基于重构的bh曲线不对称度变化趋势监视的退磁方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于退磁过程监视及退磁效果判断的方法，使用电压电流重构出退磁线圈中铁磁材料的等效BH曲线，通过分析不同状态下BH曲线的宏观特征，利用存在剩磁时BH曲线进入单侧饱和区域的特点，定义BH曲线的不对称度计算方法，根据BH曲线不对称度以及电压的变化趋势来检测退磁状态，本发明不仅适用于无法使用特斯拉计直接测量表磁的设备的退磁过程监视，还可以延伸应用到其他通用的退磁过程，同时也为退磁过程的自动化操作提供了一种解决方案。
【专利说明】基于重构的BH曲线不对称度变化趋势监视的退磁方法
【技术领域】
[0001]本发明为一种用于退磁过程监视及退磁效果判断的方法，属于铁磁【技术领域】。
【背景技术】
[0002]在现代工业技术中，铁磁材料被大量应用于各类产品之中，铁磁材料容易在磁化后形成剩磁，影响后续精密加工和设备的操作，对于电气设备，作为导磁材料的铁心中剩磁的存在不仅影响计量的精度和继电保护设备的可靠运行，同时也影响电网稳定和设备的使用寿命。
[0003]《铁心剩磁对电流互感器性能的影响》(继电器[J]2007年第22期冲指出，电力系统中的电流互感器普遍存在剩磁，并且剩磁一旦产生，不会自动消失，在正常运行条件下将长期存在，影响电力系统稳定、可靠运行及准确计量、测量。
[0004]电力系统变压器作为关键设备，在电气试验中需要进行直流电阻测试，为了缩短暂态过程时间，加快试验速度，目前普遍使用20A、40A直流进行电阻测试，铁心进入饱和区，导致试验后的变压器铁心中高剩磁，在与电网并列合闸时由于剩磁的存在导致巨大的变压器励磁涌流，不仅对电网形成冲击，同时导致变压器原位剧烈跳动、重瓦斯气体继电器动作、绕组变形、喷油以及差动保护误动作等。
[0005]退磁方法有热退磁和交流退磁两种，热退磁是加热到居里点以上，交流退磁是加一交变磁场，并使其振幅由某一最大值均匀减小到零，交流退磁分为直流换向退磁、工频50HZ下的交流退磁以及非工频下的高低频退磁。
[0006]综合目前退磁产品技术资料以及各类文献专利等资料，退磁效果检验判断方法如下:
1、可以直接接触测量的使用特斯拉计进行表磁测量；
2、使用退磁前后的电压、电流、功率以及谐波等数据对比进行判断(《大型变压器或互感器超低频交流恒流退磁装置及退磁检测方法》(CN101702361A)、《退磁检测装置及其退磁检测方法》(CN102866367A)、《电力变压器铁心剩磁检测方法研究》(四川电力技术[J] 2010年第6期));
3、根据磁化曲线起始点相对于磁滞回线的中心对称程度来检查铁磁体的剩磁情况(《检查软磁材料退磁效果的方法》(仪表材料[J] 1976年第2期)、《关于退磁方法的讨论》(宇航计测技术[J] 2002年第5期));
方法I仅对可直接接触测量的元件剩磁检验有效，如条形样品，对变压器内部铁心、CT/PT铁心以及环状铁心无法直接测量；
方法2需要人工经验判断，剩磁存在时导致饱和电流发生畸变，不满足正弦波形特征，含有大量谐波分量，由于磁滞回线的非线性，谐波含量与剩磁之间无直接关系，而电流表显示的是基波幅值，导致测量结果精度低，并且无法准确了解退磁过程，不直观，误差大，容易判断错误导致退磁不彻底，甚至出现退磁后剩磁反而大于退磁之前；
方法3中指出了可以根据磁化曲线起始点位置检查剩磁情况，即铁磁体存在剩磁时，得到的磁化曲线起始点将偏离其相应磁滞回线的中心对称点，铁磁体的剩磁越大，其偏离程度就越严重。该方法中磁化曲线起始点的寻找定位存在难度，文献中未能提供相应的计算方法。
