复杂工况下阳极饱和电抗器铁心磁特性测量装置及系统的制作方法

本发明涉及磁特性测量领域，具体是一种复杂工况下阳极饱和电抗器铁心磁特性测量装置及系统。

背景技术：

换流阀是直流输电系统中的核心装备，饱和电抗器又是特高压直流换流阀中重要的保护元件。随着我国特高压工程的建设对电工装备提出了更高的设计要求，采用简单的经验公式设计模式，往往不能满足现代特高压输变电性能上的要求。而且，现有的饱和电抗器设计过程中没有仔细考虑电工材料在实际运行过程中所表现出的复杂磁特性，设计出来的电抗器往往损耗偏大，效率偏低，容易出现过电压、过电流现象。

温升是电抗器运行良好的重要指标，国内多物理工况模拟和磁化特性建模技术相对落后，制约着特高压直流输电以及晶闸管整流设备的高端化发展。非线性负载的存在使得电力系统中的谐波流入电网，运行中的饱和电抗器需要承受交直流电压的共同作用，所以在其负载电流中必含有大量的高次谐波，这将导致电抗器铁心硅钢片的磁化波形发生畸变，从而出现谐波漏磁场和高次谐波损耗。这种非正弦大电流激励产生的损耗过大且分布不均匀，可能引起电抗器的某一区域的局部过热，从而影响到电抗器的正常运行及其使用寿命。

饱和电抗器实际运行中所产生的振动与噪声问题也同样值得关注，其本质是电抗器铁心材料所受应力的作用，这种现象直接影响电抗器铁心材料磁特性的相关变化。因此，在实际工况下，不同应力对饱和电抗器的影响也不容忽视，做出相应的磁场分布模拟、铁心损耗预测，为优化电抗器性能与结构改进提供必要的技术支持。

目前饱和电抗器研究大多是关于铁心的损耗和温升，如《±1100kv特高压直流换流阀用饱和电抗器的铁损及温度分布仿真》一文中采用有限元仿真的方法，研究了饱和电抗器的铁心损耗和温度分布规律，然而气隙对整体磁特性的影响却被忽略，目前也没有完备的实验数据可供参考。为了更准确地研究电抗器的损耗、振动、温升等情况，不仅要分析铁心的磁特性，气隙的宽度、形状也要在电抗器铁心优化设计的考虑之内。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种复杂工况下阳极饱和电抗器铁心磁特性测量装置及系统。

本发明解决所述装置技术问题的技术方案是，提供一种复杂工况下阳极饱和电抗器铁心磁特性测量装置，其特征在于该装置包括非铁磁性材料夹层、圆盘、锯齿形夹具调节螺栓、锯齿形夹具、防振动夹具、锯齿形夹具定位块、防振动夹具定位螺栓、防振动夹具定位块、步进电机、电缸、机架、活动上板和固定上板；所述锯齿形夹具包括活动颚、锯齿形夹具底板、活动颚定位螺栓、固定颚和活动颚定位螺母；

所述步进电机固定于机架一侧，其输出端与电缸连接；活动上板放置在电缸的端部，固定上板通过连接板固定于机架另一侧；步进电机转动，电缸将步进电机的旋转运动转换成直线运动，实现活动上板的升降及角度变化；

活动上板和固定上板上均开有锯齿形夹具燕尾槽滑道；锯齿形夹具底板的底部与锯齿形夹具燕尾槽滑道配合，实现锯齿形夹具底板沿锯齿形夹具燕尾槽滑道的移动；锯齿形夹具定位块分别固定于活动上板和固定上板上，开有螺纹通孔；锯齿形夹具调节螺栓与锯齿形夹具定位块内部的螺纹连接，一端固定有圆盘，拧动锯齿形夹具调节螺栓，实现锯齿形夹具调节螺栓沿锯齿形夹具定位块的移动，进而实现圆盘与锯齿形夹具底板的接触和分离；

锯齿形夹具底板上开有活动颚燕尾槽滑道，活动颚与活动颚燕尾槽滑道配合，实现相对滑动；固定颚固定于锯齿形夹具底板上；活动颚开有通孔，活动颚定位螺栓穿过活动颚，端部固定于固定颚上；活动颚定位螺栓上设置有一个活动颚定位螺母，设置于活动颚远离固定颚的一侧；活动颚定位螺栓与活动颚定位螺母螺纹配合，推动活动颚，实现活动颚和固定颚对铁心的夹紧；

