行業(yè)動態(tài)當(dāng)前位置:主頁 > 行業(yè)動態(tài) > 正文

鐵芯開氣隙電流互感器暫態(tài)特性仿真(上)

作者:威博特鐵芯   發(fā)布時間:2019-03-30 15:01:08 瀏覽次數(shù):
分享到:

    開氣隙電流互感器在繼電保護(hù)系統(tǒng)中越來越廣泛的運用,但對其暫態(tài)特性的研究卻很少涉及。利用 J-A 模型對開氣隙互感器鐵芯的動態(tài)磁滯回環(huán)進(jìn)行模擬,并對其磁化特性進(jìn)行研究。建立了鐵芯開氣隙互感器的仿真模型,并結(jié)合一個互感器實物進(jìn)行了仿真,根據(jù)仿真結(jié)果得了氣隙互感器的特性,以及不同氣隙對互感器特性的影響。

    電流互感器(簡稱 TA)是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一,其性能對于電網(wǎng)的參數(shù)測量、系統(tǒng)監(jiān)控、故障保護(hù)等都有重要影響。隨著電力系統(tǒng)容量的增大和電壓等級的提高,系統(tǒng)發(fā)生短路故障時,短路電流會很大,有些情況下短路電流會達(dá)到 TA 額定工作電流的上百倍。如此大的電流經(jīng)過閉合鐵芯的 TA 時,使得 TA 嚴(yán)重飽和,造成系統(tǒng)的拒動或誤動。為了解決這一問題,近年來出現(xiàn)了鐵芯開氣隙 TA,開氣隙的 TA 能保證在穩(wěn)定狀態(tài)及過渡狀態(tài)中誤差都在繼電保護(hù)裝置允許的范圍內(nèi)。對開氣隙互感器的暫態(tài)特性進(jìn)行研究,建立盡可能精確的仿真模型,運用計算機(jī)進(jìn)行仿真,通過研究其暫態(tài)過程,可以找到鐵芯開氣隙互感器的規(guī)律,從而指導(dǎo)開氣隙互感器的設(shè)計。

    目前, 國內(nèi)也在大量生產(chǎn)和應(yīng)用鐵芯開氣隙的 TA。但是對于開氣隙 TA 的暫態(tài)過程研究還有待深入,本文正是基于 J-A 理論和鐵芯開氣隙的相關(guān)理論建立了氣隙鐵芯的磁化模型,并進(jìn)行了磁化特性曲線的模型。建立了氣隙互感器的模型,并運用計算機(jī)仿真得到了氣隙互感器的暫態(tài)過程,通過仿真對比,得到了開氣隙互感器特性以及氣隙大小對鐵芯互感器特性的影響。

一、基于 J-A 理論的電流互感器閉合鐵芯磁化性能模擬
    Jiles-Atherton 理論建立在已有的磁疇運動理論之上,運用了非磁滯磁化的概念,準(zhǔn)確的描述了鐵磁材料的磁化強(qiáng)度M 和磁場強(qiáng)度 H 的關(guān)系,建立了電流互感器鐵芯的動態(tài)磁化模型。
1、非磁滯磁化特性曲線的模擬
    鐵磁材料的磁化規(guī)律嚴(yán)格來講是指磁化強(qiáng)度 M 和磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 之間的依從關(guān)系,由關(guān)系式(1) 成立,也可以說磁化性能是指 M 和 H 的關(guān)系。

如果我們?nèi)〉昧?M 和 H 的磁化關(guān)系,實際上也就獲得了 B 和 H 的關(guān)系。非磁滯磁化曲線由下面的表達(dá)式描述
式中,Man 表示非磁滯磁化強(qiáng)度;He稱為有效磁場強(qiáng)度,且He=H+αM,α 為磁疇間的耦合參數(shù);Ms 表示飽和磁化強(qiáng)度;f (He)為能產(chǎn)生近似 S 曲線的函數(shù)。實踐和仿真研究證明,應(yīng)用 Langevin 表達(dá)式能夠很好的模擬非磁滯回線。如下式
式中,coth 為雙曲余切函數(shù),coth=(e^x + e^-x)/(e^x-e^-x); a 為待定參數(shù),需要針對鐵磁材料的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算。經(jīng)過對牌號為 35W360 硅鋼片磁化數(shù)據(jù)的分析,結(jié)合文獻(xiàn)中介紹的對相關(guān)參數(shù)的計算方法,得到了該硅鋼材料非磁滯磁化曲線的相關(guān)參數(shù): α=1.6*10^−3,Ms=1.5*10^-6A·m^-1,a = 1.6*10^3A·m^-1 。運用 MATLAB 程序模擬得到的非磁滯磁化曲線如圖 1 所示。
非磁滯磁化曲線模擬
2、動態(tài)磁滯回環(huán)的模擬
    J-A 理論認(rèn)為磁化強(qiáng)度 M 由不可逆分量和可逆分量兩部分組成:
式中,Mirr 表示不可逆分量,Mrev 表示可逆分量。Mirr 是由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的非連續(xù)而造成的磁疇閉合所引起的。Mrev是由于磁疇壁以彈性的方式彎曲所引起的。
    J-A 模型中,磁化強(qiáng)度不可逆分量 Mirr 可由下式計算
式中,δ 表示 dH/dt 的符號,取值為 1 或-1;k 為反映對磁疇運動的牽制作用的參數(shù);µ0為真空磁導(dǎo)率。
    可逆分量 Mrev 的計算公式為
式中,c 為磁疇可逆運動參數(shù)。結(jié)合式(4)~(6),可以得到 M 和 H 的函數(shù)關(guān)系式:
當(dāng)(Man-M)δ<0 時,式(7)可以簡化為
J-A 理論從磁疇運動理論出發(fā),更好的模擬了鐵磁材料的特性。確定相關(guān)參數(shù)后,利用四階龍格-庫塔法解微分方程(7),即可以得到 M 和 H 的關(guān)系曲線。綜合分析所選硅鋼片磁化數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)中對相關(guān)參數(shù)的計算方法后,取c=0.15,k =1.5×10-3,用 MATLAB 軟件計算得到的 M 和 H動態(tài)磁滯回環(huán)曲線如下:
M-H 磁滯回環(huán)族圖
利用公式(1),可以得到 B-H 磁滯回環(huán)族,如圖 3:
B-H 磁滯回環(huán)族圖
從圖 2 和圖 3 可以看出,J-A 磁化模型能很好的模擬鐵磁材料的磁化特性,并且較好的解決了磁化特性曲線模擬中光滑性和精確性之間存在矛盾的問題。下面做進(jìn)一步的分析和研究,將該模型推廣到開氣隙鐵芯磁化特性的模擬。

