封閉磁路磁芯剩磁的測量方法
【專利摘要】本發(fā)明封閉磁路磁芯剩磁的測量方法，涉及測量物品的磁性，第一步，建立待測封閉磁路磁芯的仿真模型；第二步，得出待測封閉磁路磁芯仿真模型另一側測量線圈中的電流變化；第三步，對得到的待測封閉磁路磁芯的仿真模型另一側的測量線圈電流進行采集分析，由此得出待測封閉磁路磁芯仿真模型另一側測量線圈電流變化值與剩磁的關系公式：第四步，確定待測封閉磁路磁芯的剩磁。本發(fā)明方法有效地解決了封閉磁路磁芯剩磁的大小和方向難以獲得的問題。
【專利說明】封閉磁路磁芯剩磁的測量方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明的技術方案涉及測量物品的磁性，具體地說是封閉磁路磁芯剩磁的測量方法。
【背景技術】
[0002]具有封閉磁路磁芯結構的電力設備運行后，不可避免的會存在剩磁問題,封閉磁路磁芯材料的磁滯特性導致剩磁的產生。具有封閉磁路磁芯結構的設備試驗或運行后，再次投入供配電系統(tǒng)前，剩磁的存在可能會在合閘時產生過電流和過電壓，使繼電保護裝置動作，引起跳閘甚至燒毀器件等一系列問題。然而，至今在具有封閉磁路磁芯結構的設備試驗或運行后，例如大型電力變壓器運行后，其磁芯內部剩磁的大小和方向均難以獲得。
[0003]CN103176147A公開了電流互感器剩磁測量系統(tǒng)及測量方法，是用上位機接收數(shù)據(jù)單元傳送的電流互感器的數(shù)據(jù)信號，進行相關數(shù)據(jù)處理，計算出剩磁系數(shù)。該方法的結果并沒有測量出剩磁，僅僅考慮了剩磁系數(shù)對電流互感器的運行情況的分析，而且并不適用于大型電力設備的剩磁檢測，實際測量數(shù)據(jù)多，測量過程繁瑣，操作復雜。
【發(fā)明內容】
[0004]本發(fā)明所要解決的技術問題是:提供封閉磁路磁芯剩磁的測量方法，采用直流電壓源對存在剩磁的封閉磁路磁芯進行暫態(tài)合閘仿真試驗,推導出封閉磁路磁芯剩磁的仿真計算公式，并結合用待測封閉磁路磁芯的試驗測量裝置測量得到的電流值，最終獲得封閉磁路磁芯剩磁的測量結果,有效地解決了封閉磁路磁芯剩磁的大小和方向難以獲得的問題。
[0005]本發(fā)明解決該技術問題所采用的技術方案是:封閉磁路磁芯剩磁的測量方法，步驟如下:
[0006]第一步，建立待測封閉磁路磁芯的仿真模型
[0007]根據(jù)待測封閉磁路磁芯的結構尺寸在裝有電磁場仿真軟件Magnet程序的電腦中畫出待測封閉磁路磁芯模型,并根據(jù)待測封閉磁路磁芯的材料特性參數(shù)在電磁場仿真軟件Magnet中設置磁芯材料屬性，由此在電磁場仿真軟件Magnet中建立起待測封閉磁路磁芯的仿真模型；
[0008]第二步，在仿真模型中得出待測封閉磁路磁芯仿真模型另一側的測量線圈中的電流變化值，并進一步得到待測封閉磁路磁芯的剩磁與電流變化值的關系
[0009]以下(I)到(3)步的操作均是在第一步得到的電磁場仿真軟件Magnet中建立的待測封閉磁路磁芯的仿真模型上進行的，
[0010](I)在第一步所述的待測封閉磁路磁芯的結構尺寸的基礎上，求出該磁芯等效磁
路的長度1，根據(jù)B-H磁化曲線以及安培環(huán)路定理=.?V，計算需在待測封閉磁路磁
芯仿真模型的一側的剩磁線圈中注入的直流電流的大小，并記錄加載直流電流的方向設為剩磁正方向,在待測封閉磁路磁芯仿真模型的一側的剩磁線圈中注入上述所求出的直流電流，模擬設置待測封閉磁路磁芯內不同的剩磁值，確定該剩磁范圍；
[0011](2)在電磁場仿真軟件Magnet中分別設置剩余磁通密度為0.3T,0.7T和L 26T，在待測封閉磁路磁芯仿真模型的另一側的測量線圈上加載產生10%到100%飽和磁通范圍的磁通對應的7?10組的系列直流電壓激勵，觀測上述過程中待測封閉磁路磁芯仿真模型另一側的測量線圈電流的分布，取其中使待測封閉磁路磁芯仿真模型另一側的測量線圈電流有明顯變化的最小直流電壓U0為暫態(tài)激勵電壓值；
