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CN106249068B - 一种铁磁元件空载特性低频测量方法 - Google Patents

一种铁磁元件空载特性低频测量方法 Download PDF

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CN106249068B CN201610536618.9A CN201610536618A CN106249068B CN 106249068 B CN106249068 B CN 106249068B CN 201610536618 A CN201610536618 A CN 201610536618A CN 106249068 B CN106249068 B CN 106249068B
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Abstract

一种铁磁元件空载特性的低频测量方法，主要包括如下步骤：第一步：根据T型等效电路，建立高压侧开路等效电路，在低压侧施加2个频率不同的低频正弦波，计算各个频率下的铁心损耗；第二步：计算单位周期产生的单位磁滞和涡流损耗We和Wh，并计算折算至工频下的铁心损耗PCoren；第三步：根据涡流电流补偿算法计算折算至工频下的励磁电流Iexn、谐波含量K(k)、励磁电压Un；第四步：计算空载损耗Pn；第五步：绘制PCoren‑Un，Iexn‑Un关系曲线，以及K(k)‑Un谐波含量表格。该方法采用低频电源代替工频电源开展试验可以成倍减低试验电源容量、减小试验设备体积和重量，使试验成本更低。

Description

一种铁磁元件空载特性低频测量方法
技术领域
本发明属于铁磁元件空载特性测量技术领域，主要包含空载损耗、励磁特性、空载电流谐波含量测量，具体涉及变压器、互感器、电抗器等铁磁元件。
背景技术
变压器、互感器、电抗器等铁磁元件作为电力系统中最重要的输变电设备，其性能的好坏直接影响着电力系统的安全、经济运行。铁磁元件的空载损耗、励磁特性和空载电流谐波含量是反应铁磁元件铁心性能的重要指标。《GB1094.1-2013电力变压器第一部分：总则》，要求空载损耗和空载电流测量为例行试验，可以作为检查和发现试品磁路中的局部缺陷和整体缺陷。《JB/T501-2006电力变压器试验导则》中规定：进行空载试验时，应从试品各绕组中的高压侧绕组(一般为低压绕组)供给额定频率的额定电压，其余绕组开路；变压器空载电流谐波测量为特殊试验，通过检测空载电流谐波构成及数值以检查铁心的饱和程度，验证设计的合理性。《GB22071.1-2008互感器试验导则第1部分：电流互感器》和《GB22071.2-2008互感器试验导则第2部分：电压互感器》都规定需要对电压(电流)互感器进行励磁特性试验。《GB 1094.6-2011电力变压器第6部分：电抗器》也规定了电抗器须进行空载损耗的测量。但随着电网电压等级的提高，变压器等铁磁元件的电压等级和容量也逐渐增大，进行空载试验时所需要的试验设备容量、体积和重量往往很大，导致空载试验程序复杂、操作人员人身安全得不到保障。
因此，寻找一种新的能简化试验过程，减轻试验设备重量和体积的铁磁元件空载特性试验方法很有必要。
发明内容
针对上述现有的铁磁元件空载特性测量方法的不足，本发明提出了一种采用低频电源进行铁磁元件空载试验。由E＝4.44fNΦ可知，铁磁元件的铁心饱和电压基本与电源频率成正比，在低频电源的激励下，能够大大降低电源电压，而空载电流基本不变，因而能成倍减小试验电源的容量。测量低频下的空载损耗、空载电流及其谐波特性，再根据相关算法计算折算至工频试验条件下的空载损耗、空载电流及其谐波含量，达到用低频试验来代替工频试验的目的。试验证明，这种方法与直接采用工频试验法具有较好的一致性。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种铁磁元件空载特性的低频测量方法，其特征是：
1、建立铁磁元件高压侧开路的等效电路模型,图1所示。其中Rdc为绕组上的直流电阻，Lσ为该侧绕组漏感，Re为涡流损耗等效电阻，带磁滞回环的非线性电感Lm为励磁电感，磁滞损耗Ph包含在Lm中。iex(t)为励磁电流，im(t)为流过Lm的磁化电流，ie(t)为涡流损耗等效电流，u(t)为施加在绕组上的励磁电压；
2、铁磁元件空载损耗主要是铁心损耗，铁心损耗主要由磁滞损耗和涡流损耗组成：
Figure BDA0001044651200000021