活动上板和固定上板的上均开有防振动夹具燕尾槽滑道；所述防振动夹具定位块分别固定于活动上板和固定上板上；防振动夹具定位螺栓穿过防振动夹具定位块的通孔并固定于防振动夹具定位块内部；所述防振动夹具包括铁心上端部夹具和铁心下端部夹具，两者结构相同，均由两个夹持头和两个夹持头定位螺母构成；防振动夹具定位螺栓穿过两个夹持头，两个夹持头的内侧配合用于夹持铁心端部，两个夹持头的外侧均设置有一个夹持头定位螺母；防振动夹具定位螺栓与夹持头定位螺母螺纹配合，分别推动两个夹持头，实现两个夹持头对于铁心的夹紧。

本发明解决所述系统技术问题的技术方案是，提供一种复杂工况下阳极饱和电抗器铁心磁特性测量系统，其特征在于该系统包括所述的装置、扭力扳手、温度记录仪、倾角传感器、示波器和上位机；所述示波器和倾角传感器分别与上位机连接；所述扭力扳手与锯齿形夹具调节螺栓的另一端连接，通过扭力扳手提供不同的力矩拧动锯齿形夹具调节螺栓；所述温度记录仪位于机架和固定上板形成的空间内部，用于显示和记录通过温度记录仪的热电偶丝测量的铁心和缠绕在铁心上的绕组的温度数据；所述倾角传感器安装于活动上板底面上，用于测量活动上板的倾斜角度；示波器的输入端和输出端分别与绕组的两端连接。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本装置为阳极饱和电抗器铁心的磁特性测量提供一种能够模拟各种复杂工况的实验平台，包括模拟两铁心的应力变化以及铁心气隙的形状和大小变化，实现对铁心磁特性的精确测量。

(2)本装置的夹具与传统铁心夹具不同。由于饱和电抗器在实际运行时铁心已达到磁饱和状态，为了更好的模拟真实的运行工况，实验装置需要很大的安匝数来增加铁心的磁通量，这就要求可绕匝数多，电流激励大。传统夹具没有锯齿状空隙，绕组只能在无夹具处缠绕，可绕匝数十分有限。本装置采用锯齿形夹具，这种夹具不仅使铁心受力均匀，而且在锯齿的空隙中可以穿插绕组，增大铁心的可绕匝数，绕组的匝数可提高一倍以上，实现绕组全覆盖，从而使铁心磁通分布更加均匀，使铁心磁通量可以达到更高水平。因此可在绕组中通入更接近于饱和电抗器的真实运行状态的非正弦脉冲电流激励，与传统磁测量的正弦激励作对比。

(3)传统装置往往只适用于一种形状、大小的铁心，实用性有限。本装置采用可调节的锯齿形夹具和防振动夹具进行相互配合，可适应不同大小、不同形状的铁心。锯齿形夹具采用活动颚来调节夹具大小。防振动夹具也加装燕尾槽和长螺栓，可调节铁心上端部夹具和铁心下端部夹具的大小和位置。

(4)两铁心有可能是竖直方向错位，也有可能是水平方向错位，或者是旋转某些角度错位，这些改变都会导致气隙的形状发生变化。本装置采用铁心一半固定、一半可升降可旋转的方式模拟饱和电抗器铁心长期运行在复杂工况下气隙形状的变化。本装置在活动上板四个顶角安装四个步进电机并配合四个电缸，可以实现对活动上板高度和角度的细微调整。在活动上板底面加装倾角传感器，其作用有两个：一是调平，在只研究铁心竖直方向错位时，要求活动上板在保持整体水平的前提下进行升降，此时就需要用倾角传感器来调平。二是测量角度，四个电缸上升高度不同可使活动上板和固定上板形成一定角度，实现铁心的旋转错位，此时通过倾角传感器可记录不同角度。由此模拟气隙的不同形状，分析气隙形状的变化对铁心磁特性的影响。

(5)在两块铁心中间添加不同厚度的非铁磁性材料夹层。非铁磁性材料具有不导磁的特性，其电导率和空气电导率相近，因此不同厚度、表面平整的非铁磁性材料可模拟不同宽度的气隙。采用夹层代替气隙可以大大简化装置，因为单纯控制气隙宽度很难实现精密测量，采用夹层的方法只需用铁心将不同厚度的夹层夹紧即可实现，这样既能保证测量精度，又能模拟不同气隙宽度对铁心磁特性的影响。

