一种直流偏磁工况下的电工钢片比总损耗测量方法与流程

本发明涉及一种电工钢片的比总损耗测量方法，具体讲涉及一种直流偏磁工况下的电工钢片比总损耗测量方法。

背景技术：

随着高压直流输电技术的发展以及大容量、长距离直流输电的应用，以大地返回方式运行的直流输电系统的接地极电流会通过变压器中性点流过变压器绕组，引起变压器直流偏磁。变压器直流偏磁会导致变压器磁饱和，损耗、温升增大，引发局部过热，加剧振动，增加运行噪音，其产生的谐波还会引起系统电压波形畸变及继电保护误动等，对电网安全运行极为不利。直流偏磁对变压器的影响主要体现在变压器铁芯方面，电工钢是铁芯的核心材料，因此，研究电工钢片在直流偏磁工况下的磁特性，对变压器设计者和电力系统管理及建设部门都十分必要。

为了实现电工钢片在直流偏磁工况下的比总损耗测量，须在铁芯中建立直流场。一种常用的方法是将电工钢片安装在爱泼斯坦方圈中，通过串联激励方式向爱泼斯坦方圈的激励绕组引入直流，由直流电流源提供直流电流，从而在爱泼斯坦方圈的铁芯中建立直流磁场。该方法的缺点是：由于爱泼斯坦方圈激励绕组匝数为700或1000，其铁芯的耐直流偏磁能力较小，如果以串联激励方式引入直流，则要求直流电流源提供的电流非常小，难以保证直流电流源的调节精度。有部分研发人员采用直接在爱泼斯坦方圈绕组外侧绕制独立的偏置绕组，通过与直流偏置绕组串联的直流电流源提供直流磁场。它的问题在于，标准方圈中直流偏置磁场的叠加使得方圈角落双搭接区域磁路长度更加难以确定，在非标准规定的直流偏磁测试条件下，方圈的有效磁路长度完全偏离国际标准(iec60404-2)和国内标准(gb3655-2008)规定的0.94m。采用不确切的有效磁路长度量值假定将导致比总损耗测量结果的实质性误差。

技术实现要素：

为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供一种测量准确度更高的直流偏磁工况下的电工钢片比总损耗测量方法。

本发明提供的技术方案是：一种直流偏磁工况下的电工钢片比总损耗测量方法，其改进之处在于：所述方法包括：

步骤1，用两种尺寸的爱泼斯坦方圈测量同一组电工钢片在相同直流偏磁工况下的总损耗pno和psm；

步骤2，用如下公式(1)计算电工钢片在直流偏磁工况下的比总损耗ploss：

其中：l为每条电工钢片的总长度；δl为每条电工钢片在两种尺寸爱泼斯坦方圈中的有效质量区域的长度差；mt为电工钢片的总质量。

优选的，所述两种尺寸的爱泼斯坦方圈的边长分别为25cm和17.5cm。

进一步，所述爱泼斯坦方圈包括在同一平面内依次垂直连接以组成矩形框架结构的四个结构相同的中空臂筒；每个中空臂筒的外表面由内向外依次缠绕有测量绕组和激励绕组；所述中空臂筒的横截面为矩形，所述电工钢片以双塔接的方式沿平行于所述中空臂筒轴线的方向置于所述中空臂筒内。

进一步，所述激励绕组与空气补偿互感器的初级绕组串联后一端与交流电流源的一输出端相连，另一端与功率分析仪的一端相连，所述功率分析仪的另一端与所述交流电流源的另一输出端相连后接地；

所述测量绕组与空气补偿互感器的次级绕组反向串联后一端与总损耗测量电路相连，另一端接地。

进一步，所述激励绕组外缠绕有直流偏磁绕组，所述直流偏磁绕组的两端并联旁路电容后一端与电阻r的一端相连，另一端与扼流装置的一端相连；所述扼流装置的另一端和所述电阻r的另一端分别与直流电流源的两个输出端相连。

进一步，边长为25cm的爱泼斯坦方圈四边的激励绕组总匝数为680匝，每边170匝；边长为17.5cm的爱泼斯坦方圈四边的激励绕组总匝数为412匝，每边103匝。

进一步，所述直流偏磁绕组为横截面直径为4mm的漆包线，其总匝数为50匝。

进一步，所述扼流装置为用锰锌铁氧体磁环制组成的扼流圈，所述扼流圈的匝数为200匝；所述锰锌铁氧体磁环的外径为62mm，内径为38mm，高位25mm。

进一步，所述空气补偿互感器包括绝缘材料制作的圆管和由内至外依次绕制在所述圆管外表面的初级绕组和次级绕组；所述圆管长260mm，其横截面直径为50mm；所述初级绕组和所述次级绕组均为横截面直径为1mm的漆包线，所述初级绕组的匝数为200匝；所述次级绕组的匝数为427匝。