式中，Ph和Pe分别为磁滞损耗和涡流损耗；Ce为涡流损耗系数，电阻率确定；Ch为磁滞损耗系数，材料性质决定；Bm为铁心磁通峰值；f为频率；V为铁心体积；Δ为硅钢片厚度；Wh(W/Hz)和We(W/Hz2)分别为每个磁化周期产生的单位磁滞和涡流损耗。因此如果保证不同频率下的Bm一致，则可以认为We、Wh为常数，试验时，保证不同频率下的U/f一致，则可以认为Bm相等。通过两个不同频率下的铁心损耗可求出Wh和We的值；
3、让绕组高压侧开路，低压侧施加电压，记录两个不同频率下U/f相等时的电压电流数据。铁损耗的计算公式：
Figure BDA0001044651200000022
式中,u(t)是施加在绕组两端的电压，iex(t)是励磁电流，Iex是其有效值；
4、计算各个频率下对应的铁损耗，得到：
Figure BDA0001044651200000023
5、由式(3)，解方程可求得We和Wh为：
Figure BDA0001044651200000024
6、因此，折算到工频下的铁损耗：
Figure BDA0001044651200000025
其中，fn为额定频率，一般为50Hz或者60Hz；
7、铁损耗电流可以分为磁滞损耗电流与涡流损耗电流：
Figure BDA0001044651200000026
式中，IFe、Ih、Ie为对应电流的有效值，由E＝KvfNBmS，知E与频率f成正比，因此涡流损耗电流ie与频率一次方成正比，磁滞损耗电流ih与频率无关。而因为不同频率下Bm相等，所以im相等，折算到工频下的励磁电流：
8、因涡流损耗电流ie与频率一次方成正比，折算到工频下的涡流电流：
Ien＝Ie·fn/f (7)
9、由图1知，涡流电流只含基波分量，因此在计算励磁电流时只需要将涡流电流补偿的到励磁电流的基波分量上，相量图如图2所示，折算到工频下的励磁电流基波分量：
Figure BDA0001044651200000031
10、折算到工频下的励磁电流：
Figure BDA0001044651200000032
其中，Iex(k)为低频下第k次谐波电流有效值；
11、空载电流谐波百分数：
Figure BDA0001044651200000033
K(k)为第k次谐波电流占基波电流有效值的百分数，由于波形对称正负半轴对称，偶次谐波含量基本为零。因此k取1,3,5,7…，k>1时，低频与工频励磁下的空载电流高次谐波幅值相等，即Iexn(k)＝Iex(k)；
12、折算到额定频率下的空载损耗：
Figure BDA0001044651200000034
13、由于空载时漏感上的压降很小，可以忽略，折算到额定频率下的励磁电压：
Un＝E·fn/f+Iexn·Rdc (12)。
这样便可得到折算到工频的励磁电压Un(工频励磁电压有效值)与工频下的空载损耗、励磁电流及其空载电流谐波含量的对应关系，达到采用低频试验来代替工频试验的目的。
和现有的技术相比较，本发明具备如下优点:
1.采用低频正弦波电源进行试验，可以成倍的减小试验电源容量、体积和重量，使测试过程更加方便，成本更低；
2.降低了试验电压，对测试设备的绝缘性能要求低，保障了试验人员的安全。
附图说明
为了使本发明的铁磁元件的空载特性测量方法、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为本发明实施例提供的一种铁磁元件高压侧开路的等效电路图；
图2为本发明实施例提供的一种铁磁元件励磁电流补偿的相量图；
图3为本发明实施例提供的一种铁磁元件空载特性低频测量方法优选实施例原理图；
图4为本发明实施例提供的一种铁磁元件空载特性测量方法示意图；
图5为本发明实施例提供的采用本方法测量和工频实测的对比，(a)为空载损耗测量对比，(b)为励磁特性测量对比。
具体实施方式
本发明实施例提供一种铁磁元件空载特性的低频测量方法，为了使本技术领域的人员更好的理解本发明中的技术方案，下面将结合附图和具体实施方式对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
其测量过程如下：
参见图4，为本发明的测量方法示意图。
步骤100：根据T型等效电路模型，建立铁磁元件一侧(高压侧)开路的等效电路，如图1所示，其中Rdc为绕组上的直流电阻，Lσ为该侧绕组漏感，Re为涡流损耗等效电阻，带磁滞回环的非线性电感Lm为励磁电感，磁滞损耗Ph包含在Lm中。iex(t)为励磁电流，im(t)为流过Lm的磁化电流，ie(t)为涡流损耗等效电流，u(t)为施加在绕组上的励磁电压；
步骤200：本发明提供的优选实施例的测量过程示意图如图2所示，高压侧开路，低压侧施加2个频率的低频正弦波(保证不同频率下的U/f相等)，数据采集装置记录相应的电压电流数据，根据式(2)计算各个频率下的铁心损耗；