(6)传统夹具都是将螺栓拧紧即可，并没有考虑不同的应力对铁心和气隙的磁特性是否有影响。由于铁心接触表面的应力无法准确测量，可用锯齿形夹具调节螺栓的拧紧力矩代替应力。本系统采用扭力扳手在锯齿形夹具调节螺栓上施加不同的力矩，从而分析两铁心接触面应力的大小对铁心和气隙磁特性的影响。

(7)本系统加装温度记录仪，对铁心和绕组各部位的温度进行实时监控，防止铁心和线圈过热。而且，温度的监测可以为损耗分析提供更有力的实验依据，从而进一步分析饱和电抗器在实际运行时的温升情况。

(8)因为固定上板固定，活动上板可升降，两侧不一定保持在同一水平高度，所以采用独立的锯齿形夹具燕尾槽滑道。这样既能确保锯齿形夹具底板相向推进，又不影响活动上板升降。

(9)在锯齿形夹具调节螺栓上加装圆盘，增大螺栓与锯齿形夹具底板之间的受力面积，使铁心受力更均匀。

附图说明

图1为本发明一种实施例的安装铁心的轴测示意图；

图2为本发明一种实施例的未安装铁心的俯视角度立体示意图；

图3为本发明图2的局部放大示意图；

图4为本发明一种实施例的未安装铁心的仰视角度立体示意图；

图5为本发明一种实施例的爆炸示意图；

图中：1、铁心；2、非铁磁性材料夹层；3、圆盘；4、锯齿形夹具调节螺栓；5、步进电机；6、防振动夹具燕尾槽滑道；7、锯齿形夹具燕尾槽滑道；8、温度记录仪；9、活动颚；10、锯齿形夹具底板；11、夹持头定位螺母；12、锯齿形夹具定位块；13、活动颚定位螺栓；14、支撑块；15、防振动夹具定位螺栓；16、防振动夹具定位块；17、活动颚燕尾槽滑道；18、热电偶丝通孔；19、倾角传感器；20、电缸；21、托盘；22、固定颚；23、机架；24、活动上板；25、固定上板；26、活动颚定位螺母；27、铁心上端部夹具；28、铁心下端部夹具。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种复杂工况下阳极饱和电抗器铁心磁特性测量装置(简称装置)，其特征在于该装置包括非铁磁性材料夹层2、圆盘3、锯齿形夹具调节螺栓4、锯齿形夹具、防振动夹具、锯齿形夹具定位块12、防振动夹具定位螺栓15、防振动夹具定位块16、步进电机5、电缸20、机架23、活动上板24和固定上板25；所述锯齿形夹具包括活动颚9、锯齿形夹具底板10、活动颚定位螺栓13、固定颚22和活动颚定位螺母26；

机架23分为左右两侧；所述步进电机5固定于机架23一侧(本实施例为四个步进电机5分别固定于机架23右侧的四角，对应活动上板24的四角)，其输出端与电缸20连接；活动上板24放置在电缸20的端部，固定上板25通过连接板固定于机架23另一侧；步进电机5转动，电缸20将步进电机5的旋转运动转换成直线运动，实现活动上板24的升降及角度变化；

活动上板24和固定上板25的对称位置上均开有锯齿形夹具燕尾槽滑道7；锯齿形夹具底板10的底部与锯齿形夹具燕尾槽滑道7配合，实现锯齿形夹具底板10沿锯齿形夹具燕尾槽滑道7的移动；锯齿形夹具定位块12分别(优选对称)固定于活动上板24和固定上板25上，开有螺纹通孔；锯齿形夹具调节螺栓4与锯齿形夹具定位块12内部的螺纹连接，一端固定有圆盘3，拧动锯齿形夹具调节螺栓4，实现锯齿形夹具调节螺栓4沿锯齿形夹具定位块12的移动，进而实现圆盘3与锯齿形夹具底板10的接触和分离；

