH曲线变化趋势一致，将两者对应比较便可以得到u_L与B关系，从而得到无直流偏磁下，待测电磁设备主铁心的动态BH变化曲线；

加载直流偏磁u_dc，测量被测设备主铁心激励绕组的励磁电流i_m和直流绕组直流电流i_dc，从而得到不同直流偏磁下，待测电磁设备主铁心的动态BH变化曲线；

测量辅助线圈上的输出电压u_L、主铁心激励绕组的励磁电流i_m及直流绕组的直流电流i_dc对比主铁心铁磁材料BH曲线即可实时反映动态磁通测量，从而完成磁通在线测量。

5.根据权利要求4所述C型传感器测量磁通的方法，其特征在于：给主铁心激励绕组上加交流信号，直流绕组施加直流偏磁信号，得到一个含直流偏磁的待检测电磁装置。