鐵芯開(kāi)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(kāi)氣隙電流互感器在繼電保護(hù)系統(tǒng)中越來(lái)越廣泛的運(yùn)用，但對(duì)其暫態(tài)特性的研究卻很少涉及。利用 J-A 模型對(duì)開(kāi)氣隙互感器鐵芯的動(dòng)態(tài)磁滯回環(huán)進(jìn)行模擬，并對(duì)其磁化特性進(jìn)行研究。建立了鐵芯開(kāi)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(duì)互感器特性的影響。
電流互感器（簡(jiǎn)稱(chēng) TA）是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，其性能對(duì)于電網(wǎng)的參數(shù)測(cè)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(jí)的提高，系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流會(huì)很大，有些情況下短路電流會(huì)達(dá)到 TA 額定工作電流的上百倍。如此大的電流經(jīng)過(guò)閉合鐵芯的 TA 時(shí)，使得 TA 嚴(yán)重飽和，造成系統(tǒng)的拒動(dòng)或誤動(dòng)。為了解決這一問(wèn)題，近年來(lái)出現(xiàn)了鐵芯開(kāi)氣隙 TA，開(kāi)氣隙的 TA 能保證在穩(wěn)定狀態(tài)及過(guò)渡狀態(tài)中誤差都在繼電保護(hù)裝置允許的范圍內(nèi)。對(duì)開(kāi)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(guò)研究其暫態(tài)過(guò)程，可以找到鐵芯開(kāi)氣隙互感器的規(guī)律，從而指導(dǎo)開(kāi)氣隙互感器的設(shè)計(jì)。
目前, 國(guó)內(nèi)也在大量生產(chǎn)和應(yīng)用鐵芯開(kāi)氣隙的 TA。但是對(duì)于開(kāi)氣隙 TA 的暫態(tài)過(guò)程研究還有待深入，本文正是基于 J-A 理論和鐵芯開(kāi)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(xiàn)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(guò)程，通過(guò)仿真對(duì)比，得到了開(kāi)氣隙互感器特性以及氣隙大小對(duì)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(dòng)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(chǎng)強(qiáng)度 H 的關(guān)系，建立了電流互感器鐵芯的動(dòng)態(tài)磁化模型。
1、非磁滯磁化特性曲線(xiàn)的模擬
鐵磁材料的磁化規(guī)律嚴(yán)格來(lái)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(shuō)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?jī)刹糠纸M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(kāi)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(cè)量范圍，有效的措施之一就是在鐵芯中增加適當(dāng)長(zhǎng)度的氣隙。
1、鐵芯開(kāi)氣隙電流互感器磁化特性的理論分析
鐵芯開(kāi)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(zhǎng)度。該長(zhǎng)度往往只有磁路鐵芯長(zhǎng)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(xiàn)方向垂直；氣隙邊緣磁力線(xiàn)不會(huì)凸出。這樣就可以認(rèn)為，氣隙中平均磁力線(xiàn)長(zhǎng)度與其幾何設(shè)計(jì)長(zhǎng)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(chēng)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(xiàn) H=F(B)。2、基于 J-A 理論的開(kāi)氣隙鐵芯的磁化特性模擬
要模擬開(kāi)氣隙鐵芯的磁化特性，實(shí)際上就是要模擬曲線(xiàn)H=F(B)的動(dòng)態(tài)特性。由公式(11)表明了開(kāi)氣隙鐵芯磁化曲線(xiàn)和閉合鐵芯磁化曲線(xiàn)的關(guān)系。H=F(B)的函數(shù)曲線(xiàn)可以通過(guò)曲線(xiàn) Hiron= f (B)及直線(xiàn) 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(kāi)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(zhǎng)度下的鐵芯動(dòng)態(tài)磁化特性。
令 λ =lair / liron ，當(dāng) λ=0.08 時(shí)，得到的模擬曲線(xiàn)如圖 5。通過(guò)對(duì)圖 5 中各圖的觀(guān)察和分析，容易看出，開(kāi)氣隙后的鐵芯磁化特性有了明顯的改變。
飽和特性：開(kāi)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(kāi)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(guò)較大的短路電流時(shí)，往往會(huì)使互感器鐵芯過(guò)早飽和，這對(duì)于互感器的實(shí)際運(yùn)行是極為不利的。當(dāng)鐵芯開(kāi)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(chǎng)強(qiáng)度。從圖 5 可以看出，開(kāi)氣隙后的鐵芯磁滯效應(yīng)明顯減弱。