[0007]本发明通过分析不同状态下BH曲线的宏观特征，定义BH曲线的不对称度计算方法，并根据试验过程中重构的BH曲线的不对称度变化趋势辅助判断退磁状态，易于实现退磁过程自动化操作。
【发明内容】
[0008]使用电压U和电流I的瞬时采样数据重构BH曲线，具体步骤为:
以I变化表示外部磁场强度H的变化，以U的积分表示磁感应强度B的变化，以B、H分别为纵、横坐标轴，逐点绘制出BH曲线。
[0009]计算BH曲线的不对称度，步骤如下:
使用电压电流采样的瞬时值序列重构出一个闭环的BH曲线；
找出这个BH曲线中磁感应强度B坐标轴方向的最大值A(XUYl)、最小值B(X3、Y3)； 找出这个BH曲线中磁感应强度B坐标轴方向的中心点C(X_ave，Y_ave)；
以中心点C将BH曲线分割为四个象限；
求出在第一、三象限内A、B点与坐标轴形成的矩形面积S1、s3 ；
根据公式k_asy=(| sl_s3 I)/(sl+s3),计算出当前闭环BH曲线的不对称度k_asy。
[0010]根据权利2所述的基于重构的BH曲线不对称度变化趋势监视的退磁方法，其特征在于:X_ave =0, Y_ave =(Υ1+Υ3)/2。
[0011]根据BH曲线不对称度以及试验电压的变化趋势综合判断退磁状态。
[0012]根据权利4所述的基于重构的BH曲线不对称度变化趋势监视的退磁方法，其特征在于:随着试验电压增大，不对称度无明显变化，表示初始剩磁低。
[0013]根据权利4所述的基于重构的BH曲线不对称度变化趋势监视的退磁方法，其特征在于:随着试验电压增大，不对称度一直增大，表示存在较高的剩磁，并且当前外部退磁场未能改变原来的剩磁状态。
[0014]根据权利4所述的基于重构的BH曲线不对称度变化趋势监视的退磁方法，其特征在于:随着试验电压增大，不对称度从不断增大转变为逐步降低，表示原有剩磁状态已被改变。
[0015]根据权利4所述的基于重构的BH曲线不对称度变化趋势监视的退磁方法，其特征在于:随着试验电压增大，不对称度降低到某一数值后不再变化，表示原有剩磁已被消除，当前BH曲线处于对称的双向饱和状态。
[0016]根据权利4所述的基于重构的BH曲线不对称度变化趋势监视的退磁方法，其特征在于:随着试验电压降低，不对称度增大表示退磁不彻底，仍存在剩磁，需要重复退磁过程。
[0017]根据权利4所述的基于重构的BH曲线不对称度变化趋势监视的退磁方法，其特征在于:随着试验电压降低，不对称度无明显变化，表示退磁成功。
[0018]有益效果
本发明不仅适用于无法使用特斯拉计直接测量表磁的设备的退磁过程监视，如CT、变压器、电抗器、PT铁心等，还可以延伸应用到其他通用的退磁过程，如对大型生产设备、医疗仪器、机械设备以及电子产品等的退磁，为退磁过程的自动化操作提供了一种解决方案。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为存在剩磁时不同试验电压下铁磁材料内部的实际BH曲线；
图2为存在剩磁时不同试验电压下通过电压电流重构的BH曲线；
图3为BH曲线不对称度计算原理；
图4为退磁过程中BH曲线不对称度以及试验电压的变化趋势；
图5为退磁过程中磁滞回线收缩到原点的BH曲线簇。
【具体实施方式】
[0020]根据铁磁学磁畴理论，退磁过程通常分为两个步骤:
A、改变原始剩磁状态
施加外部交变的磁场，幅值要大于剩磁强度，使之能重新磁化材料，将磁畴方向改变，改变原剩磁状态，磁滞回线逐渐恢复到对称状态；
B、磁滞回线收缩到原点
