剩磁係數

電流互感器作為電力系統的主要設備之一，其性能對計量、測量、監控、保護、錄波測距都有重要影響。電流互感器鐵芯在故障電流開斷後會有大量剩磁，剩磁在正常運行時不容易消除，將嚴重影響互感器的暫態特性。對於具有暫態保護特

性的電流互感器，必須通過測試剩磁相關參數來保證其滿足相應的準確級要求。

基本介紹

• 中文名：剩磁係數
• 外文名：remanencecoefficient

電流互感器剩磁係數的測試在電流互感器的製造過程中占著重要地位,該測試是有暫態誤差要求的各類互感器定型和出廠試驗必不可少的項目之一。該試驗的傳統方法是利用磁電式磁通計先測出剩磁Br和飽和磁感應強度Bm,再按定義求出剩磁係數,這種測量方法的主要問題是精度低、速度慢、操作極不方便。近年來,隨著高電壓等級的大型電流互感器的相繼問世,傳統的測量方法已顯得無能為力.在數字測量技術、單片機技術高速發展的今天,剩磁係數的測量數位化、智慧型化、自動化已是個急待解決的問題。以波形變換、實時校準的測量原理為依據,利用先進的數位技術、單片機協調控制技術研製開發了電流互感器剩磁係數自動測試系統。

GB 16847—1997《保護用電流互感器暫態特性技術要求》規定，TPY級電流互感器剩磁係數應<10%。可見剩磁係數的測試在電流互感器的製造過程中占有重要地位，該參數是有暫態誤差要求的各類互感器定型和出廠試驗必不可少的。 國內對國標中規定的直流法測剩磁係數進行了相關研究：①對直流法測試電路進行改進，如利用全橋電路作為轉換開關，減少了開關抖動帶來的測量誤差；積分電路的所有電子元件校正到相當的準確度；放電電阻增加旁路開關，保護放電電阻；②直流法測試過程進行最佳化，如電源提供的最大勵磁電流應是額定電流的5倍以上時,可以在較短時間達到所要求的勵磁電流限值；③磁通實現數位化測量, 並用高準確度的標準磁通對磁通的數位化測量環節進行實時定標與校準，增加測量準確度。

剩磁係數的定義

電流互感器剩磁係數就是電流互感器的鐵芯材料在飽和磁化狀態下的剩餘磁感應強

度Br和最大磁感應強度Bm之比,即

公式

由電磁測量理論可知,要鐵芯剩磁係數實現其自動測試,必須解決下面三個問題。

(1)要有一個電流可調、方向可變的程控磁化電源,以替代原測試方法中的磁化迴路;

(2)要有一個數位化的磁通側量裝置,以便在磁性材料的反覆磁化過程中,自動測量側

量線圈中磁通變化量;

(3)要有一個控制機構以協調滋化電源與磁通測量裝置按程式工作。

剩磁係數的測量方法

傳統直流法

傳統直流法的基本電路圖如下圖所示。其中 E為直流電源；Rct為電流互感器二次繞組直流電阻；U 為電流互感器二次端子兩端電壓；im為勵磁電流；N1、N2分別為一次，二次繞組匝數。採用直流飽和法進行鐵芯勵磁特性的測量時，如下圖 所示，電流互感器一次繞組開路，採用一直流電壓對二次繞組進行充電，磁通測量值是在對勵磁的繞組端電壓減去與 Rct對應的附加電壓後再進行積分得出的，運算關係式為

公式

傳統直流法測試前需要進行消磁，所以傳統直流法無法測取初始磁通。並且當消磁不充分時，測取的剩磁係數具有誤差。由 上面分析可得傳統直流法無法測出初始磁通，並且當消磁不充分時，測取的剩磁係數有誤差。在研究剩磁與誤差的影響關係中，該方法作用受到限制。

新型直流法

針對傳統直流法存在的問題，本文採用新型直流法，在國標中直流法的基礎上增加反向充電到電流互感器飽和狀態這一過程。在二次端子依次進行正向充電到電流互感器飽和狀態、放電、反向充電到電流互感器飽和狀態。測取這 3 個過程中二次端子電壓以及勵磁電流，經過運算得到正向充電過程、放電過程、反向充電過程的磁通變化量，再對這 3 個磁通變化量運算，可得到準確的初始磁通以及剩磁係數。

可見新型直流法通過增加反向充電這一過程，避免了每次測試前消磁，可以方便準確地測取初始磁通和剩磁係數。

比較

1）使用傳統方法測試剩磁係數時，當消磁不充分時，電流互感器初始磁通不為 0，測取的剩磁係數較真實結果小 21%，則容易誤判電流互感器的準確級別。

2）新型直流法通過增加反向充電這一過程，準確的測出初始磁通，標準差只有 0.000 076，測試過程隨機誤差小;減少測試前消磁這一過程，簡化了測試過程，並且避免了由於消磁不充分帶來的測量誤差。通過實驗對新型直流法進行了驗證，實驗結果和該方法的理論分析一致，驗證了該方法的正確性和有效性。