锯齿形夹具底板10上开有活动颚燕尾槽滑道17，活动颚9的底部具有凸起或者滑块，与活动颚燕尾槽滑道17配合，实现相对滑动；固定颚22固定于锯齿形夹具底板10上；活动颚9开有通孔，活动颚定位螺栓13穿过活动颚9，端部固定于固定颚22内部或者固定于固定颚22端部的螺帽中；活动颚定位螺栓13上设置有一个活动颚定位螺母26，设置于活动颚9远离固定颚22的一侧；活动颚定位螺栓13与活动颚定位螺母26螺纹配合，推动活动颚9，实现活动颚9和固定颚22对铁心1的夹紧；

活动上板24和固定上板25的对称位置上均开有防振动夹具燕尾槽滑道6，位于靠近铁心气隙的位置；所述防振动夹具定位块16分别(优选对称)固定于活动上板24和固定上板25上，内部开有螺纹通孔或者通孔；防振动夹具定位螺栓15穿过防振动夹具定位块16，与防振动夹具定位块16的内部固定连接或者螺纹连接，用于测试时限制防振动夹具定位螺栓15上的防振动夹具沿防振动夹具燕尾槽滑道6的滑动；所述防振动夹具包括铁心上端部夹具27和铁心下端部夹具28，两者结构相同，均由两个夹持头和两个夹持头定位螺母11构成；防振动夹具定位螺栓15穿过两个夹持头，两个夹持头的内侧配合用于夹持铁心端部，两个夹持头的外侧均设置有一个夹持头定位螺母11；防振动夹具定位螺栓15与夹持头定位螺母11螺纹配合，分别推动两个夹持头，实现两个夹持头对于铁心1的夹紧。

优选地，机架23、连接板、活动上板24和固定上板25采用不导磁的金属板，优选不导磁铝板。

优选地，该装置还包括托盘21；电缸20的端部固定有托盘21，活动上板24放置在托盘21上；改变工况时，活动上板24的升降过程中托盘21能起到稳定支撑活动上板24的作用。

优选地，该装置还包括支撑块14；支撑块14分别(优选对称)固定于活动上板24和固定上板25上，用于支撑锯齿形夹具处的铁心1。

本发明同时提供了一种复杂工况下阳极饱和电抗器铁心磁特性测量系统(简称系统)，其特征在于该系统包括所述装置、扭力扳手、温度记录仪8、倾角传感器19、示波器和上位机；所述示波器和倾角传感器19分别与上位机连接，实现数据的传输；所述扭力扳手与锯齿形夹具调节螺栓4的另一端连接，通过扭力扳手提供不同的力矩拧动锯齿形夹具调节螺栓4，实现锯齿形夹具调节螺栓4沿锯齿形夹具定位块12的移动，进而实现圆盘3与锯齿形夹具底板10的接触和分离；所述温度记录仪8位于机架23和固定上板25形成的空间内部，用于显示和记录通过温度记录仪8的热电偶丝测量的铁心1和缠绕在铁心1上的绕组的温度数据；所述倾角传感器19安装于活动上板24底面上，用于测量活动上板24的倾斜角度，与外部的上位机连接；示波器的输入端和输出端分别与绕组的两端连接。

优选地，活动上板24和固定上板25上均开设有热电偶丝通孔18，用于线缆的通过，方便美观；

优选地，扭力扳手采用型号为158170的艾德玛数显扭力扳手。

优选地，所述温度记录仪8采用型号ohr-g702的多通道测量显示控制仪表，可同屏显示16个通道的温度测量值；将16个热电偶端子贴附在铁心1和绕组的表面并与耐高温屏蔽线相连，耐高温屏蔽线穿过热电偶丝通孔18接入温度记录仪8。

优选地，倾角传感器19采用hvs162t双轴电流型。

优选地，示波器采用型号为mso2024b的泰克混合信号数字荧光示波器。

优选地，上位机为电脑或计算机。

本系统的制作步骤是：

步骤一：将机架23分为左右两侧，左侧外侧安装连接板进行加固；在右侧的四角安装四个相同型号的步进电机5，步进电机5的输出端上安装电缸20和托盘21，从而控制升降和旋转；

