CN105425175A - 一种基于极性反转的直流电压源的铁芯剩磁消除和测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于极性反转的直流电压源的铁芯剩磁消除和测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：先施加一个负的电压(-V_DC)使铁芯达到负饱和点，根据饱和点电压电流数据计算绕组直流电阻R_DC；步骤二：当施加在绕组上的电流值达到负饱和电流(-I_s)时，改变施加在绕组两端的电源极性。从而施加一个正的直流电压(V_DC)在绕组上，使铁芯到达正饱和点，同时记录铁芯从负饱和点到达正饱和点的时间T等；本发明的有益效果是:一次试验可以同时测量剩磁(剩磁系数)和消除剩磁，测量时间短，效率高，退磁效果好。试验操作简单，采用电力电子开关的极性反转的直流源退磁，波形好，电源功率小，试验成本低。

Description

一种基于极性反转的直流电压源的铁芯剩磁消除和测量方法

技术领域

本发明属于铁磁元件铁芯剩磁消除和测量方法技术领域，具体涉及变压器、互感器的剩磁消除方法。

背景技术

随着电网系统电压等级的不断提高，大容量电力变压器日益增多，使得工业应用对电气设备保护运行的可靠性和快速性提出了更高的要求。电工磁材料的磁特性以及利用其制成的铁芯部件的工况运行磁特性的准确测量对电磁装置的设计、磁损耗计算、运行性能、可靠性的提高有至关重要的作用。

当外加磁场施加于铁磁性物质时，其原子的偶极子按照外加场自行排列。及时当外加场被撤离，部分排列仍保持，即如果此时磁场线性降低到0场强时，此时的磁感应强度不会将至0，此时B值成为剩磁(B_r)，此时的磁通量为剩余磁通量Φ_r。

具有封闭铁磁材料铁芯结构的器件，不断投入运行再切出运行的过程中，由于铁磁材料的磁滞特性，器件切出运行时，将在铁芯中留有剩磁。电力变压器进行电压比、直流电阻测量和空载试验等操作后会在其铁芯中残留剩磁。

如果不对剩磁进行处理，可能会对电力变压器的继电保护装置以及一次设备带来诸多不利影响。电力变压器轻载或者空载的情况下合闸通电，铁芯中的剩磁的存在可加速电力变压器铁芯饱和，使电力变压器铁芯半周饱和，产生励磁电流中存在大量谐波，即剩磁的存在将导致电力变压器励磁涌流的出现，涌流的值可达正常稳态运行电流的几倍或者几十倍。不对称的励磁涌流，在铁芯，绕组，和金属结构件中增加损耗产生热量，增加了电力变压器的无功消耗，同时铁芯的高度饱和使漏磁增加，引起油箱过热，局部过热将使绝缘纸老化，影响电力变压器的寿命甚至对其造成永久性损害；较高的涌流会产生过电压使断路器跳闸甚至烧毁器件，并导致相当多的电力变压器和电网的负面影响；励磁涌流使得在电力系统中含有奇数和偶次谐波，这些谐波可导致电力变压器内的杂散损耗的增加，引发发电机和电容滤波器组中继电器的不正确跳闸；励磁涌流可能会使变压器差动保护误动作。剩磁使测量用电流互感器比值差向负方向变化，相位差向正方变化，从而导致测量结果偏小、电能计量偏小，剩磁越大，影响越大；剩磁使保护用电流互感器在短路故障后的2～3个周波内严重饱和，不能在故障发生后的2～3内动作，从而造成继电保护装置误动、拒动。

现有的开路退磁法是是二次绕组开路，在一次侧绕组施加50Hz工频电压50Hz工频电压至饱和在逐渐降低电压到0，或者是一次绕组开路，二次绕组施加50Hz工频电压至饱和在逐渐降低电压到0，重复着一过程2～3次。闭路退磁法是在二次绕组上接以相当于10～20倍额定负载的电阻，在一次绕组通以工频电流，电流由零增加到1.2倍额定电流，然后均匀缓慢地降至零，使铁芯退磁。然而，要使大容量变压器、互感器铁芯饱和，将需要功率大很大的工频电源，这对于电源的要求苛刻，成本高。而且有退磁时间长，退磁不完全的缺点。

现有的剩磁测量方法主要有励磁涌流测量法和绕组频率响应法，但是这些方法都只能检测是否有剩磁的存在，不能测出一个精确的剩磁数值。本文提出的基于极性反转的直流电压源的铁芯剩磁消除和测量方法能精确的测试出剩磁通数值和剩磁系数，而且同时还能消除剩磁，完成对铁磁元件的退磁。

