CN115685040A - 一种低成本获取铁芯磁性能以评定互感器准确级的方法 - Google Patents

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CN115685040A CN202211218551.6A CN202211218551A CN115685040A CN 115685040 A CN115685040 A CN 115685040A CN 202211218551 A CN202211218551 A CN 202211218551A CN 115685040 A CN115685040 A CN 115685040A
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蒋大维
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Abstract

本发明涉及互感器设计技术领域，具体涉及一种低成本获取铁芯磁性能以评定互感器准确级的方法，包括使用互感器校验仪，对电流互感器进行测试；测试时通过改变一次电流的数据，得到互感器在不同电流点情况下的比转差和相位差，再利用测试得到的比转差和相位差数据，采用反向推导法，推导出互感器铁芯的B‑H曲线和δ‑H的曲线。本发明在无专用铁芯曲线测试仪器的情况下，创新设计了一种以低成本获取铁芯磁性能曲线以评定互感器准确级的方法，从而为互感器的设计提供依据。

Description

一种低成本获取铁芯磁性能以评定互感器准确级的方法
技术领域
本发明涉及互感器设计技术领域，具体涉及一种低成本获取铁芯磁性能以评定互感器准确级的方法。
背景技术
电流互感器由闭合的铁芯(铁氧体)和绕组组成，它是依据电磁感应原理将一次侧大电流转换成二次侧小电流来实现电流测量的仪器。
电流互感器的准确级是体现互感器精度性能的重要指标。为了保证互感器制成后具有良好的精度等级，在互感器的设计阶段就需要预先进行互感器准确级的理论计算和评定。但是要理论计算互感器的准确级，必须知道铁芯的性能，主要是B-H和δ-H的性能。但是目前市面上做铁芯的厂家通常只会提供B-H曲线，一般不提供δ-H曲线，所以导致互感器理论计算非常麻烦，基本上必须要先试样，从而大大浪费人工及成本。现在市面上也有极少数的铁芯曲线测试仪器，一来价格昂贵(价格高达数十万元)，二来测试速度偏慢，不利于推广使用。
因此，对于专门设计、制造互感器的厂商来说，在缺乏价格昂贵的铁芯曲线测试仪器的情况下，希望能够找到一种以低成本获取铁芯磁性能曲线以评定互感器准确级的方法，从而为互感器的设计提供依据。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种低成本获取铁芯磁性能以评定互感器准确级的方法，旨在无专用铁芯曲线测试仪器的情况下，找到一种以低成本获取铁芯磁性能曲线以评定互感器准确级的方法，从而为互感器的设计提供依据。具体的技术方案如下：
一种低成本获取铁芯磁性能以评定互感器准确级的方法，包括使用互感器校验仪，对电流互感器进行测试；测试时通过改变一次电流的数据，得到互感器在不同电流点情况下的比转差和相位差，再利用测试得到的比转差和相位差数据，采用反向推导法，推导出互感器铁芯的B-H曲线和δ-H的曲线。
其中，所述反向推导法包括如下步骤：
(1)建立电流互感器的工作向量图；所述电流互感器的工作向量图中设置有一次电流I1的向量
Figure BDA0003876931540000021
二次电流I2的向量
Figure BDA0003876931540000022
励磁电流I0的向量
Figure BDA0003876931540000023
磁通密度B的向量
Figure BDA0003876931540000024
二次绕组感应电势E2的向量
Figure BDA0003876931540000025
二次电压U2向量
Figure BDA0003876931540000026
所述一次电流I1的向量
Figure BDA0003876931540000027
与所述二次电流I2的向量
Figure BDA0003876931540000028
的负向量
Figure BDA0003876931540000029
