具有局部非磁性气隙的电流互感器铁心磁化特性的计算.pdf

具有局部非磁性气隙的电流互感器铁心磁化特性的计算〔苏〕H.B.Bop等,‘,习‘, 奋甲喇‘ , 、‘,‘ ,‘,J, 卜司 ‘月沪‘ ,资,去,‘ ,‘,‘ ,‘,备,去,备,司‘,,‘,‘,‘,‘,‘,‘ 甲‘ ,‘,‘ ,‘,‘甲‘ , ‘ ,‘ 甲心,‘ , 心月卜‘ 月卜‘今‘‘本文对以切口和开 孔形式形成局部非磁性气隙的铁心的电流互感器,建立了一种计算其稳定状态下的磁化特性 曲线 的工程计算法此特性曲线是计算 电流互感器的额定极限倍数所必须的,文中描述了计算公 式,列举了计算实例‘ ,刁‘,‘, ‘ ,‘ ,‘,‘,‘,‘,‘,‘,喇 ‘,心,‘,‘门 卜.宁毒,占,‘,去,‘,‘,‘,魂.,奋,奋 ,‘ ,‘ ,‘,奋,‘,‘,刁‘,‘,‘ ,‘,‘.‘,‘工业部门生产的支持式电流互 感器,有五个绕组,以实现不同的作用其 中四个作为继电保护、自动化仪器和装置的 供电 电源,而且都应在交流输电线路的稳定状态和过 渡状态下工作四个绕组中有一个是供测 量 电流 用的,在稳定工作状态下具有较高的准确度(测 量误差为0.2~0.5% )此外,当线路在过渡状态下工作时,还要求这个绕组保证能有足够的准确度以变换一次 电流的周期性分量。

为满足上述要求,电流互感器的铁心应制成具有局部非磁性气隙的铁心 (图2、3 )当铁心的切口区或开孔区(图2、3中的A区)的连接部分未饱和时,应能保证 电流互感器在稳定工作状态下高度准确地变换一次电流,而在饱和以后,非磁性气隙起主要影响,保证在过渡状态下变换一 次 电流 周期性分量的准确度在超过额定电流的稳定状态中,上 述铁心的等值磁化特性曲 线Bm二f(Hd)的形状如图1所示 此特性曲线是计算电流互感器的额定极限倍数所必须的文献,1所介绍的按特性曲线Bm=f(Hd)计‘算 法不 适用于图2和图3所示的铁心的设计,因为其中所引用的计算磁通扩散系数的实验关系曲线没有包括铁心几何尺寸的各种范围,因而 不能推广到以切口形式构成的局部非磁性气隙的铁心本文的目的是要建立一种计算具有局部非磁性气隙的电流互感器铁心在稳定状态下的磁化特性的工程计算法特 性 曲 线Bm二f(Hd) 应该这样计算,其 中磁感应Bm由中部D区(图2、3 )确定,而Hd则是沿铁心全长 的整个磁化力‘(A区和D区)与铁心平均长度之比计算的磁化特性曲线 为三个区段(图l),其 中各段具有如下特点.B,,、,T_l~ 于 I,A/111图l铁心的磁化曲线1一无气隙环形卷 铁心(原始的)的Bm=f(H)曲找,2一有局部非磁性气晾铁心的Bm”f(Hd)曲线.1-保证 电流互感器在高准确度下工作 的曲线区 段,I 一电流互感器的线性工作区段(铁心的A区饱和),I一非线性工作区段(铁心的D区饱和)一32一林. A 区b区D区i)区A淤,区D区A图2开孔形成的局部非磁性气隙铁心DH、DB、hw e铁心的 外径、内径 和高 度,d。