3）通過實驗驗證了在剩磁影響下，電流互感器準確度發生了變化，比差和角差變大。

實驗裝置與方法

3.1.實驗裝置與樣品

實驗採用自製的剩磁係數測量儀，為了減少外界的電磁干擾，儀器測試箱採用金屬殼體，增加接觸點面積，並在儀器箱縫隙處使用電磁密封襯墊，減小儀器箱縫隙。上位機採用工業平板電腦，採集卡與上位機連線使用禁止電纜，具有良好的抗干擾能力。測試電路如 5 所示。其中 E 為直流電源；R1為限流電阻；Rd為放電電阻；Rsh為取樣電阻；Rct為電流互感器二次繞組直流電阻。CH1 通道測試電流互感器二次端子兩端電壓，CH2 通道測試 Rsh兩端電壓來測取勵磁電流。 電源 E 為鋰電池，其穩定輸出電壓為 24 V，最大輸出電流為 10 A，保護電流為 20 A。R1限制迴路中電流，防止電流互感器兩端電壓過大，採用 0～25 Ω 電位器，功率為 100 W。Rd主要作用為在切斷直流電源後，構成放電迴路，為二次繞組放電電流提供途徑，選取1 Ω/200 W的電阻。Rsh選取0.5 Ω /50 W 的電阻，可避免迴路阻值過大，電池消耗過快。

3.2.實驗過程

整個實驗分為 3 部分，首先通過測取充磁前後互感器的基本準確度驗證剩磁影響電流互感器的準確度。然後使用新型直流法測量剩磁係數。在消磁不充分的情況下，使用傳統直流法測量剩磁係數，並與新型直流法測取結果對比分析。

3.2.1.剩磁影響電流互感器準確度

1）選擇變比為 3 000:5，準確等級 0.5 級的電流互感器對互感器進行消磁，完全消磁後使用互感器校驗儀測取電流互感器的基本準確度。

2）對互感器進行充磁使電流互感器具有剩磁，使用互感器校驗儀測取電流互感器的基本準確度。

3.2.2.新型直流法測量剩磁參數

1）正向充電到飽和狀態。啟動測試後,初始時刻為 t0。充電過程中採集勵磁電流 im與二次端子電壓 U。在充電過程中，當勵磁電流穩定不變時，此時時刻為 t1, 電流互感器二次側電流值為 I1，電壓值為 U1。二次繞組直流電阻阻值Rct為(換算為75 ℃下阻值)

公式

式中 θ 為當時的環境溫度。 當磁通量穩定不變時，上位機系統判斷已到充電飽和狀態，此時時刻為 t2，正向充電過程中的磁通變化量為

公式

2）放電過程。放電過程中採集 im與 U。當電流值為 0 時，上位機系統判斷放電完成, 此時時刻為 t3，放電過程中的磁通變化量為，然後開始反向充電。

公式

3）反向充電到飽和狀態。充電過程中採集 im與 U。當磁通量穩定不變時，上位機系統判斷已到充電飽和狀態，此時時刻為 t4，求得反向充電過程中的磁通變化量為

公式

然後開始放電。

4）放電過程。當電流值為 0 時，上位機系統判斷放電完成，斷開電路，剩磁測量過程結束。

3.2.3 傳統直流法測量剩磁參數

對電流互感器進行不完全消磁，使用國標中規定的直流法測取剩磁係數，觀察對比與新型直流法測取的剩磁係數。

系統的性能指標

剩磁係數測量範圍:0~99.99%

剩磁係數測量精度:2%

結果輸出:4位LED顯示

磁化電流:0~5A

額定負載下磁化電流紋波係數:<1%

磁通的數位化測量

磁通的數位化測量裝置是剩磁係數自動測試系統的核心,它是否穩定、精確直接影響整個側試系統的性能指標。在此須解決兩個間魔,首先是磁化電流的變化率大小影響滋通的側t。從理論上講,在電流變化量值定時,鐵心中的磁通變化量是一常數,而與電流變化率無關。但是變化率太小,若變化率太大,則會因感應電壓過高而使前置放大器飽和失真而產生誤差。其次,前里放大器、V/F變換器及電子元器件的性能參數隨時間、溫度變化會引起測量

環節傳翰增益的變化而產生誤差。

波形變換原理

磁化電流變化率大小對測量的影響可以用波形變換法來解決.波形變換法就是以線性系統的輸出脈衝和輸入脈衝的面積之比等於其直流傳翰係數而與脈衝形狀無關為理論依據,讓感應電壓脈衝通過RC線性網路變換後再進入V/F變換器。

根據上述測量原理和結構框圖所研製的電流互感器的剩磁係數自動測試系統已在西安高壓開關廠投入使用,通過現場測試,結果表明本系統設計合理、工作可靠、精度高、重複性好、具有較強的抗干擾能力,完全符合工業測試標準的要求。

以波形變換、實時校準新穎的側量方法為基礎,利用先進MCS-51型單片機的協調控制以及計算技術所構成的自動側試系統比較好地解決了大鐵芯的自動磁鍛、測量及電子磁通計的積分漂移等問題,實現了電流互感器剩磁係數的自動的、數位化的、高精度測試。