之间形成相位差Δ，所述磁通密度B的向量
Figure BDA00038769315400000210
与所述励磁电流I0的向量
Figure BDA00038769315400000211
之间的损耗角δ，所述二次电流I2的向量
Figure BDA00038769315400000212
与所述二次绕组感应电势向量
Figure BDA00038769315400000213
之间形成阻抗角α；
(2)根据电流互感器的工作向量图，建立电流互感器的比转差F计算公式、相位差Δ计算公式如下：
比转差
Figure BDA00038769315400000214
相位差
Figure BDA00038769315400000215
(3)计算电流互感器的阻抗角：
阻抗角
Figure BDA00038769315400000216
其中，Xb为互感器的负载电抗，X0为互感器的漏抗，r0为互感器的内阻，Rb为互感器的负载电阻；
(4)根据电流互感器的比转差F、相位差Δ和阻抗角α，推导出电流互感器损耗角δ计算公式、磁通密度B计算公式、磁场强度H计算公式如下：
损耗角
Figure BDA00038769315400000217
磁通密度
Figure BDA0003876931540000031
磁场强度
Figure BDA0003876931540000032
其中，Sc为互感器铁芯截面面积，f为互感器的频率，N为互感器二次绕组的匝数，Lc为互感器的磁路长度；
(5)使用互感器校验仪对互感器进行测试和测试数据的处理：选定一待测试的电流互感器，使用互感器校验仪，测试互感器的比转差F和相位差Δ；通过设计不同的电流点、不同的负荷等变化，测试出互感器在不同的电流点、不同的负荷等变化情况下的不同比转差F数据和相位差Δ数据；然后根据测试得到的比转差F数据和相位差Δ数据，利用步骤(4)中的电流互感器损耗角δ计算公式、磁通密度B计算公式、磁场强度H计算公式，计算得到互感器在不同的电流点、不同的负荷等变化情况下的磁通密度B、磁场强度H及损耗角δ，并最终做成一个完整的测试结果数据库；
其中，所述测试结果数据库中包含有出互感器在不同的电流点、不同的负荷等变化情况下的二次电流I2、比转差F、相位差Δ、磁通密度B、磁场强度H及损耗角δ的数据；
(6)根据磁通密度B、磁场强度H及损耗角δ的数据库，画出互感器铁芯的B-H曲线和δ-H的曲线。
为了提高对于互感器测试数据处理的效率，进一步的改进方案是：采用EXCEL软件，利用EXCEL软件中的EXCEL函数，将步骤(4)中的损耗角δ计算公式、磁通密度B计算公式、磁场强度H计算公式输入到EXCEL表单中，并将步骤(5)的互感器测试数据输入到EXCEL表单中，由EXCEL软件自动进行计算并形成表单式的测试结果数据库。
优选的，利用测试结果数据库，由EXCEL软件自动生成互感器铁芯的B-H曲线和δ-H曲线。
本发明中，所述步骤(5)使用互感器校验仪对互感器进行测试时，通过改变一次电流使得二次电流逐渐增大，得到互感器不同电流点的比转差和相位差，直至拐点饱和。
本发明的一种低成本获取铁芯磁性能以评定互感器准确级的方法还包括步骤(7)：互感器准确级的计算和评定：将步骤(5)获得的B-H曲线和δ-H曲线，用于同牌号铁芯不同匝比不同负荷互感器的准确级计算和评定。
本发明的有益效果是：
第一，本发明的一种低成本获取铁芯磁性能以评定互感器准确级的方法，使用互感器校验仪
一来价格昂贵(价格高达数十万元)，二来测试速度偏慢，不利于推广使用
但是只要生产互感器的厂商都配有互感器校验仪，就是测试互感器准确级的仪器，本发明就是利用互感器校验仪来反向推导铁芯的曲线，然后再利用这个铁芯曲线做为数据库，去计算同牌号铁芯的不同匝比不同负荷的互感器准确级，这样即节省成本又利于推广。
有了这两个数据，那么我们对于快速计算不同变比的互感器准确度就有了相对可靠的数据支撑,可以利用公式快速的计算互感器的性能。
附图说明
图1是本发明的一种低成本获取铁芯磁性能以评定互感器准确级的方法的示意图；
图2是电流互感器的工作向量图；
图3是互感器铁芯的B-H曲线图；
图4是互感器铁芯的δ-H曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1至4所示为本发明的一种低成本获取铁芯磁性能以评定互感器准确级的方法的实施例，包括以下步骤：