一孔径,A区一开孔区《铁心的窄部》,D区一铁心的宽部区段I一A区和D区中的磁感应小于饱和磁感应B此时磁化特性 曲线接近于原始 曲线(对于无气隙铁心而言),以保证电流互感器在额定状态下的准确度(0 .2~5级);区段I一D区的磁感应小于BA区的磁感应超过B区段 1一D区和A区的磁感 应都超过B:本文作出如下假定:1.对于用来制造电流互感器的一些牌号的硅钢片,取饱和磁感应B:二2.014T;2.A区饱和以后,其 中的磁感应按照B二B十凡H的规律变化,3.认为D区的 磁 通不变化;4在计算区段I(图1)的磁化特性曲线时,取扩散系数等于1,而对于区段I,则按文献2的方法计算具有以切口形式 形 成的局部非 磁 性气隙的铁心,特性曲 线Bm=f(Hd)的第1区段由转弯点的磁感应Bh所限定,亦即由D区的磁感应所限定在这一点上,局部气隙区(A区)中铁心的铁磁体部分饱和,磁 通 开始沿非磁性气隙闭合转弯点的磁感应这样确定:’图3切口形成的局部非磁性气隙铁心lq一非磁性气除长度.hn、hH一、hHZ一切口离度口高度(当沿铁心高度有两个相对 的 切口时,按切口的总高度计算,hH=hH,+l iH:)对于Bm簇Bh区的磁感应,等值磁场强度的有功 和无 功 分量按下式计算H。

一Hp场丝些D+_ 万A妙a s inlp恤一(2)Hp-Hnloeo s甲n+HAlq n q e o s切A1p(3)式 中,HD、HA一铁心D区和A区磁场强度的有效值,A/m;切D、中A一铁心D区和A区的损耗角,lq一非磁性气隙 长 度,m,、一沿铁心平均长度上的非磁性气隙数(或者是气隙的对数),1二lp一lq nq,铁磁体 部分的平均长,m在这种情况下,可认为铁心A区中 的磁通只通过铁磁体,磁场强度HD和HA按原始磁化曲线(图1中的曲线1)求得其中,HD一 按给定值Bm二BmD簇Bh求得,而H人一按由下式所得的磁感应Bm A求得B:nA=Bmo一hh一hrl(4)Bxn二Bn=Bs一h一hHh(1)式中,Bm一铁心D区磁 感应的幅值,hH一切等值磁场强度Hd=侧丽承下一而一(5)铁心等值损耗角切d “tg一 ‘(Ha/Hp)(6)对于区段I 和区段l的磁 化特性曲线,考虑到在A区磁通通过两个并联的路径:铁一33一磁体和空气隙,A区内磁场强度的无功分量由下式计算Hp A(必一人)l砰q l,(卫琴压)嘛侧补A乙二〔Bm一Bh一hH)/n〕lq nqIP丙侧万kA(Bm一Bh)lqn qlp丙召了k^0。

705()300()500011,A川 式中,kA一A区磁通扩散系数,功、功A一铁心未切口部分(D区 )和切口部分(A区)磁通的幅值对于在Bm>Bh区的磁感应,此 时 等值磁场强度的有功和无功分量按相应的公式计算HHosin甲7)图4具有局部非磁性气隙铁心的磁化特性曲线1一原 始的Bm二f(H).2一带 切口铁心的(D班/DB/h=o3 oe/o7 0,hq二008 ‘-lq=o一0 04,n q,2),3一带开孔铁心的(D一/Da/h二05 0 7/0228/07 0,d o=00147 5-n=3m二2):xxx一计算点H一班人卿··i氢一丁Hp=(Bm一Hh)十一-一- - .一一,一 犷2召o1PHDIeos甲D+H^doeo s中A(1 1) 1,(8)式中,k*一气隙i的磁通扩散系数对于磁化特性 曲线的区段I,k、=1而对于区段I,存在磁通扩散,如同具有整个非磁性气隙一样,按文献〔2〕的方法计算扩散系数,等值磁场强度和等值损耗角相应地按公式(5)和(6)确定具有以开 孔形式形成的局部非磁性气隙的铁心,对于区段I,磁化特性曲线转弯点的磁感应幅值式 中,m一孔的纵向行数(图2中m=4),l。