[0012](3)在待測封閉磁路磁芯仿真模型的另一側的測量線圈中用直流電壓源進行電路暫態(tài)合閘操作，測量待測封閉磁路磁芯仿真模型另一側的測量線圈電流產生的暫態(tài)過程，即在待測封閉磁路磁芯仿真模型的另一側的測量線圈中，加載正、負向等值直流電壓Utl激勵并進行暫態(tài)仿真，對應得到待測封閉磁路磁芯仿真模型的另一側的測量線圈中的電流；
[0013]第三步，對得到的待測封閉磁路磁芯的仿真模型另一側的測量線圈電流進行采集分析
[0014]設置剩磁I?10組，按第二步(3)中方法，獲得各組待測封閉磁路磁芯仿真模型的一側的剩磁線圈中的剩磁對應的待測封閉磁路磁芯的仿真模型另一側的測量線圈電流，用數(shù)據(jù)分析工具Matlab對得到的待測封閉磁路磁芯仿真模型另一側的測量線圈電流進行
采集分析，得到待測封閉磁路磁芯仿真模型的另一側的測量線圈中的電流變化值&，并將
設置剩磁與對應的電流變化值f數(shù)據(jù)擬合，由此得出待測封閉磁路磁芯仿真模型測量線圈電流變化值與剩磁的關系的剩磁計算公式:
[0015]Cl)
[0016]上式中，Br為剩磁，a, b, c, d是由Matlab仿真軟件，通過擬合待測封閉磁路磁芯的仿真模型另一側的測量線圈電流變化值與剩磁的關系曲線獲得的參數(shù)，僅與封閉磁路磁芯結構尺寸和材料參數(shù)有關；
[0017]第四步，確定待測封閉磁路磁芯的剩磁
[0018]依據(jù)上述仿真模型，對待測封閉磁路磁芯的實體搭建待測封閉磁路磁芯的試驗測量裝置，該裝置由待測封閉磁路磁芯、直流電壓源、數(shù)字示波器、電流測量探針、斷路器、電阻和電腦數(shù)據(jù)采集處理器組成；操作方法是:將斷路器合閘，待測封閉磁路磁芯的測量線圈連接至可以調節(jié)正、負激勵方向的直流電壓源，在待測封閉磁路磁芯的測量線圈上分別加載正、負向第二步(2)中確定的直流電壓Utl，激勵進行暫態(tài)試驗，將數(shù)字示波器接入測量電路，觀察在上述正、負向直流電壓Utl激勵下待測封閉磁路磁芯的測量線圈中的電流變化，數(shù)字示波器與電腦數(shù)據(jù)采集處理器的對應輸入端相連，將數(shù)字示波器的數(shù)據(jù)導入電腦數(shù)據(jù)采集處理器進行后續(xù)處理，即通過數(shù)字示波器的電流測量探針記錄的測量待測封閉磁路磁芯的測量線圈的電流，利用數(shù)據(jù)分析工具Matlab對該數(shù)字示波器中獲取的待測封閉磁路
磁芯的測量線圈的電流進行分析，得到待測封閉磁路磁芯的測量線圈電流變化值將待
測封閉磁路磁芯的測量線圈電流變化值I代入上述剩磁計算公式(I)中，最終計算得到上述待測封閉磁路磁芯的剩磁值。
[0019]上述封閉磁路磁芯剩磁的測量方法，所述求出該磁芯等效磁路的長度1，當磁芯為環(huán)形磁芯時，環(huán)形磁芯結構等效磁路的長度計算公式為
,D + d
[0020]I = 2m = 2n-，
4
[0021]上式中，I為磁芯等效磁路的長度，r為環(huán)形磁芯的環(huán)形等效磁路的半徑，D為環(huán)形外部圓的直徑，d為環(huán)形內部圓的直徑，當磁芯為矩形磁芯時，矩形磁芯結構的等效磁路的長度計算公式為
[0022]I = Wi+Wa+hi+ha,
[0023]上式中，I為磁芯等效磁路的長度，W1為矩形磁芯外邊的長，W2為矩形磁芯內邊的長，h為矩形磁芯外邊的寬，h2為矩形磁芯內邊的寬。