发明内容

针对上述现有的铁磁元件剩消除和磁测量方法的不足，本发明提出一种采用极性反转的直流电压源来消测量和消除铁芯剩磁的方法。该方法融合了剩磁的测量和消除，一次测量既可以实现测量剩磁和剩磁系数、又可以同时消除剩磁。具有测量时间短、成本低、测量精度高、退磁完全、操作方便的特点，可以很好的用于变压器和互感器剩磁消除和测量。可用于评估互感器的剩磁系数是否符合安全工作要求。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于极性反转的直流电压源的铁芯剩磁消除和测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：电源采用功率足够的直流电压源，通过电力电子开关电路改变施加在绕组两端的电源极性。先施加一个负的电压(-V_DC)使铁芯达到负饱和点，根据饱和点电压电流数据计算绕组直流电阻R_DC。

步骤二：微处理器通过电流传感器检测施加在绕组上的电流值，达到负饱和电流后(-I_s)控制电力电子开关动作，改变施加在绕组两端的电源极性。从而施加一个正的直流电压(V_DC)在绕组上，使铁芯到达正饱和点，同时微处理器的定时器记录铁芯从负饱和点到达正饱和点的时间T；

步骤三：微处理器在电流达到正饱和电流(I_s)时控制电力电子开关动作，施加一个负的直流电压(-V_DC)在绕组上，微处理器控制开关导通使施加的负的直流电压时间恰好为T/2，然后迅速开关动作使电源输出电压为零。这样使铁芯恰好处于磁通为0的点，从而达到消除剩磁的作用；

步骤四：通过记录整个过程中施加在绕组上的电压u(t)和电流i(t)，根据得磁通Φ＝∫udt，对绕组激磁电感上的电压(绕组两端电压减去直阻压降)积分Φ＝∫[u(t)-R_DC·i(t)]dt,可得到铁芯的磁通，绘制整过过程的电流和磁通变化的关系曲线，根据I-Φ曲线可以得到剩余磁通量Φ_r＝(Φ₁-Φ₂)/2-ΔΦ，根据B_r＝Φ_r/S还可以求得剩余磁感应强度B_r。其中Φ₁为以初始磁通点为原点的正饱和点的磁通量，Φ₂负饱和点的磁通量，ΔΦ为初始磁通点到正饱和点的磁通变化量。剩磁系数K为剩余磁通量与饱和磁通量之比，因此可得到K＝2Φ_r/(Φ₁-Φ₂)。

其中，上述技术方案施加电压的顺序也可以为正-负-正，因此上述技术方案中的步骤一、二、三也可以为：

步骤一：电源采用功率足够的直流电压源，通过电力电子开关电路改变施加在绕组两端的电源极性。先施加一个正的电压(V_DC)使铁芯达到正饱和点，根据饱和点电压电流数据计算绕组直流电阻R_DC。

步骤二：微处理器通过电流传感器检测施加在绕组上的电流值，达到正饱和电流后(I_s)控制电力电子开关动作，改变施加在绕组两端的电源极性。从而施加一个负的直流电压(-V_DC)在绕组上，使铁芯到达负饱和点，同时微处理器的定时器记录铁芯从正饱和点到达负饱和点的时间T；

步骤三：微处理器在电流达到负饱和电流(-I_s)时控制电力电子开关动作，施加一个正的直流电压(V_DC)在绕组上，微处理器控制开关导通使施加的正的直流电压时间恰好为T/2，然后迅速开关动作使电源输出电压为零。这样使铁芯恰好处于磁通为0的点，从而达到消除剩磁的作用。

其中，本发明所述的步骤一绕组直流电阻R_DC还可以采用直阻仪测量方法，饱和点的电压电流计算直阻是为了简化测量过程，直流电阻测量是为了精确计算铁心磁通。

本发明所述的步骤2和步骤3施加的正直流电压时间恰好是负直流电压时间的2倍，且电压幅值相同，使铁芯剩磁恰好在零点。

本发明所述的步骤四所得到的I-Φ曲线即为铁芯的饱和磁滞回线，根据饱和磁滞回线来计算剩磁和剩磁系数

和现有的技术相比较，本发明具备如下优点:

1.一次试验可以同时测量剩磁(剩磁系数)和消除剩磁，测量时间短，效率高，退磁效果好。

2.试验操作简单，采用电力电子开关的极性反转的直流源退磁，波形好，电源功率小，试验成本低。

附图说明

为了使本发明的消除剩磁和测量剩磁的方法、原理更为清楚，下面将结合附图对本发明进一步的详细描述，其中：

图1为退磁方法原理图；

图2为优选实施例原理图；

图3为施加的电源波形图；

图4为剩磁测量方法和退磁过程原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作出详细的说明：

如图1所示，直流电压源采用定制的电压可调功率足够的恒压源。开关电路采用电力电子器件作为开关，改变直流电源的极性，电流传感器采用毫欧级高精度无感电阻，以减少损耗。微处理器主要根据绕组中电流是否达到饱和来控制开关动作，以改变施加在绕组两端电压的极性，并精确控制其导通时间。其工作过程如下：

首先，在绕组上施加一个负方向的直流电压(-V_DC)使铁芯达到负饱和点；接着微处理器通过电流采样确认达到负饱和电流(-I_s)，控制开关动作，在绕组上施加一个正方向的直流电压(V_DC)使铁芯达到正饱和点，并通过微处理器中的定时器记录这段时间T；最后，微处理器通过电流采样达到正饱和电流(I_s)，控制开关动作，在绕组上施加T/2的负方向的直流电压，这时铁芯的剩磁为零。