二、基于 J-A 理論的開氣隙鐵芯的磁化特性研究
    實際應(yīng)用與研究表明,為了提高電流互感器鐵芯抗飽和的能力,增大電流互感器的可靠測量范圍,有效的措施之一就是在鐵芯中增加適當(dāng)長度的氣隙。

1、鐵芯開氣隙電流互感器磁化特性的理論分析
    鐵芯開氣隙電流互感器的示意圖如圖 4 所示。lair 為磁路氣隙部分的長度。該長度往往只有磁路鐵芯長度的千分之幾,基于這一點可以作如下假設(shè):氣隙斷面平行且與磁力線方向垂直;氣隙邊緣磁力線不會凸出。這樣就可以認(rèn)為,氣隙中平均磁力線長度與其幾何設(shè)計長度 lair 相同,電流互感器氣隙磁路的截面積與鐵芯磁路的橫截面積 Sc 相同,鐵芯橫截面上的磁感應(yīng)強(qiáng)度 Biron 與氣隙橫截面上的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bair 也相等。
開氣隙鐵芯的示意圖
設(shè)鐵芯的平均磁路長度為 liron,鐵芯中磁場強(qiáng)度為 Hiron,氣隙中磁場強(qiáng)度為 Hair,則電流互感器折算到一匝時的勵磁電流為
氣隙中的磁場強(qiáng)度按公式Hair =B/ µ0 。取 Sc和 lair 的單位為 m2和 m,磁通密度以 T 為單位,磁場強(qiáng)度為 A/m,那么磁導(dǎo)率為µ =4π* 10^-7 H/m。開氣隙的互感器鐵芯的勵磁特性曲線可以等效為
式中, 稱為鐵芯的去磁系數(shù)。這樣就得到了鐵芯帶氣隙互感器的磁化曲線 H=F(B)。

2、基于 J-A 理論的開氣隙鐵芯的磁化特性模擬
    要模擬開氣隙鐵芯的磁化特性,實際上就是要模擬曲線H=F(B)的動態(tài)特性。由公式(11)表明了開氣隙鐵芯磁化曲線和閉合鐵芯磁化曲線的關(guān)系。H=F(B)的函數(shù)曲線可以通過曲線 Hiron= f (B)及直線 Hair=BNp 的橫坐標(biāo)相加得出的。這樣我們可以將基于 J-A 理論的閉合鐵芯的磁化模型引入到開氣隙鐵芯磁化性能的建模和模擬。聯(lián)立方程式(1)、(7)和(11)求解即可得到不同氣隙長度下的鐵芯動態(tài)磁化特性。
    令 λ =lair / liron ,當(dāng) λ=0.08 時,得到的模擬曲線如圖 5。通過對圖 5 中各圖的觀察和分析,容易看出,開氣隙后的鐵芯磁化特性有了明顯的改變。

    飽和特性:開氣隙互感器磁路的導(dǎo)磁系數(shù)要比閉合鐵芯導(dǎo)磁系數(shù)小,這樣鐵芯開氣隙后的飽和特性就得到明顯的改善。
    剩磁特性:剩磁是鐵磁材料的固有屬性,由于剩磁的存在,當(dāng)一次側(cè)流過較大的短路電流時,往往會使互感器鐵芯過早飽和,這對于互感器的實際運行是極為不利的。當(dāng)鐵芯開氣隙后,特別是隨著氣隙的增大,剩磁急劇減小。磁滯效應(yīng):磁滯也是鐵磁材料的固有屬性。即鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化總是滯后于它的磁場強(qiáng)度。從圖 5 可以看出,開氣隙后的鐵芯磁滯效應(yīng)明顯減弱。

開氣隙鐵芯的磁滯回環(huán)模擬

 




佛山市威博特鐵芯有限公司

聯(lián)系方式:

手機(jī):13928659706(胡總)

電話:0757-81001987

郵箱:275384174@qq.com

網(wǎng)址:m.flowspacepod.com

地址:佛山市南海區(qū)獅山鎮(zhèn)穆院村民委員會新譽(yù)洞村民小組后便坑(土名)自編2號