復(fù)雜工況下的電磁性能測(cè)量技術(shù)

譚超++李曉娟

摘 要

在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)一些磁性材料的電磁性能數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)誤差較大，為了確保材料的合理利用，本文結(jié)合雙愛(ài)潑斯坦方圈的加權(quán)測(cè)量法，對(duì)復(fù)雜工況下硅鋼片的電測(cè)性能進(jìn)行了測(cè)量，希望能夠?yàn)樽儔浩鞯蔫F心設(shè)計(jì)提供一些參考。

【關(guān)鍵詞】復(fù)雜工況 電磁性能 測(cè)量技術(shù)

變壓器作為電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其本身的性能直接關(guān)系著電力系統(tǒng)的運(yùn)行效果。在變壓器尤其是大型電力變壓器中，磁屏蔽和鐵心一般都是利用具備較高電磁性能的硅鋼片堆疊而成的，對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，必須準(zhǔn)確把握硅鋼片材料的電磁性能，才能夠保證變壓器的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。因此，做好復(fù)雜工況下材料的電磁性能測(cè)量非常必要。

1 測(cè)量方法原理

愛(ài)潑斯坦方圈是一種標(biāo)準(zhǔn)的勵(lì)磁機(jī)構(gòu)，通過(guò)與硅鋼測(cè)試儀的相互配合，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于各種硅鋼材料的磁特性測(cè)量，具有制作簡(jiǎn)單、不需要重復(fù)進(jìn)行勵(lì)磁繞組的繞制和測(cè)量等有點(diǎn)。目前，在國(guó)際和國(guó)內(nèi)的電工鋼片測(cè)量中，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的愛(ài)潑斯坦方圈為25cm方圈，有效的磁路長(zhǎng)度為0.94m。但是在實(shí)際操作中，方圈等效磁路的長(zhǎng)度并不總是等于0.94m，在復(fù)雜的測(cè)試條件下，容易受到許多因素的影響。

為了保證測(cè)量結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，這里提出了雙愛(ài)潑斯坦方圈加權(quán)測(cè)量方法，其基本原理如圖1所示。

兩個(gè)方圈在轉(zhuǎn)角位置搭接結(jié)構(gòu)中必須具備相同的磁通分布，小方圈的鐵軛略小于大方圈的鐵軛，通過(guò)分別在兩個(gè)方圈上進(jìn)行同樣試件電磁性能測(cè)試的方式，利用差值排除方圈損耗的不均勻區(qū)域，進(jìn)而得到方圈損耗均勻區(qū)域的有效磁路長(zhǎng)度。

2 可行性驗(yàn)證

為了對(duì)雙方圈法成立的前提條件，即兩個(gè)方圈在轉(zhuǎn)角位置搭接結(jié)構(gòu)中具備相同的磁通分布進(jìn)行驗(yàn)證，構(gòu)筑三維模型，一方面分析區(qū)域內(nèi)磁密分布的一致性，了解其實(shí)際分布情況，另一方面計(jì)算出磁密的大小，得到準(zhǔn)確有效的曲線走勢(shì)。

選擇Magnet V7.2 電磁仿真軟件進(jìn)行三維建模，以30q120硅鋼片為試驗(yàn)對(duì)象，雙搭接結(jié)構(gòu)，以愛(ài)潑斯坦方圈測(cè)得其頻率為50Hz，可以得到沿軋制方向的硅鋼片的磁化曲線圖。25cm方圈激勵(lì)繞組的總匝數(shù)為520，激勵(lì)電壓5.98V，17.5cm方圈激勵(lì)繞組總匝數(shù)為432，激勵(lì)電壓為4.92V，硅鋼片厚度為3×10-4m，從保護(hù)漆膜的設(shè)置以及搭接間隙方面考慮，當(dāng)疊片系數(shù)為0.97時(shí)，片間絕緣厚度為0.009mm，因此，實(shí)際建模過(guò)程中硅鋼片的厚度選擇為2.91×10-4m，選擇TEAM21銅線作為繞組材料，電導(dǎo)率為5.71×107S/m。