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图2所示，为了便于接地，本例采用了±V_DC的输出电压可调的且功率足够大直流电压源。开关电路采用了简单的半桥电路，开关管选择了耐压高、电流足够大、开关速度较快的MOSFET，自带反并联二极管。电容C₁、C₂主要起到充电和稳压的作用，S₁、S₂为MOSFET开关，控制绕组两端电压的极性。R_S为毫欧级高精度无感取样电阻，以便微处理器获取通过绕组的电流。微处理器采用型号为TMS320F28335的DSP芯片，处理速度快，能很方便的产生带有死区的HRPWM波，经过驱动电路后可以驱动MOSFET的导通与关断，同时其高精度、高采样率的ADC采样和精准的定时器能准确的控制MOSFET开关的导通时间，以减小剩磁测量和消除误差。

退磁过程示意图如图4所示，假设初始剩磁为Φ_r(“1”点)；开关S₁导通，S₂关断，给绕组两端施加一个负的直流电压(-V_DC)，直到铁芯达到负饱和点(“2”点)；微处理器检测到电流负饱和(-I_s)，控制开关S₂导通，S₁关断，给绕组两端施加一个正的直流电压(V_DC)，直到铁芯达到正饱和点(“3”点)，同时微处理器记录从负饱和点到正饱和点的时间T；微处理器检测到电流正饱和(I_s)，控制开关S₁导通，S₂关断，给绕组两端施加一个负的直流电压(-V_DC)，施加时间为T/2，铁芯到达磁通为零的点(“4”点)。整个退磁过程施加在绕组两端的电压波形如图3所示，图3中的A、B、C、D点分别对应于图4中的1、2、3、4点。通过记录整个过程中施加在绕组上的电压电流数据，得到图4上的I-Φ曲线。根据图4，可得剩余磁通量Φ_r＝(Φ₁-Φ₂)/2-ΔΦ，根据B_r＝Φ_r/NS还可以求得剩与磁感应强度B_r。剩磁系数K为剩余磁通与饱和磁通之比，因此可得到K＝2Φ_r/(Φ₁-Φ₂)。

Claims (2)

1.一种基于极性反转的直流电压源的铁芯剩磁消除和测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：先施加一个负的电压(-V_DC)使铁芯达到负饱和点，根据饱和点电压电流数据计算绕组直流电阻R_DC；

步骤二：当施加在绕组上的电流值达到负饱和电流(-I_s)时，改变施加在绕组两端的电源极性，从而施加一个正的直流电压(V_DC)在绕组上，使铁芯到达正饱和点，同时记录铁芯从负饱和点到达正饱和点的时间T；

步骤三：当绕组电流达到正饱和电流(I_s)时，改变电源极性，再次施加一个负的直流电压(-V_DC)在绕组上，施加时间恰好为T/2(铁芯从负饱和点到正饱和点时间的一半)，然后在绕组上施加电压为0，这样使铁芯恰好处于磁通为0的点，从而达到消除剩磁的作用；

步骤四：通过记录整个过程中施加在绕组上的电压u(t)和电流i(t)，对绕组激磁电感上的电压积分Φ＝∫[u(t)-R_DC·i(t)]dt，可以得到铁芯的磁通Φ，绘制整过过程的电流和磁通变化的关系曲线，根据I-Φ曲线可以得到剩余磁通量Φ_r＝(Φ₁-Φ₂)/2-ΔΦ，根据B_r＝Φ_r/S还可以求得剩余磁感应强度B_r；其中Φ₁为以初始磁通点为原点的正饱和点的磁通量，Φ₂负饱和点的磁通量，ΔΦ为初始磁通点到正饱和点的磁通变化量，剩磁系数K为剩余磁通量与饱和磁通量之比，因此可得到K＝2Φ_r/(Φ₁-Φ₂)。

2.基于权利要求书1所述的一种基于极性反转的直流电压源的铁芯剩磁消除和测量方法，其特征在于，所述的测量步骤一、二、三也可以为：

步骤一：先施加一个正的电压(V_DC)使铁芯达到正饱和点，根据饱和点电压电流数据计算绕组直流电阻R_DC；

步骤二：当施加在绕组上的电流值达到正饱和电流(I_s)时，改变施加在绕组两端的电源极性；从而施加一个负的直流电压(-V_DC)在绕组上，使铁芯到达负饱和点，同时记录铁芯从正饱和点到达负饱和点的时间T；

步骤三：当绕组电流达到负饱和电流(-I_s)时，改变电源极性，再次施加一个正的直流电压(V_DC)在绕组上，施加时间恰好为T/2(铁芯从正饱和点到负饱和点时间的一半)，然后在绕组上施加电压为0；这样使铁芯恰好处于磁通为0的点，从而达到消除剩磁的作用。