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(shí)間：2019-03-30 15:01:08 瀏覽次數(shù)： 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(yùn)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(gè)互感器實(shí)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(shí)，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(shí)，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(yùn)用計(jì)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(jì)。
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(yùn)用計(jì)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(yùn)動理論之上，運(yùn)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。
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：
J-A 模型中，磁化強(qiáng)度不可逆分量 Mirr 可由下式計(jì)算
可逆分量 Mrev 的計(jì)算公式為
二、基于 J-A 理論的開氣隙鐵芯的磁化特性研究
實(shí)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(diǎn)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(jì)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。
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(shí)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(shí)，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(shí)，往往會使互感器鐵芯過早飽和，這對于互感器的實(shí)際運(yùn)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。