一、互感器计算公式：
互感器的准确级包括比转差(简称比差)和相位差(简称角差)，比差是一次电流和二次电流之间的额定百分比误差，单位为％；角差是一次电流和二次电流的相位差。而互感器校验仪可以直接测试出互感器的比差和角差。
根据图2(电流互感器的工作向量图)，可以计算出互感器比差公式F：
Figure BDA0003876931540000051
由于Δ通常很小，一般按分来计算，所以Δ≈sinΔ，即相位差Δ：
Figure BDA0003876931540000052
因为cos计算出来的是弧度，相位差是分，所以弧度要化成分，1弧度＝3438′。
二、互感器铁芯数据反推
根据以上的公式，那么我们可以设计一个特定的互感器，并且通过互感校验仪来测试其比值差和相位差来反推B-H数据和δ-H数据，根据设计不同的电流点、不同的负荷等变化，可以测试互感器不同点的B、H及δ，并最终做成一个完整的数据库，下面先进行公式推导。
根据比差公式和相位差公式，我们可以得出以下公式：
Figure BDA0003876931540000061
损耗角δ一般以°来计算，但是校验仪的相位差一般是′来计算，为了方便将互感器校验仪的坟转化成°。
得到损耗角和阻抗角之和：
Figure BDA0003876931540000062
阻抗角的正切公式：
Figure BDA0003876931540000063
可以计算阻抗角α：
Figure BDA0003876931540000064
可以计算损耗角δ：
Figure BDA0003876931540000065
根据法拉第电磁感应定律，此时的磁感应强度B：
Figure BDA0003876931540000066
较为准确地磁场强度H(A/cm)可以计算为：
Figure BDA0003876931540000067
据此B(公式8)、H(公式9)、δ(公式7)三个点的计算都反推出来了，我们也会发现要求出这三项值需要哪些参数。
那么我们的测试就是围绕这些数据的设计来进行。
三、互感器铁芯测试举例
利用我公司的现有产品SCT10来测试，其绕线参数为φ0.1的漆包铜线，绕制2960匝，其铁芯是采用的PC40的铁氧体材料，饱和B值在0.45左右。
Figure BDA0003876931540000071
经测试内阻r0为245.4Ω，漏抗不方便测试给个预估值0.2Ω，(如果内阻足够大，可以忽略漏抗造成的影响。)为了方便测试，内阻又足够大，铁芯饱和B值不高，所以本次测试不带任何负载。
铁芯截面经过计算为0.784cm2，磁路长度为10.18cm，互感器的频率一般为50HZ。使用我们公司的互感器校验仪测试SCT10互感器不同的电流的比值差和相位差，直至饱和，数据如下面的表单1：
Figure BDA0003876931540000072
Figure BDA0003876931540000081
表单1：SCT10，不同电流的比值差和角差，直至拐点饱和。
根据B(公式8)、H(公式9)、δ(公式7)，我们可以计算出不同电流点的数据，为了方便计算，我们可以采用EXCEL的函数进行计算，效果如下面的表单2。
Figure BDA0003876931540000082
Figure BDA0003876931540000091
表单2：根据测试的参数，利用EXCEL函数功能，计算出B值、H值以及损耗角δ。根据测试和计算的结果，我们可以画出B-H曲线和δ-H的曲线，如图3和图4。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种低成本获取铁芯磁性能以评定互感器准确级的方法，其特征在于，包括使用互感器校验仪，对电流互感器进行测试；测试时通过改变一次电流的数据，得到互感器在不同电流点情况下的比转差和相位差，再利用测试得到的比转差和相位差数据，采用反向推导法，推导出互感器铁芯的B-H曲线和δ-H的曲线。
2.根据权利要求1所述的一种低成本获取铁芯磁性能以评定互感器准确级的方法，其特征在于，所述反向推导法包括如下步骤：
(1)建立电流互感器的工作向量图；所述电流互感器的工作向量图中设置有一次电流I1的向量
Figure FDA0003876931530000011
二次电流I2的向量
Figure FDA0003876931530000012