[0024]上述封閉磁路磁芯剩磁的測量方法，所述直流電壓源U。的型號為WYK-302B2，數(shù)字示波器的型號為Tektronix DP04054,電流測量探針為安捷倫，電阻為100 Q，電腦數(shù)據(jù)采集處理器為xp系統(tǒng)計算機。
[0025]上述封閉磁路磁芯剩磁的測量方法，所涉及的元器件均通過商購獲得。
[0026]本發(fā)明的有益效果是:與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的突出的實質性特點是:本發(fā)明方法根據(jù)待測封閉磁路磁芯的材料參數(shù)特性和規(guī)格尺寸，建立封閉磁路磁芯模型，模擬待測封閉磁路磁芯剩磁，在仿真模型中通過改變直流電流大小方向設置待測封閉磁路磁芯剩磁的大小和方向，對存在剩磁的封閉磁路磁芯進行直流電壓暫態(tài)合閘激勵，分析電路暫態(tài)合閘過程測量待測封閉磁路磁芯測量線圈電流變化與剩磁的對應關系，推算測量待測封閉磁路磁芯測量線圈電流變化值與剩磁的關系式，通過待測封閉磁路磁芯試驗測量裝置的暫`態(tài)合閘過程實測得到待測封閉磁路磁芯測量線圈的電流變化值^，將該測量線圈的電流變
化值代入經(jīng)試驗驗證的剩磁數(shù)學表達式，便可得到待測封閉磁路磁芯中的剩余磁通。
[0027]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的顯著進步是:
[0028]( I)有效地解決了封閉磁路磁芯剩磁的大小和方向難以獲得的問題。
[0029](2)本發(fā)明方法原理簡單清晰，試驗測量操作簡便易行。
[0030](3)本發(fā)明方法具有高效高精度的特性。能夠反復驗證分析封閉磁路磁芯剩磁實時情況，使得封閉磁路磁芯剩磁的測量有更高的精確性；
[0031](4)本發(fā)明方法具有普遍適用性，可以廣泛應用于具有封閉磁路磁芯的電力設備剩磁的測量與計算，是對有效地消除電力設備的磁芯剩磁影響所不可缺少技術。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0033]圖1是本發(fā)明方法的操作流程示意框圖。
[0034]圖2是本發(fā)明實施例1中選取的封閉環(huán)形磁芯的尺寸示意圖。
[0035]圖3是本發(fā)明實施例1中的硅鋼片型號30ZH120的B-H磁化曲線以及y -H曲線圖形。
[0036]圖4是本發(fā)明實施例1中得到的待測封閉環(huán)形磁芯仿真模型的另一側的測量線圈中的電流變化值& (橫軸)與封閉環(huán)形磁芯剩磁4 (縱軸)的關系圖。[0037]圖5是本發(fā)明實施例1中的待測封閉環(huán)形磁芯試驗測量裝置的部件連接線路圖。
[0038]圖6是本發(fā)明實施例3中得到的待測封閉環(huán)形磁芯仿真模型的另一側的測量線圈
電流變化值I與封閉矩形磁芯剩磁的對應關系圖。
【具體實施方式】
[0039]圖1所示實施例表明，本發(fā)明封閉磁路磁芯剩磁的測量方法的操作流程是:第一步是建立待測封閉磁路磁芯的仿真模型；第二步如圖1中大的虛線框內所示:在仿真模型一側的剩磁線圈加載直流電流設置剩磁，在仿真模型另一側測量線圈加載直流電壓進行暫態(tài)合閘，再對待測封閉磁路磁芯仿真計算，得出待測封閉磁路磁芯仿真模型另一側的測量線圈中的電流變化值，進一步得到待測封閉磁路磁芯剩磁與電流變化值的關系式；第三步如圖1中小的虛線框內所示:搭建待測封閉磁路磁芯實體試驗測量裝置，對由該裝置得到的待測封閉磁路磁芯另一側的測量線圈電流進行采集分析；第四步，確定待測封閉磁路磁芯的剩磁,包括剩磁的數(shù)值大小和方向。
[0040]圖2所示實施例表明，在本發(fā)明實施例1中，選取的變壓器的環(huán)形磁芯的尺寸為外徑 D=410mm,內徑 d=250mm,磁芯高度 h=45mm。
