剩磁系数测量方法

传统直流法

传统直流法的基本电路图如下图所示。其中 E为直流电源;Rct为电流互感器二次绕组直流电阻;U 为电流互感器二次端子两端电压;im为励磁电流;N1、N2分别为一次，二次绕组匝数。采用直流饱和法进行铁芯励磁特性的测量时，如下图 所示，电流互感器一次绕组开路，采用一直流电压对二次绕组进行充电，磁通测量值是在对励磁的绕组端电压减去与 Rct对应的附加电压后再进行积分得出的，运算关系式为

传统直流法测试前需要进行消磁，所以传统直流法无法测取初始磁通。并且当消磁不充分时，测取的剩磁系数具有误差。由 上面分析可得传统直流法无法测出初始磁通，并且当消磁不充分时，测取的剩磁系数有误差。在研究剩磁与误差的影响关系中，该方法作用受到限制。

新型直流法

针对传统直流法存在的问题，本文采用新型直流法，在国标中直流法的基础上增加反向充电到电流互感器饱和状态这一过程。在二次端子依次进行正向充电到电流互感器饱和状态、放电、反向充电到电流互感器饱和状态。测取这 3 个过程中二次端子电压以及励磁电流，经过运算得到正向充电过程、放电过程、反向充电过程的磁通变化量，再对这 3 个磁通变化量运算，可得到准确的初始磁通以及剩磁系数。

可见新型直流法通过增加反向充电这一过程，避免了每次测试前消磁，可以方便准确地测取初始磁通和剩磁系数。

比较

1)使用传统方法测试剩磁系数时，当消磁不充分时，电流互感器初始磁通不为 0，测取的剩磁系数较真实结果小 21%，则容易误判电流互感器的准确级别。

2)新型直流法通过增加反向充电这一过程，准确的测出初始磁通，标准差只有 0.000 076，测试过程随机误差小;减少测试前消磁这一过程，简化了测试过程，并且避免了由于消磁不充分带来的测量误差。通过实验对新型直流法进行了验证，实验结果和该方法的理论分析一致，验证了该方法的正确性和有效性。

3)通过实验验证了在剩磁影响下，电流互感器准确度发生了变化，比差和角差变大。

电流互感器剩磁系数就是电流互感器的铁芯材料在饱和磁化状态下的剩余磁感应强

度Br和最大磁感应强度Bm之比,即

由电磁测量理论可知,要铁芯剩磁系数实现其自动测试,必须解决下面三个问题。

(1)要有一个电流可调、方向可变的程控磁化电源,以替代原测试方法中的磁化回路;

(2)要有一个数字化的磁通侧量装置,以便在磁性材料的反复磁化过程中,自动测量侧

量线圈中磁通变化量;

(3)要有一个控制机构以协调滋化电源与磁通测量装置按程序工作。

电流互感器剩磁系数的测试在电流互感器的制造过程中占着重要地位,该测试是有暂态误差要求的各类互感器定型和出厂试验必不可少的项目之一。该试验的传统方法是利用磁电式磁通计先测出剩磁Br和饱和磁感应强度Bm,再按定义求出剩磁系数,这种测量方法的主要问题是精度低、速度慢、操作极不方便。近年来,随着高电压等级的大型电流互感器的相继问世,传统的测量方法已显得无能为力.在数字测量技术、单片机技术高速发展的今天,剩磁系数的测量数字化、智能化、自动化已是个急待解决的问题。以波形变换、实时校准的测量原理为依据,利用先进的数字技术、单片机协调控制技术研制开发了电流互感器剩磁系数自动测试系统。

GB 16847-1997《保护用电流互感器暂态特性技术要求》规定，TPY级电流互感器剩磁系数应<10%。可见剩磁系数的测试在电流互感器的制造过程中占有重要地位，该参数是有暂态误差要求的各类互感器定型和出厂试验必不可少的。 国内对国标中规定的直流法测剩磁系数进行了相关研究:①对直流法测试电路进行改进，如利用全桥电路作为转换开关，减少了开关抖动带来的测量误差;积分电路的所有电子元件校正到相当的准确度;放电电阻增加旁路开关，保护放电电阻;②直流法测试过程进行优化，如电源提供的最大励磁电流应是额定电流的5倍以上时,可以在较短时间达到所要求的励磁电流限值;③磁通实现数字化测量, 并用高准确度的标准磁通对磁通的数字化测量环节进行实时定标与校准，增加测量准确度。

3.1.实验装置与样品

实验采用自制的剩磁系数测量仪，为了减少外界的电磁干扰，仪器测试箱采用金属壳体，增加接触点面积，并在仪器箱缝隙处使用电磁密封衬垫，减小仪器箱缝隙。上位机采用工业平板电脑，采集卡与上位机连接使用屏蔽电缆，具有良好的抗干扰能力。测试电路如 5 所示。其中 E 为直流电源;R1为限流电阻;Rd为放电电阻;Rsh为取样电阻;Rct为电流互感器二次绕组直流电阻。CH1 通道测试电流互感器二次端子两端电压，CH2 通道测试 Rsh两端电压来测取励磁电流。 电源 E 为锂电池，其稳定输出电压为 24 V，最大输出电流为 10 A，保护电流为 20 A。R1限制回路中电流，防止电流互感器两端电压过大，采用 0~25 Ω 电位器，功率为 100 W。Rd主要作用为在切断直流电源后，构成放电回路，为二次绕组放电电流提供途径，选取1 Ω/200 W的电阻。Rsh选取0.5 Ω /50 W 的电阻，可避免回路阻值过大，电池消耗过快。