IP一dom磁场强度HD和HA与以切口形式形成的部分气 隙铁心一样的方法确定,此时Bm^=BmDh (h一don o)kh(12)等值磁场强度和损耗角相应地按公式(5) 和(6)计算对于 区段I 和 l,磁化特性曲线和损耗角的计算以及此时所取的条件,与计算切口铁心时所取的条件和计算方法相似,区别仅在于确定等值磁场强度的公式,其形式为Bm=Bh=B一(h一don)khl i(9)HP=HDloeos仇 lP(Bm一Bh) 十一万只于一, 犷艺召oiP式 中,d o一孔径,m;n o一在同一行中的孔数(图2中n2),kh=1.1 1一考虑 到在开孔区(A区)铁心截面不相等的系 数(由实验确定)对于在Bm簇Bh区的磁感应,等值磁场强度的有功和无功分量dozk一ki(13),土m艺=XH a =一哑吻卫几丛她丛-(10)式中,k:二2.0一实验所得的系数,实际上是考虑到由于孔壁的弯曲,孔中磁通的闭合路径要小于公式(13 )中所取的d按上述方法计算了许多带切口和开孔的铁心的Bm=f(Hd)曲线,(下转第18页)一34一其他组部件,如储油 柜、开关、测温计、活门等与电力变压 器所用的相同,此处不再赘述。

七、我国电炉变压 器的发展趋势1.向大容量、超高功率方 向发展随着电弧炉向大容量、超高功率方向发展,应加强对变压器杂散损耗的研究虽然超高功率的优点很多,但短期内我 国超高功率电炉的发展还有许多待研究解决的问题其主要的是:补偿功率因数和 电压 闪变装置的研制;大 电流回路的平衡设计,电极性能的改善;烟尘和嗓声的消除等预计我国电炉变压器容量近期内仍在幼MVA以下对2 5~5 0MVA三相矿热炉变压器,为降低 短网感抗,提高输出功率,有用单相变压器组的趋势一次电压以3 5kV为主,有极少数用户要求11okV直降式由于供电质量、炉料等的差异,非标准产品仍占较大比重向低阵扰方 向发展研究表明,如果炉子电路电抗减少,对一定的外加视在功率,可以获得较低的电弧电压和较大的电极电流如欲供给炉子尽可粗大的电功率,首先变压器的电抗要 低到2.5~5%此时,变压 器要采取承受电压冲击的保护措施,二次绕组要设有过电压抑制器,否则多数变压器将因经受不住 电压冲击而损坏为获得低阻抗,壳式铁心结构将会被重视起来心式结构变压 器并联对电弧电压的功率输入所起的有益作用,和采用价值较高的低阻抗变压 器是相同的国内某些 电石炉变压器的并联实践充分证明了这一点。

3.向低 损耗方 向发展降低变压器的损耗不仅符合节能 的方针,而且也能提高变压器的过载能力变压器除了采用新导体材料和降低电流密度外,还要加强新结构和杂散磁场的研 究,尽量减少大电流导体的长度和各部分的涡流损耗4.增加运 行的可靠性电炉变压器是电能集中的用户,必须对其电气和机械强度给予较大的裕度,设计不当或制造不良就会使正在冶炼的炉子停顿,将造成巨大的经济损失5.改善附件品质,给予用户 足够的备 件变压 器附件的质量亦成为用户关注的焦点之一由于附件的损坏使变压器退出运行已不鲜见,如油、水混合即是一例除非水冷却器的质量有令人满意的保证,否则风冷却器将逐渐取代它有载分接开关的寿命和质量也有待提高附件制造厂今后将 向高质量专业化发展向 成套性发展制造厂在生产电炉变压器的同时,还要提供功率因数补偿器、电压闪变装置和过电压抑制器等,使产品能成套出厂心),‘),‘).心),‘).心),月〕.心, .《,月),心J.《,‘,.月〕.《,《,‘〕.《,‘,,魂,,心,,理),‘),司),月j .‘〕,减;.‘,《,‘).‘,.《,《,‘〕.月〕.‘,‘,心).《卜(上接第3 4页)证明了这些曲线都与实验数据很 好地相一致,以磁场强度而言最大误差为士20%。

作为例子,图4对两种铁心的Bm二f(Hd)曲线作出了比较这两种铁心都是由3 404号硅钢片制成的根据所列 出的方法,编出了电子计算机 计算Bm=f(Hd)曲线的程序为正确设计电流互感器,在额定极限倍数下,铁心磁化特性曲线不应进入I区本方法可作为计算电流互感器误差和在工 厂中检验铁心时计算极限励磁电流时的一个组成部分参考文献〔略〕原载苏联( (3泥e K TpOT e xHH盆a》,19 85,摊7一25一27肖粗荣译。