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】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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〇场强时，此时的磁感应强度 不会将至〇,此时B值成为剩磁（BJ，此时的磁通量为剩余磁通量Φρ
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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〇,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。
[0007] 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】
[0008] 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。
[0009] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0010] 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：
[0011] 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（-VJ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rdc。
[0012] 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（-Is)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（vDe)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;
[0013] 步骤三：微处理器在电流达到正饱和电流（Is)时控制电力电子开关动作，施加一 个负的直流电压（-vDe)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；
[0014] 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dt 分Φ=J[u(t)-RDe ·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Ι-Φ曲线可以得到剩余磁通量Φ^=(Φf〇2)/2-AΦ，根据民=ΦVS还可 以求得剩余磁感应强度民。其中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，ΑΦ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= 。
[0015] 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：
[0016] 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（VDe)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Rdc。
[0017] 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（Is)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（-VJ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;
[0018] 步骤三：微处理器在电流达到负饱和电流（_IS)时控制电力电子开关动作，施加一 个正的直流电压（VJ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。
[0019] 其中，本发明所述的步骤一绕组直流电阻RDC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。
[0020] 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。
[0021] 本发明所述的步骤四所得到的Ι-Φ曲线即为铁芯的饱和磁