步骤300：根据式(3)～(4)计算每个磁化周期内单位磁滞损耗Wh和涡流损耗We；
步骤400：根据式(5)计算折算至工频下的铁心损耗PCoren；
步骤500：根据式(6)～(8)计算折算至工频下的涡流电流Ie，励磁电流基波分量Iexn(1)；
步骤600：根据式(9)～(10)计算折算至工频下的励磁电流Iexn及其谐波含量K(k)；
步骤700：根据式(11)计算折算至工频下的空载损耗Pn；
步骤800：根据式(12)计算折算至工频下的励磁电压有效值Un；
步骤900：绘制PCoren-Un，Iexn-Un关系曲线，和K(k)-Un谐波含量表格。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种铁磁元件空载特性的低频测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：根据T型等效电路，建立高压侧开路等效电路，其中，所述高压侧开路等效电路为励磁电感L m和涡流等效电阻R e并联后，再与绕组直流电阻R dc和绕组漏感L σ串联形成，磁滞损耗P h包含在励磁电感L m中，在低压侧施加2个频率不同的低频正弦波，计算各频率下的铁心损耗，其中：
根据
Figure 370797DEST_PATH_IMAGE001
计算各频率下的铁心损耗；
式中，u(t)是施加在绕组两端的电压，i ex(t)是励磁电流，I ex是其有效值；
步骤二：采用插值法计算频率不同、相等E/f时的铁心损耗，计算不同电压下单位周期产生的单位磁滞和涡流损耗We和Wh，并计算折算至工频下的铁心损耗P Coren，其中：
根据
Figure 404481DEST_PATH_IMAGE002
计算不同电压下单位周期产生的单位磁滞和涡流损耗We和Wh；
根据
Figure 333123DEST_PATH_IMAGE003
计算折算至工频下的铁心损耗P Coren；
其中，f n 为额定频率，为50Hz或者60Hz， E为感应电动势，f为施加的电源频率；
步骤三：根据涡流电流补偿到励磁电流基波分量分折算算法计算折算至工频下的励磁电流I exn、谐波含量K(k )、励磁电压U n，其中：
根据
Figure 124361DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 999913DEST_PATH_IMAGE005
计算折算至工频下的励磁电流I exn；
根据
Figure 888104DEST_PATH_IMAGE006
计算折算至工频下的励磁电流K(k )；
根据
Figure 722068DEST_PATH_IMAGE007
计算折算至工频下的励磁电压U n；
其中，
Figure 735023DEST_PATH_IMAGE008
为工频下的励磁电流基波分量，
Figure 414266DEST_PATH_IMAGE009
为低频下的励磁电流基波分量有效值，
Figure 354366DEST_PATH_IMAGE010
为折算到工频下的涡流电流有效值，
Figure 359231DEST_PATH_IMAGE011
为低频下的涡流损耗电流的有效值，
Figure 187379DEST_PATH_IMAGE012
为低频下的涡流电流与励磁电流基波分量之间的相位差，
Figure 404733DEST_PATH_IMAGE013
为工频下励磁电流的第k次谐波有效值，
Figure 470778DEST_PATH_IMAGE014
为低频下励磁电流第k次谐波电流有效值；
步骤四：根据对折算到工频下的铁损耗和铜损耗来计算空载损耗P n，其中根据
Figure 177703DEST_PATH_IMAGE015
计算空载损耗P n；
步骤五：绘制P Coren-U n，I exn-U n关系曲线，以及K(k)-U n谐波含量表格。
2.根据权利要求1所述的铁磁元件空载特性的低频测量方法，其特征在于，步骤一所述的铁心损耗是保证铁磁元件不同频率下U/f相等，以保证不同频率下的磁通Bm相等条件下的铁心损耗。
3.根据权利要求1所述的铁磁元件空载特性的低频测量方法，其特征在于，所述的步骤二所述的We和Wh是根据求解两个频率下的铁心损耗二元一次方程组得到。
4.根据权利要求1所述的铁磁元件空载特性的低频测量方法，其特征在于，所述的步骤三所述的涡流电流补偿算法因涡流电流只含基波分量，只将涡流电流补偿到励磁电流的基波分量上。
5.根据权利要求1所述的一种铁磁元件空载特性的低频测量方法，其特征在于，所述的步骤四所述的铜损耗是根据折算到工频下的励磁电流代入到欧姆定律中计算得到。
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