[0041]圖3所示實施例表明，在本發(fā)明實施例1中，待測封閉環(huán)形磁芯材料型號30ZH120硅鋼片的B-H磁化曲線以及y-H曲線圖形。
[0042]圖4所示實施例表明，本發(fā)明實施例1中得到的待測封閉環(huán)形磁芯仿真模型的另一側的測量線圈中的電流變化值& (橫軸)與封閉環(huán)形磁芯剩磁4 (縱軸)的關系圖，該圖中的曲線體現(xiàn)了剩磁與測量電流變化值的一個一一對應關系。
[0043]圖5所示實施例表明，本發(fā)明實施例1中對待測封閉環(huán)形磁芯的實體搭建待測封閉環(huán)形磁芯的試驗測量裝置由待測封閉環(huán)形磁芯、直流電壓源、數(shù)字示波器、電流測量探針、斷路器、電阻和電腦數(shù)據(jù)采集處理器組成；其中直流電壓源通過電阻和斷路器連接到待測封閉環(huán)形磁芯兩端，數(shù)字示波器與電腦數(shù)據(jù)采集處理器的對應輸入端相連，電流測量探針接在數(shù)字示波器的輸出端。
[0044]實施例1
[0045]待測封閉磁路磁芯為變壓器環(huán)形磁芯，其為外徑D=410mm，內徑d=250mm，磁芯高度h=45mm，采用型號為30ZH120的硅鋼片材料，該材料的B-H磁化曲線以及y -H曲線圖形如圖3所示。
[0046]第一步，建立待測封閉環(huán)形磁芯的仿真模型
[0047]根據(jù)上述的待測封閉環(huán)形磁芯的結構尺寸在裝有電磁場仿真軟件Magnet程序的電腦中畫出待測封閉環(huán)形磁芯模型,并根據(jù)待測封閉環(huán)形磁芯的材料特性參數(shù)在電磁場仿真軟件Magnet中設置磁芯材料屬性，由此在電磁場仿真軟件Magnet中建立起待測封閉環(huán)形磁芯的仿真模型；
[0048]第二步，在仿真模型中得出待測封閉環(huán)形磁芯仿真模型另一側的測量線圈中的電流變化值，并進一步得到待測封閉環(huán)形磁芯的剩磁與電流變化值的關系
[0049]以下(I)到(3)的操作均是在第一步得到的電磁場仿真軟件Magnet中建立的待測封閉環(huán)形磁芯的仿真模型上進行的，[0050](I)在第一步所述的待測封閉環(huán)形磁芯的結構尺寸的基礎上，求出該磁芯等效磁
路的長度，環(huán)形磁芯結構等效磁路的長度計算公式為
【權利要求】
1.封閉磁路磁芯剩磁的測量方法，其特征在于步驟如下: 第一步，建立待測封閉磁路磁芯的仿真模型 根據(jù)待測封閉磁路磁芯的結構尺寸在裝有電磁場仿真軟件Magnet程序的電腦中畫出待測封閉磁路磁芯模型，并根據(jù)待測封閉磁路磁芯的材料特性參數(shù)在電磁場仿真軟件Magnet中設置磁芯材料屬性，由此在電磁場仿真軟件Magnet中建立起待測封閉磁路磁芯的仿真模型； 第二步，在仿真模型中得出待測封閉磁路磁芯仿真模型另一側的測量線圈中的電流變化值，并進一步得到待測封閉磁路磁芯的剩磁與電流變化值的關系 以下(I)到(3)步的操作均是在第一步得到的電磁場仿真軟件Magnet中建立的待測封閉磁路磁芯的仿真模型上進行的， (1)在第一步所述的待測封閉磁路磁芯的結構尺寸的基礎上，求出該磁芯等效磁路的長度I，根據(jù)B-H磁化曲線以及安培環(huán)路定理f// ? dl = NI，計算需在待測封閉磁路磁芯仿真模型的一側的剩磁線圈中注入的直流電流的大小，并記錄加載直流電流的方向設為剩磁正方向，在待測封閉磁路磁芯仿真模型的一側的剩磁線圈中注入上述所求出的直流電流，模擬設置待測封閉磁路磁芯內不同的剩磁值，確定該剩磁范圍； (2)在電磁場仿真軟件Magnet中分別設置剩余磁通密度為0.3T、0.7T和1.26T，在待測封閉磁路磁芯仿真模型的另一側的測量線圈上加載產生10%到100%飽和磁通范圍的磁通對應的7~10組的系列直流電壓激勵，觀測上述過程中待測封閉磁路磁芯仿真模型另一側的測量線圈電流的分布，取其中使待測封閉磁路磁芯仿真模型另一側的測量線圈電流有明顯變化的最小直流電壓U0為暫態(tài)激勵電壓值； (3)在待測封閉磁路磁芯仿真模型的另一側的測量線圈中用直流電壓源進行電路暫態(tài)合閘操作，測量待測封閉磁路磁芯仿真模型另一側的測量線圈電流產生的暫態(tài)過程，即在待測封閉磁路磁芯仿真模型的另一側的測量線圈中，加載正、負向等值直流電壓Utl激勵并進行暫態(tài)仿真，對應得到待測封閉磁路磁芯仿真模型的另一側的測量線圈中的電流；第三步，對得到的待測封閉磁路磁芯的仿真模型另一側的測量線圈電流進行采集分析設置剩磁7~10組，按第二步(3)中方法，獲得各組待測封閉磁路磁芯仿真模型的一側的剩磁線圈中的剩磁對應的待測封閉磁路磁芯的仿真模型另一側的測量線圈電流，用數(shù)據(jù)分析工具Matlab對得到的待測封閉磁路磁芯仿真模型另一側的測量線圈電流進行采集分析，得到待測封閉磁路磁芯仿真模`型的另一側的測量線圈中的電流變化值f，并將設置剩磁與對應的電流變化值7；數(shù)據(jù)擬合，由此得出待測封閉磁路磁芯仿真模型測量線圈電流變化值與剩磁的關系的剩磁計算公式: B1 =SLSblp +CCdlp(I) 上式中，Br為剩磁，a, b, c, d是由Matlab仿真軟件，通過擬合待測封閉磁路磁芯的仿真模型另一側的測量線圈電流變化值與剩磁的關系曲線獲得的參數(shù)，僅與封閉磁路磁芯結構尺寸和材料參數(shù)有關； 第四步，確定待測封閉磁路磁芯的剩磁 依據(jù)上述仿真模型，對待測封閉磁路磁芯的實體搭建待測封閉磁路磁芯的試驗測量裝置，該裝置由待測封閉磁路磁芯、直流電壓源、數(shù)字示波器、電流測量探針、斷路器、電阻和電腦數(shù)據(jù)采集處理器組成；操作方法是:將斷路器合閘，待測封閉磁路磁芯的測量線圈連接至可以調節(jié)正、負激勵方向的直流電壓源，在待測封閉磁路磁芯的測量線圈上分別加載正、負向第二步(2)中確定的直流電壓U0，激勵進行暫態(tài)試驗，將數(shù)字示波器接入測量電路，觀察在上述正、負向直流電壓U0激勵下待測封閉磁路磁芯的測量線圈中的電流變化，數(shù)字示波器與電腦數(shù)據(jù)采集處理器的對應輸入端相連，將數(shù)字示波器的數(shù)據(jù)導入電腦數(shù)據(jù)采集處理器進行后續(xù)處理，即通過數(shù)字示波器的電流測量探針記錄的測量待測封閉磁路磁芯的測量線圈的電流，利用數(shù)據(jù)分析工具Matlab對該數(shù)字示波器中獲取的待測封閉磁路磁芯的測量線圈的電流進行分析，得到待測封閉磁路磁芯的測量線圈電流變化值Tp，將待測封閉磁路磁芯的測量線圈電流變化值11代入上述剩磁計算公式(1)中，最終計算得到上述待測封閉磁路磁芯的剩磁值。
2.根據(jù)權利要求1所說封閉磁路磁芯剩磁的測量方法，其特征在于:所述求出該磁芯等效磁路的長度1，當磁芯為環(huán)形磁芯時，環(huán)形磁芯結構等效磁路的長度計算公式為
3.根據(jù)權利要求1所說封閉磁路磁芯剩磁的測量方法，其特征在于:所述直流電壓源U。的型號為WYK-302B2，數(shù)字示波器的型號為Tektronix DP04054,電流測量探針為安捷倫，電阻為100 Q，電腦數(shù)據(jù)采集處理器為xp系統(tǒng)計算機。
【文檔編號】G01R33/12GK103675728SQ201310602733
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權日:2013年11月22日
【發(fā)明者】汪友華, 戈文祺 申請人:河北工業(yè)大學