励磁电流I0的向量
Figure FDA0003876931530000013
磁通密度B的向量
Figure FDA0003876931530000014
二次绕组感应电势E2的向量
Figure FDA0003876931530000015
二次电压U2向量
Figure FDA0003876931530000016
所述一次电流I1的向量
Figure FDA0003876931530000017
与所述二次电流I2的向量
Figure FDA0003876931530000018
的负向量
Figure FDA0003876931530000019
之间形成相位差Δ，所述磁通密度B的向量
Figure FDA00038769315300000110
与所述励磁电流I0的向量
Figure FDA00038769315300000111
之间的损耗角δ，所述二次电流I2的向量
Figure FDA00038769315300000112
与所述二次绕组感应电势向量
Figure FDA00038769315300000113
之间形成阻抗角α；
(2)根据电流互感器的工作向量图，建立电流互感器的比转差F计算公式、相位差Δ计算公式如下：
比转差F＝I0/I1sin(δ+α)×100％；
相位差Δ＝I0/I1cos(δ+α)×3438；
(3)计算电流互感器的阻抗角：
阻抗角
Figure FDA00038769315300000114
其中，Xb为互感器的负载电抗，X0为互感器的漏抗，r0为互感器的内阻，Rb为互感器的负载电阻；
(4)根据电流互感器的比转差F、相位差Δ和阻抗角α，推导出电流互感器损耗角δ计算公式、磁通密度B计算公式、磁场强度H计算公式如下：
损耗角
Figure FDA0003876931530000021
磁通密度
Figure FDA0003876931530000022
磁场强度
Figure FDA0003876931530000023
其中，Sc为互感器铁芯截面面积，f为互感器的频率，N为互感器二次绕组的匝数，Lc为互感器的磁路长度；
(5)使用互感器校验仪对互感器进行测试和测试数据的处理：选定一待测试的电流互感器，使用互感器校验仪，测试互感器的比转差F和相位差Δ；通过设计不同的电流点、不同的负荷等变化，测试出互感器在不同的电流点、不同的负荷等变化情况下的不同比转差F数据和相位差Δ数据；然后根据测试得到的比转差F数据和相位差Δ数据，利用步骤(4)中的电流互感器损耗角δ计算公式、磁通密度B计算公式、磁场强度H计算公式，计算得到互感器在不同的电流点、不同的负荷等变化情况下的磁通密度B、磁场强度H及损耗角δ，并最终做成一个完整的测试结果数据库；
其中，所述测试结果数据库中包含有出互感器在不同的电流点、不同的负荷等变化情况下的二次电流I2、比转差F、相位差Δ、磁通密度B、磁场强度H及损耗角δ的数据；
(6)根据磁通密度B、磁场强度H及损耗角δ的数据库，画出互感器铁芯的B-H曲线和δ-H的曲线。
3.根据权利要求2所述的一种低成本获取铁芯磁性能以评定互感器准确级的方法，其特征在于，采用EXCEL软件，利用EXCEL软件中的EXCEL函数，将步骤(4)中的损耗角δ计算公式、磁通密度B计算公式、磁场强度H计算公式输入到EXCEL表单中，并将步骤(5)的互感器测试数据输入到EXCEL表单中，由EXCEL软件自动进行计算并形成表单式的测试结果数据库。
4.根据权利要求3所述的一种低成本获取铁芯磁性能以评定互感器准确级的方法，其特征在于，利用测试结果数据库，由EXCEL软件自动生成互感器铁芯的B-H曲线和δ-H曲线。
5.根据权利要求2所述的一种低成本获取铁芯磁性能以评定互感器准确级的方法，其特征在于，所述步骤(5)使用互感器校验仪对互感器进行测试时，通过改变一次电流使得二次电流逐渐增大，得到互感器不同电流点的比转差和相位差，直至拐点饱和。
6.根据权利要求2所述的一种低成本获取铁芯磁性能以评定互感器准确级的方法，其特征在于，还包括步骤(7)：互感器准确级的计算和评定：将步骤(5)获得的B-H曲线和δ-H曲线，用于同牌号铁芯不同匝比不同负荷互感器的准确级计算和评定。
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