优选的，δl等于两种尺寸爱泼斯坦方圈边长之差的绝对值。

与最接近的现有技术相比，本发明具有如下显著进步：

1)本发明提供的技术方案采用两种尺寸的爱泼斯坦方圈模型进行同一组电工钢片在直流偏磁工况下的比总损耗测量，有效排除了直流偏磁工况下因爱泼斯坦方圈角落双搭接区域磁通分布和损耗分布不均匀对电工钢片比总损耗测量结果的影响，提高了电工钢片在直流偏磁工况下比总损耗的测量准确度。

2)本发明提供的技术方案操作简便，易于实现、使用直流源调节精度要求较低的并联直流电流源即可引入直流，可在方圈内模拟电工钢片的直流偏磁实际运行工况。

3)本发明提供的技术方案使用并联可控的交流电流源和直流电流源为爱泼斯坦方圈内的电工钢片施加交流磁场和直流磁场，可模拟变压器铁芯材料在实际工作状态下的电磁性能测量，从而为变压器铁芯结构的优化设计提供更为准确的铁芯材料比总损耗数据。

附图说明

图1中(a)、(b)为电工钢片安装在两种尺寸爱泼斯坦方圈中的结构示意图。

图2为带直流偏磁绕组的爱泼斯坦方圈的结构示意图。

图3为本发明提供的电工钢片比总损耗测量方法所用装置的结构示意图。

图4为国内厂家105牌号电工钢片样品直流偏磁工况比总损耗曲线。

图5为国外厂家105牌号电工钢片样品直流偏磁工况比总损耗曲线。

其中1-激励绕组；2-直流偏磁绕组；3-测量绕组；4-空气补偿互感器的初级绕组；5-空气补偿互感器的次级绕组。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为了彻底了解本发明实施例，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施例的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

本发明提供一种直流偏磁工况下的电工钢片比总损耗测量方法，所述方法包括：

步骤1，用两种尺寸的爱泼斯坦方圈测量同一组电工钢片在相同直流偏磁工况下的比总损耗pno和psm；

如图1中(a)、(b)所示：两种尺寸的爱泼斯坦方圈的边长尺寸分别为25cm和17.5cm；爱泼斯坦方圈包括在同一平面内依次垂直连接以组成矩形框架结构的四个结构相同的中空臂筒；每个中空臂筒的外表面由内向外依次缠绕有测量绕组3和激励绕组1。

为保证两种尺寸爱泼斯坦方圈转角处搭接结构中的磁通分布相同，同时考虑到直流偏磁可能引起爱泼斯坦方圈单方向磁饱和，导致激磁电流中出现奇次甚至偶次谐波，应减少两种尺寸爱泼斯坦方圈原有激励绕组1和测量绕组3的匝数。图1中(a)边长尺寸为25cm的爱泼斯坦方圈四边激励绕组1总匝数为680匝，每边170匝。图1中(b)边长尺寸为17.5cm的爱泼斯坦方圈四边激励绕组1总匝数412匝，每边103匝。

如图2所示，在爱泼斯坦方圈的原有测量绕组3和激励绕组1外侧均匀绕制直流偏磁绕组2，直流偏磁绕组2由横截面直径为4mm的漆包线支撑，共50匝，其目的是为爱泼斯坦方圈提供直流偏置磁场。

如图3所示，直流偏置绕组与旁路电容并联后与电阻、直流电流源、扼流装置依次串联，构成直流偏磁回路，为爱泼斯坦方圈提供直流磁场。激励绕组1与空气补偿互感器的初级绕组4、交流电流源和功率分析仪依次串联，构成交流回路，为爱泼斯坦方圈提供交流磁场。

扼流装置是用锰锌铁氧体磁环(外径d＝62mm，内径d＝38mm，高h＝25mm)绕制成的扼流圈，匝数为200匝。

旁路电容由4个标称值均为10μf的金属化纸介电容器并联而成。设置旁路电容和扼流装置的目的在于抑制直流偏磁绕组2中感应出的交流电动势，阻止直流偏磁回路中的交流信号对直流源的耦合。

空气补偿互感器由绝缘材料制作的圆管和由内至外依次绕制在圆管外表面的初级绕组4和次级绕组5组成；圆管长260mm，其横截面直径为50mm；初级绕组4和次级绕组5均匀绕在240mm的长度上；初级绕组4和次级绕组5均为横截面直径为1mm的漆包线，初级绕组4的匝数为200匝；次级绕组5的匝数为427匝。其接入方式为：两种尺寸的爱泼斯坦方圈激励绕组1分别与控制补偿互感器初级绕组4串联接入方圈励磁回路；两种尺寸的爱泼斯坦方圈测量绕组3分别与控制补偿互感器次级绕组5反向串联后接入总损耗测量电路。

中空臂筒的横截面为矩形，将长度为l的作为叠片铁芯的电工钢片沿平行于中空臂筒轴线的方向放入带有直流偏磁绕组2的25cm爱泼斯坦方圈的中空臂筒内，角部用砝码压紧。

用交流电流源为25cm爱泼斯坦方圈的激励绕组1注入交流电压，产生交流磁场；用直流电流源为25cm爱泼斯坦方圈上的直流偏磁绕组2注入直流电流，产生直流磁场；交流磁场与直流磁场叠加，在25cm爱泼斯坦方圈的铁芯中形成直流偏磁磁场。用总损耗测量电路测量25cm爱泼斯坦方圈中电工钢片的总损耗，测量值为pno；

