一种用于分析高压输电线路感应取电装置铁磁特性的方法与流程

本发明涉及高压输电线领域，具体涉及一种用于分析高压输电线路感应取电装置铁磁特性的方法。

背景技术：

架空高压输电线路是电力能源输送的大动脉，其特点是架空悬挂结构、高电压、大电流、常年工作在野外环境。为了保证输电线路长期稳定高质量地传输电力，越来越多的仪器和带电作业设备用于高压输电线路的实时监控或维护，这些设备长期工作在野外，无人值守。能量补充问题是保证这些设备稳定可靠运行的前提。最有发展前景的供电方式是直接从输电线路上感应取电方式。

当初级电压(或电流)过大时，电流互感器铁芯便容纳不下它所产生的磁场，会产生磁饱和现象。饱和了的磁芯导磁率会降低,使次级输出电压(或电流)出现平顶的饱和形状。在磁饱和状态下，铁芯会严重震动并且发热，非常不利于取电装置长时间运行；在一次侧电流很大时还会产生高峰值电压威胁前端器件,不适合现场运行。深度饱和时感应电压波形发生严重畸变,成为尖顶脉冲波。虽然有效值基本不变,但是峰值急剧增大,可达到几百伏,对后端器件的耐压提出了很高要求。长期工作在深度饱和状态带来更大的影响是：铁损居高不下,线圈温升过高，有可能引起高频振动,甚至烧坏圈。因此,应尽量防止铁心工作在饱和状态,必须避免长期工作在深度饱和状态。

为避免铁心长期深度饱和，曾有学者提出一些控制电路来控制磁通大小,使取能线圈工作于非饱和状态，取得了一定效果,但普遍存在电路过于复杂的问题。同时在磁饱和时，引发暂态励磁涌流，使得磁性材料的非线性特性更加难以测量。因此提出一种新的、简洁的分析铁芯铁磁特性，通过试验进行磁性材料特性测量得到磁性材料的非线性特性，进而防止磁饱和的方法迫在眉睫。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种用于分析高压输电线路感应取电装置铁磁特性的方法。

本发明采用如下技术方案：

一种用于分析高压输电线路感应取电装置铁磁特性的方法，包括如下步骤：

S1选取铁芯材料，确定线圈匝数；

S2铁芯磁化曲线的测量；

S3简化电流互感器铁芯模型。

所述S1选取铁芯材料，确定线圈匝数，具体为：

设蓄电池电压为Vbat,在T/2时间内铁芯磁感应强度从负饱和磁感应强度到正饱和磁感应强度增长，增长斜率为:

又因为二次侧电压满足：

由(1)和(2)，得

其中，Bsat为饱和磁感应强度，A为铁芯截面积，N₂为线圈匝数。

所述S2中铁芯磁化曲线的测量，具体为：N1为磁化线圈的线圈匝数，N2为测量线圈的线圈匝数，磁化线圈的电流用电流表测量，测量线圈的开路电压用电压表测量：

根据安培环路定律：

和磁感应强度峰值推倒公式

根据式(5)和式(6)确定Hm和Bm的值，绘出磁化曲线，Ee为感应电动势的有效值，Se为环形铁芯的截面积，f为工频频率。

所述S3简化电流互感器铁芯模型，具体采用对铁芯进行伏安特性实验，得到铁芯的T型简化电路。

所述伏安特性实验具体为：互感器一次绕组开路的情况下在二次绕组上施加实际正弦波交流电压，测量相应的励磁电流或者直接将铁芯挂在大电流发生器的架空线路上，通过在一次测加不同大小的正弦波电流，测得二次绕组开路电压和短路电流，得到T型电路各个参数的值。

电压表及电流表具体是采用Tektronix DPO 4054数字示波器。

本发明的有益效果：

通过使铁芯工作在接近磁饱和的线性区域，从而简化电流互感器的等效电路，避免磁饱和时复杂的电磁关系，进而分析出电流互感器铁芯的等效电路。

附图说明

图1是磁化曲线的原理图；

图2是铁芯伏安特性实验的接线图；

图3是本发明简化后的T型等值电路；

图4本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图4所示，一种用于分析高压输电线路感应取电装置铁磁特性的方法，包括如下步骤：

S1选取铁芯材料，确定线圈匝数；

铁芯材料的选择原则是尽量减小启动电流，提高能量传递效率，降低损耗。然后根据电磁学的基本理论确定线圈匝数和最小启动电流的关系，根据实验确定最优线圈匝数，使铁芯工作的磁感应强度等于饱和磁感应强度，使得感应取电装置能量提取功率大、充电电流波动小、发热小。

设蓄电池电压为Vbat,在T/2时间内铁芯磁感应强度从负饱和磁感应强度到正饱和磁感应强度增长，增长斜率为:

又因为二次侧电压满足：

由(1)和(2)，得

其中，Bsat为饱和磁感应强度，A为铁芯截面积，N₂为线圈匝数。

在实际应用中，铁芯的截面积受制于用电设备的结构尺寸蓄电池电压也是由用电设备给定的。高压输电导线的负载电流在大多数情况下也只在一个相对较低的有效值水平。因而最优参数匹配实质上是在给定电池电压、导线负载电流和铁芯截面积条件下，来确定最优线圈匝数。

S2铁磁材料磁化曲线的测量

反映磁感应强度B随磁场强度H变化的磁化曲线是反应材料性能的重要曲线，特性曲线的测量也是工业磁性测量的重要内容之一，因此，准确、简单地测量磁性材料的磁化曲线，并由此做出分析和推断是对设备准确研究和设计的基础，如图1所示

具体为：N1为磁化线圈的线圈匝数，N2为测量线圈的线圈匝数，磁化线圈的电流用电流表测量，测量线圈的开路电压用电压表测量：

根据安培环路定律：

和磁感应强度峰值推倒公式

根据式(5)和式(6)确定Hm和Bm的值，绘出磁化曲线，Ee为感应电动势的有效值，Se为环形铁芯的截面积，f为工频频率。

本实施例是采用Tektronix DPO 4054数字示波器代替电压表及电流表进行测量。

S3简化电流互感器铁芯模型。

为了使铁芯工作在稳定的接近磁饱和的近似线性区，必须简化架空输电线路上的铁芯磁特性模型，本实施例通过对铁芯进行伏安特性实验，得出铁芯的T型简化电路。

如图2及图3所示，电流互感器伏安特性试验方法是在互感器一次绕组开路的情况下在二次绕组上施加实际正弦波交流电压，测量相应的励磁电流。也可以直接将铁芯挂在连接大电流发生器的架空线路上，通过在一次测加不同大小的正弦波电流，测得二次绕组开路电压和短路电流。这样可以解出T型电路各个参数的值。

通过合理配置铁芯截面积、次级绕组匝数、铁芯饱和磁感应强度、电池电压等参数使铁芯工作的磁感应强度接近饱和磁感应强度，使得感应取电装置能量提取功率大、充电电流波动小、铁芯发热小。此时铁芯工作在磁化曲线的近似线性区，也就是非饱和区。电流互感器二次侧短路电流和开路电压都随着一次测电流的变化而呈线性变化。从而可以简化出电流互感器铁芯的简化T型电路。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。