選擇轉(zhuǎn)角位置搭接區(qū)域的中部，在仿真模型中，沿z軸方向在第三片內(nèi)截取三個(gè)中線線段，得出線段上的磁密曲線。對(duì)其進(jìn)行分析，三個(gè)中線線段的大小以及走勢(shì)基本吻合，而且磁密大小和磁密分布也基本一致，這就證明了雙愛(ài)潑斯坦方圈加權(quán)法前提條件的有效性，也就是這種測(cè)量方法合理，具備實(shí)際操作的可行性。

3 結(jié)果分析

在上述試驗(yàn)中，適應(yīng)的硅鋼片樣本尺寸為30mm×300mm。為了確保電磁性能測(cè)量過(guò)程中電源的可靠性，這里選擇UPS電源。

以兩種方圈分別對(duì)硅鋼片樣本在不同頻率（50、150、300Hz等）下的磁化特性、損耗特性等進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)測(cè)量的還包括方圈的等效磁路長(zhǎng)度。

通過(guò)愛(ài)潑斯坦方圈加權(quán)法的測(cè)量，可以得到與軋制方向成不同角度的硅鋼片樣本在不同的工作頻率下等效磁路長(zhǎng)度的變化曲線，也可以得到相應(yīng)的比損耗曲線。對(duì)比損耗曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)伴隨著剪切方向以及軋制方向角度的增大，比損耗也在持續(xù)增大，不過(guò)雖然55°和90°取樣方向上的比總損耗值相比較0°取樣方向的高出40%以上，兩者本身的比總損耗值的大小卻基本一致，表明55°取樣方向的試樣在導(dǎo)磁性能上略低于其他角度的試樣。

結(jié)合愛(ài)潑斯坦方圈加權(quán)法，測(cè)量得到的2E（25-17.5）、E25兩種方法計(jì)算，可以得到不同工況下試樣中段的激勵(lì)伏安曲線，對(duì)其進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)采用標(biāo)準(zhǔn)愛(ài)潑斯坦方圈加法和雙愛(ài)潑斯坦方圈法測(cè)量得到的試驗(yàn)中段的激勵(lì)伏安數(shù)值基本相同，同時(shí)激勵(lì)伏安數(shù)值會(huì)隨著工作頻率的增大而逐漸增大。

4 結(jié)論

結(jié)合上述試驗(yàn)分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）25cm方圈包括了搭接區(qū)和均勻區(qū)，這兩個(gè)因素會(huì)直接因影響其本身的等效磁路長(zhǎng)度，因此該數(shù)值并不固定，會(huì)在工作頻率、軋制角度、溫度等因素的影響下，出現(xiàn)相應(yīng)的變化，想要利用這種方法對(duì)材料的電磁性能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，必須綜合考慮各方面的影響因素。

（2）從三維仿真結(jié)果可以看出，作為試樣的硅鋼片在E17.5、E20以及E25三個(gè)愛(ài)潑斯坦方圈搭接區(qū)域的磁密分布基本一致，磁密大小曲線也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的差異，表明了本身提出的雙愛(ài)潑斯坦方圈加權(quán)法在前提條件上基本符合實(shí)際情況，換言之，這種測(cè)量方法在實(shí)際應(yīng)用中也具備著較高的可行性。

（3）由雙愛(ài)潑斯坦方圈加權(quán)法，對(duì)不同工況下材料的電磁性能進(jìn)行測(cè)量，可以得到相對(duì)準(zhǔn)確和可靠的測(cè)量結(jié)果，這些結(jié)果對(duì)于電力變壓器鐵心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及綜合損耗系數(shù)評(píng)估具有較高的參考價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在電力變壓器的鐵心設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員必須采取切實(shí)有效的方法，做好取向硅鋼片電磁性能的測(cè)量工作，了解其在復(fù)雜工況下與標(biāo)準(zhǔn)工況下的電磁性能差異，確保設(shè)計(jì)的合理性，從而保證電力變壓器的性能問(wèn)題，推動(dòng)電力事業(yè)的健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院 湖北省宜昌市 443000

2.荊楚理工學(xué)院教育技術(shù)中心 湖北省荊門市 448000