再将上述同一组电工钢片沿平行于中空臂筒轴线的方向放入带有直流偏磁绕组2的17.5cm爱泼斯坦方圈的中空臂筒内，角部用砝码压紧。

用交流电流源为17.5cm爱泼斯坦方圈的激励绕组1注入交流电压，产生交流磁场；用直流电流源为17.5cm爱泼斯坦方圈上的直流偏磁绕组2注入直流电流，产生直流磁场；交流磁场与直流磁场叠加，在17.5cm爱泼斯坦方圈的铁芯中形成直流偏磁磁场。用总损耗测量电路测量17.5cm爱泼斯坦方圈中电工钢片的总损耗，测量值为psm；

测量过程中需保证两种尺寸爱泼斯坦方圈的转角处搭接结构中的磁通密度相同。

步骤2，用公式计算电工钢片在直流偏磁工况下的比总损耗ploss：

其中：l为每条电工钢片的总长度；δl为每条电工钢片在两种尺寸爱泼斯坦方圈中的有效质量区域的长度差；mt为电工钢片的总质量。

假设带有直流偏磁绕组2的爱泼斯坦方圈总损耗差值只与其内部的铁轭长度差有关，即两种尺寸爱泼斯坦方圈的搭接区域和相邻区域损耗分布情况相同，则产生损耗差值的铁轭区域为25cm爱泼斯坦方圈的中段区域，每条电工钢片的总长度用l表示，每条电工钢片在两种尺寸的爱泼斯坦方圈中的有效质量区域长度差用δl表示，δl等于两种尺寸爱泼斯坦方圈的边长差值的绝对值，也就是25cm-17.5cm＝2.5cm。两种尺寸爱泼斯坦方圈中的电工钢片比总损耗差可表示为：

pno-psm＝pnc+pnl-(psc+psl)(1)

式中，pno为25cm爱泼斯坦方圈总损耗；psm为17.5cm爱泼斯坦方圈的总损耗；pnc为25cm爱泼斯坦方圈转角处的损耗；pnl为爱泼斯坦25cm方圈铁轭处的损耗；psc为爱泼斯坦17.5cm爱泼斯坦方圈转角处的损耗；psl为爱泼斯坦17.5cm方圈铁轭处的损耗。上述损耗的单位均为w。

根据假设条件，pnc＝psc，则式(1)可以改写为：

pno-psm＝pnl-psl(2)

与式(2)损耗差值对应的电工钢片有效质量δm为

式中mt为电工钢片的总质量，则25cm爱泼斯坦方圈均匀区域比总损耗ploss即表示为：

用步骤1中的方法测量测量同一组电工钢片在上述两种不同尺寸爱泼斯坦方圈上的总损耗，将总损耗差代入式(3)，即可得到25cm爱泼斯坦方圈均匀区域的比总损耗，该比总损耗也就是本发明需要测量的被测电工钢片的比总损耗。

下面，利用本发明提供的电工钢片比总损耗测量方法对用国内外两个厂家生产的0.3mm规格105牌号电工钢材料制成的电工钢片进行比总损耗测量，以对本发明提供的方法进行检测：

(1)选取国外厂家0.3mm规格105牌号取向电工钢材料，切取30mm×300mm尺寸样片共计40片，采用双搭接方式装入绕有直流偏磁绕组2的25cm爱泼斯坦方圈中，每边10片，调节直流偏磁量，测量工作磁通密度为b＝1.7t时，不同直流偏置量下25cm爱泼斯坦方圈的总损耗pno；将同一组电工钢片样片采用同样的双搭接方式装入绕有直流偏磁绕组2的17.5cm爱泼斯坦方圈中，每边10片，测量相同工况下17.5cm爱泼斯坦方圈的总损耗psm。将25cm爱泼斯坦方圈总损耗和17.5cm爱泼斯坦方圈总损耗代入式(3)，得到不同直流偏置量下25cm爱泼斯坦方圈损耗均匀区域电工钢片的比总损耗，测量结果如图4所示。

(2)选取国内厂家0.3mm规格105牌号取向电工钢材料，切取30mm×300mm尺寸样片共计40片，采用双搭接方式装入绕有直流偏磁绕组2的25cm爱泼斯坦方圈中，每边10片，调节直流偏磁量，测量工作磁通密度为b＝1.7t时、不同直流偏置量下25cm爱泼斯坦方圈的总损耗pno；将同一组电工钢片样片采用同样的双搭接方式装入绕有直流偏磁绕组2的17.5cm爱泼斯坦方圈中，每边10片，测量相同工况下17.5cm爱泼斯坦方圈的总损耗psm。将25cm爱泼斯坦方圈总损耗和17.5cm爱泼斯坦方圈总损耗代入式(3)，得到不同直流偏置量下25cm爱泼斯坦方圈损耗均匀区域电工钢片的比总损耗，测量结果如图5所示。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。