3.2.实验过程

整个实验分为 3 部分，首先通过测取充磁前后互感器的基本准确度验证剩磁影响电流互感器的准确度。然后使用新型直流法测量剩磁系数。在消磁不充分的情况下，使用传统直流法测量剩磁系数，并与新型直流法测取结果对比分析。

3.2.1.剩磁影响电流互感器准确度

1)选择变比为 3 000:5，准确等级 0.5 级的电流互感器对互感器进行消磁，完全消磁后使用互感器校验仪测取电流互感器的基本准确度。

2)对互感器进行充磁使电流互感器具有剩磁，使用互感器校验仪测取电流互感器的基本准确度。

3.2.2.新型直流法测量剩磁参数

1)正向充电到饱和状态。启动测试后,初始时刻为 t0。充电过程中采集励磁电流 im与二次端子电压 U。在充电过程中，当励磁电流稳定不变时，此时时刻为 t1, 电流互感器二次侧电流值为 I1，电压值为 U1。二次绕组直流电阻阻值Rct为(换算为75 ℃下阻值)

式中 θ 为当时的环境温度。 当磁通量稳定不变时，上位机系统判断已到充电饱和状态，此时时刻为 t2，正向充电过程中的磁通变化量为

2)放电过程。放电过程中采集 im与 U。当电流值为 0 时，上位机系统判断放电完成, 此时时刻为 t3，放电过程中的磁通变化量为 ，然后开始反向充电 。

3)反向充电到饱和状态。充电过程中采集 im与 U。当磁通量稳定不变时，上位机系统判断已到充电饱和状态，此时时刻为 t4，求得反向充电过程中的磁通变化量为

然后开始放电。

4)放电过程。当电流值为 0 时，上位机系统判断放电完成，断开电路，剩磁测量过程结束 。

3.2.3 传统直流法测量剩磁参数

对电流互感器进行不完全消磁，使用国标中规定的直流法测取剩磁系数，观察对比与新型直流法测取的剩磁系数 。

剩磁系数测量范围:0~99.99%

剩磁系数测量精度:2%

结果输出:4位LED显示

磁化电流:0~5A

额定负载下磁化电流纹波系数:<1%

磁通的数字化测量装置是剩磁系数自动测试系统的核心,它是否稳定、精确直接影响整个侧试系统的性能指标。在此须解决两个间魔,首先是磁化电流的变化率大小影响滋通的侧t。从理论上讲,在电流变化量值定时,铁心中的磁通变化量是一常数,而与电流变化率无关。但是变化率太小,若变化率太大,则会因感应电压过高而使前置放大器饱和失真而产生误差。其次,前里放大器、V/F变换器及电子元器件的性能参数随时间、温度变化会引起测量

环节传翰增益的变化而产生误差 。

波形变换原理

磁化电流变化率大小对测量的影响可以用波形变换法来解决.波形变换法就是以线性系统的输出脉冲和输入脉冲的面积之比等于其直流传翰系数而与脉冲形状无关为理论依据,让感应电压脉冲通过RC线性网络变换后再进入V/F变换器 。

根据上述测量原理和结构框图所研制的电流互感器的剩磁系数自动测试系统已在西安高压开关厂投入使用,通过现场测试,结果表明本系统设计合理、工作可靠、精度高、重复性好、具有较强的抗干扰能力,完全符合工业测试标准的要求 。

以波形变换、实时校准新颖的侧量方法为基础,利用先进MCS-51型单片机的协调控制以及计算技术所构成的自动侧试系统比较好地解决了大铁芯的自动磁锻、测量及电子磁通计的积分漂移等问题,实现了电流互感器剩磁系数的自动的、数字化的、高精度测试 。

CT稳态、暂态测试:

1、伏安特性测试

2、变比测试

3、极性判别

4、5%和10%误差曲线

5、退磁

6、拐点计算

7、一次通流

8、相位测量(角差)

9、比差测量

10、二次绕组电阻测量

11、二次实际负荷测量

12、铁心退磁

13、准确限值系数

14、仪表保安系数

15、二次时间常数

16、剩磁系数

17、饱和及不饱和电感

编辑

CT稳态、暂态测试:

1、伏安特性测试

2、变比测试

3、极性判别

4、5%和10%误差曲线

5、退磁

6、拐点计算

7、一次通流

8、相位测量(角差)

9、比差测量

10、二次绕组电阻测量

11、二次实际负荷测量

12、铁心退磁

13、准确限值系数

14、仪表保安系数

15、二次时间常数

16、剩磁系数

17、饱和及不饱和电感