逐步降低外部交变的磁场强度，磁滞回线逐步收缩，直至最后收缩到原点，铁磁材料磁畴方向离散分布，整体呈磁中性，无剩磁。
[0021]针对退磁过程监视以及退磁效果检验问题，本发明通过充分利用BH曲线饱和后的变化特征，结合铁磁学中的磁畴理论，通过对退磁过程中磁畴的微观变化过程的分析，使用电压电流重构出退磁线圈中铁磁材料的等效BH曲线，通过分析BH曲线的宏观特征，根据铁磁材料从不饱和到饱和过程中BH曲线的特征变化，定义BH曲线的不对称度计算方法，提出通过计算BH曲线不对称来检测退磁状态的方法。不仅可以实现退磁过程的自动化操作，还可以提供详细的退磁过程记录，避免了人工操作导致的效率低以及容易出错问题，同时也避免了盲目的升高试验电压和电流带来的风险。
[0022]由于B和H的非线性关系，在B-H平面上，当没有剩磁时，铁磁体磁化的物理过程在每个外加交变磁场周期内的两个半周期刚好相反，表现在磁滞回线具有中心反演的对称性，磁滞回线的运动轨迹是一个闭合的回线，闭合线对称于原点，分布在四个象限。没有剩磁时，随着外部磁场强度的增大，BH曲线以零点为起始点不断增大，BH曲线高度对称，在第一、第三象限同步增大。当铁磁材料存在剩磁时退磁过程中铁磁材料内部的实际BH曲线如图1所示，从图中可以看出，随着外部磁场强度的增大，BH曲线逐渐进入单侧饱和区域，在某一象限的横坐标增长速度大于另一个象限，为了检测两个象限内BH曲线的不对称情况，找出BH曲线中磁感应强度B轴方向的极值点，根据极值点形成的矩形面积来计算BH曲线的不对称度，将非线性的BH曲线转换为易于计算机处理的定量数据，降低了人工操作的偏差，将无法直接测量剩磁状态的变压器铁心、CT铁心等导磁介质的退磁过程通过不对称度变化趋势表现出来。
[0023]根据试验电源的频率和采样频率，对U、I进行高速采样并存储每个瞬时采样值，以I变化表示磁场强度H的变化趋势，根据υ=(1Φ/dt= (d (B*s)) /dt，以U的积分表示磁感应强度B的变化，以B、H分别为纵、横坐标轴，逐点绘制，重构出一个闭环的BH曲线。图2为存在剩磁时退磁过程中重构的BH曲线，由于重构时无法获得剩磁的初始数据，每次重构都从零剩磁开始，这就导致了实际与重构之间存在差异，但通过图2可以看出BH曲线不对称度的计算不受BH起始位置的影响。因此重构的BH曲线能够正确反映实际BH曲线的变化过程，本发明基于此特征而创建。
[0024]BH曲线不对称度计算原理如图3所示，找出BH曲线中磁感应强度B坐标轴方向的最大值A (X1、Yl)、最小值B (X3、Y3)，对于铁磁材料而言，由于试验电压是交流电源，无直流分量存在，根据试验电源的交流对称特性，重构出的BH曲线X轴等效中心始终为“0”，BH曲线磁感应强度B坐标轴方向的中心点坐标为(0，(Yl+Y3)/2),以此中心点将BH曲线分割为四个象限，求出最大值、最小值坐标点分别在第一、第三两个象限内对应的矩形面积sl、s3，并计算出BH曲线的不对称度k_asy ；
si= IXI*(Yl- Y_ave)
s3= IX3*(Y3- Y_ave)
k_asy=(Isl_s3|)/(sl+s3)。
[0025]将上述计算出来的不对称度以及试验电压波形数据录波存储并同步显示，图4为退磁过程中BH曲线不对称度以及试验电压的变化趋势，可以根据如下特征进行退磁状态的判断:
1、随着试验电压增大，不对称度无明显变化，表示初始剩磁低；
2、随着试验电压增大，不对称度一直增大，表示存在剩磁，并且当前外部退磁场未能改变原来的剩磁状态；
3、随着试验电压增大，不对称度从不断增大转变为逐步降低，表示原有剩磁状态已被改变；. 4、随着试验电压增大，不对称度降低到某一数值后不再变化，表示原有剩磁已被消除，目前BH曲线处于对称的双向饱和状态；