步骤二：固定上板25固定在机架23左侧上，保持水平；活动上板24放置在四个电机托盘21上；

步骤三：在活动上板24底面安装倾角传感器19，以便将活动上板24调平和记录倾角变化；

步骤四：在固定上板25和活动上板24上加装支撑块14，支撑块14起支撑铁心1的作用，在靠近铁心气隙的位置开有防振动夹具燕尾槽滑道6；将防振动夹具定位块16分别固定在固定上板25和活动上板24上，再将防振动夹具定位螺栓15沿螺纹旋入或固定于防振动夹具定位块16中；先将一个夹持头定位螺母11旋入防振动夹具定位螺栓15，再将两个夹持头沿防振动夹具定位螺栓15滑入防振动夹具燕尾槽滑道6中，然后再旋入一个夹持头定位螺母11，两个夹持头定位螺母11和防振动夹具定位螺栓15配合将铁心上端部夹具27紧固，铁心下端部夹具28的安装方法相同；

步骤五：在锯齿形夹具底板10的一侧上开一条活动颚燕尾槽滑道17，将活动颚9与活动颚燕尾槽滑道17配合，固定颚22固定在锯齿形夹具底板10上；在活动颚9和固定颚22上打出通孔，将装有活动颚定位螺母26的活动颚定位螺栓13沿通孔依次插入活动颚9和固定颚22中，另一端伸出固定颚22并用螺帽固定或固定于固定颚22内部；

步骤六：在固定上板25和活动上板24上的两端分别开两条锯齿形夹具燕尾槽滑道7，将锯齿形夹具滑入锯齿形夹具燕尾槽滑道7中，然后再加装锯齿形夹具定位块12；在锯齿形夹具定位块12中穿入锯齿形夹具调节螺栓4，两者通过螺纹连接；然后将圆盘3固定在锯齿形夹具调节螺栓4上；随着锯齿形夹具调节螺栓4的旋转推进，圆盘3顶在锯齿形夹具底板10上，推动锯齿形夹具整体前进。

本发明的工作原理和工作流程是：

将左右两块铁心1分别放在两侧的支撑块14和防振动夹具上，两块铁心1中间加入非铁磁性材料夹层2，使用扭力扳手拧紧锯齿形夹具调节螺栓4，将锯齿形夹具底板10推紧，拧紧活动颚定位螺母26和夹持头定位螺母11，将两块铁心1夹紧；

将绕组的导线依次插入锯齿状夹具的空隙中，铁心1上没有夹具的部分正常缠绕，从而实现绕组的全覆盖；绕组包括原边绕组和副边绕组；

在绕组线圈缠绕完成后，机架23左侧安装温度记录仪8。将温度记录仪8的热电偶丝从热电偶丝通孔18中穿出，粘在铁心1表面和绕组的不同位置，以便记录铁心1和绕组在各点的温升情况；示波器的输入端和输出端分别与绕组的两端连接；示波器和倾角传感器19分别与上位机连接；

开始测试，采用控制变量法即单一变量原则进行测量，得到每个工况下的通过示波器测量的原边绕组的电流值和副边绕组的电压值、通过倾角传感器19测量的活动上板24的倾斜角度以及通过温度记录仪8记录的不同时刻绕组和铁心1的温度，最后在上位机对数据进行处理，得到不同工况下的阳极饱和电抗器铁心的磁特性、bh曲线、bp曲线以及铁心和气隙的损耗、温升等情况。

工况1、调节四个步进电机5，将活动上板24调至水平，固定上板25与活动上板24位于同一水平面，模拟铁心正常放置时的气隙状态，与实际工况对比，进行测量，得到倾斜角度为0时的原边绕组的电流值、副边绕组的电压值以及绕组和铁心1的温度。

工况2、调节四个步进电机5，将活动上板24调节至不同的高度和旋转角度，模拟铁心振动时的铁心错位情况，得到在各个角度下的原边绕组的电流值、副边绕组的电压值以及绕组和铁心1的温度，从而分析不同形状的气隙对铁心1磁特性的影响。

工况3、将不同厚度的非铁磁性材料夹层2夹在两块铁心1之间，模拟铁心振动导致气隙宽度的变化，分析不同宽度的气隙对铁心1磁特性的影响。

工况4、使用扭力扳手调节不同力矩将锯齿形夹具调节螺栓4拧紧，从而推动锯齿形夹具底板10将两块铁心1夹紧，分析不同应力对铁心磁特性的影响。

工况5、在原边绕组中通入非正弦脉冲电流激励，模拟铁心在实际工况下的工作状态，与传统磁测量的正弦激励作对比，分析在实际工况下的电流激励对铁心1的磁特性有何影响。

本发明未述及之处适用于现有技术。