5、随着试验电压降低，不对称度增大表示退磁不彻底，仍存在剩磁，需要重复退磁过
程;
6、随着试验电压降低，不对称度无明显变化，表示退磁成功。
[0026]当BH曲线对称中心回归到原点后，需要逐步降低外部交变的磁场强度，使磁滞回线逐步收缩，直至最后收缩到原点，此时可以通过逐步的降低试验电压来实现。图5为退磁过程BH曲线簇示意图，各曲线之间变化步长应尽可能小，最好是连续变化。
[0027]如果试验电压降低过程中出现如图4的不对称度明显增大，则本次未能完成全部剩磁的退磁，对于部分不易退磁的材料，为了稳妥起见，可以多次重复上述退磁过程并视情况降低电压升降速度，加大磁锻炼时间，另外还可以通过降低试验电压的频率来提高退磁深度。
[0028]本发明不限于50HZ工频下的应用，也可以应用到使用非工频发电机、高低频变频电源等交流试验电压的退磁仪器中。
[0029]以上所述，仅为本实用发明的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
【权利要求】
1.使用电压U和电流I的瞬时采样数据重构BH曲线，具体步骤为: 以I变化表示外部磁场强度H的变化，以U的积分表示磁感应强度B的变化，以B、H分别为纵、横坐标轴，逐点绘制出BH曲线。
2.计算BH曲线的不对称度，步骤如下: 使用电压电流采样的瞬时值序列重构出一个闭环的BH曲线； 找出这个BH曲线中磁感应强度B坐标轴方向的最大值A(XUYl)、最小值B(X3、Y3)； 找出这个BH曲线中磁感应强度B坐标轴方向的中心点C(X_ave，Y_ave)； 以中心点C将BH曲线分割为四个象限； 求出在第一、三象限内A、B点与坐标轴形成的矩形面积S1、s3 ； 根据公式k_asy=(| sl_s3 I)/(sl+s3),计算出当前闭环BH曲线的不对称度k_asy。
3.根据权利2所述的基于重构的BH曲线不对称度变化趋势监视的退磁方法，其特征在于:X_ave =O, Y_ave =(Υ1+Υ3)/2。
4.根据BH曲线不对称度以及试验电压的变化趋势综合判断退磁状态。
5.根据权利4所述的基于重构的BH曲线不对称度变化趋势监视的退磁方法，其特征在于:随着试验电压增大，不对称度无明显变化，表示初始剩磁低。
6.根据权利4所述的基于重构的BH曲线不对称度变化趋势监视的退磁方法，其特征在于:随着试验电压增大，不对称度一直增大，表不存在较高的剩磁，并且当前外部退磁场未能改变原来的剩磁状态。
7.根据权利4所述的基于重构的BH曲线不对称度变化趋势监视的退磁方法，其特征在于:随着试验电压增大，不对称度从不断增大转变为逐步降低，表示原有剩磁状态已被改变。
8.根据权利4所述的基于重构的BH曲线不对称度变化趋势监视的退磁方法，其特征在于:随着试验电压增大，不对称度降低到某一数值后不再变化，表示原有剩磁已被消除，当前BH曲线处于对称的双向饱和状态。
9.根据权利4所述的基于重构的BH曲线不对称度变化趋势监视的退磁方法，其特征在于:随着试验电压降低，不对称度增大表示退磁不彻底，仍存在剩磁，需要重复退磁过程。
10.根据权利4所述的基于重构的BH曲线不对称度变化趋势监视的退磁方法，其特征在于:随着试验电压降低，不对称度无明显变化，表示退磁成功。
【文档编号】G01R33/12GK103439675SQ201310450350
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】卢庆港 申请人:卢庆港