复杂工况下的电磁性能测量技术

谭超++李晓娟

摘 要

在实际应用中，发现一些磁性材料的电磁性能数据和实际数据误差较大，为了确保材料的合理利用，本文结合双爱泼斯坦方圈的加权测量法，对复杂工况下硅钢片的电测性能进行了测量，希望能够为变压器的铁心设计提供一些参考。

【关键词】复杂工况 电磁性能 测量技术

变压器作为电力系统中的关键设备，其本身的性能直接关系着电力系统的运行效果。在变压器尤其是大型电力变压器中，磁屏蔽和铁心一般都是利用具备较高电磁性能的硅钢片堆叠而成的，对于设计人员而言，必须准确把握硅钢片材料的电磁性能，才能够保证变压器的稳定可靠运行。因此，做好复杂工况下材料的电磁性能测量非常必要。

1 测量方法原理

爱泼斯坦方圈是一种标准的励磁机构，通过与硅钢测试仪的相互配合，能够实现对于各种硅钢材料的磁特性测量，具有制作简单、不需要重复进行励磁绕组的绕制和测量等有点。目前，在国际和国内的电工钢片测量中，规定标准的爱泼斯坦方圈为25cm方圈，有效的磁路长度为0.94m。但是在实际操作中，方圈等效磁路的长度并不总是等于0.94m，在复杂的测试条件下，容易受到许多因素的影响。

为了保证测量结果的可靠性和准确性，这里提出了双爱泼斯坦方圈加权测量方法，其基本原理如图1所示。

两个方圈在转角位置搭接结构中必须具备相同的磁通分布，小方圈的铁轭略小于大方圈的铁轭，通过分别在两个方圈上进行同样试件电磁性能测试的方式，利用差值排除方圈损耗的不均匀区域，进而得到方圈损耗均匀区域的有效磁路长度。

2 可行性验证

为了对双方圈法成立的前提条件，即两个方圈在转角位置搭接结构中具备相同的磁通分布进行验证，构筑三维模型，一方面分析区域内磁密分布的一致性，了解其实际分布情况，另一方面计算出磁密的大小，得到准确有效的曲线走势。

选择Magnet V7.2 电磁仿真软件进行三维建模，以30q120硅钢片为试验对象，双搭接结构，以爱泼斯坦方圈测得其频率为50Hz，可以得到沿轧制方向的硅钢片的磁化曲线图。25cm方圈激励绕组的总匝数为520，激励电压5.98V，17.5cm方圈激励绕组总匝数为432，激励电压为4.92V，硅钢片厚度为3×10-4m，从保护漆膜的设置以及搭接间隙方面考虑，当叠片系数为0.97时，片间绝缘厚度为0.009mm，因此，实际建模过程中硅钢片的厚度选择为2.91×10-4m，选择TEAM21铜线作为绕组材料，电导率为5.71×107S/m。

选择转角位置搭接区域的中部，在仿真模型中，沿z轴方向在第三片内截取三个中线线段，得出线段上的磁密曲线。对其进行分析，三个中线线段的大小以及走势基本吻合，而且磁密大小和磁密分布也基本一致，这就证明了双爱泼斯坦方圈加权法前提条件的有效性，也就是这种测量方法合理，具备实际操作的可行性。

3 结果分析

在上述试验中，适应的硅钢片样本尺寸为30mm×300mm。为了确保电磁性能测量过程中电源的可靠性，这里选择UPS电源。

以两种方圈分别对硅钢片样本在不同频率（50、150、300Hz等）下的磁化特性、损耗特性等进行测量，同时测量的还包括方圈的等效磁路长度。

通过爱泼斯坦方圈加权法的测量，可以得到与轧制方向成不同角度的硅钢片样本在不同的工作频率下等效磁路长度的变化曲线，也可以得到相应的比损耗曲线。对比损耗曲线进行分析，发现伴随着剪切方向以及轧制方向角度的增大，比损耗也在持续增大，不过虽然55°和90°取样方向上的比总损耗值相比较0°取样方向的高出40%以上，两者本身的比总损耗值的大小却基本一致，表明55°取样方向的试样在导磁性能上略低于其他角度的试样。

结合爱泼斯坦方圈加权法，测量得到的2E（25-17.5）、E25两种方法计算，可以得到不同工况下试样中段的激励伏安曲线，对其进行分析，发现采用标准爱泼斯坦方圈加法和双爱泼斯坦方圈法测量得到的试验中段的激励伏安数值基本相同，同时激励伏安数值会随着工作频率的增大而逐渐增大。

4 结论

结合上述试验分析，可以得出以下结论：

（1）25cm方圈包括了搭接区和均匀区，这两个因素会直接因影响其本身的等效磁路长度，因此该数值并不固定，会在工作频率、轧制角度、温度等因素的影响下，出现相应的变化，想要利用这种方法对材料的电磁性能进行准确测量，必须综合考虑各方面的影响因素。

（2）从三维仿真结果可以看出，作为试样的硅钢片在E17.5、E20以及E25三个爱泼斯坦方圈搭接区域的磁密分布基本一致，磁密大小曲线也没有出现明显的差异，表明了本身提出的双爱泼斯坦方圈加权法在前提条件上基本符合实际情况，换言之，这种测量方法在实际应用中也具备着较高的可行性。

（3）由双爱泼斯坦方圈加权法，对不同工况下材料的电磁性能进行测量，可以得到相对准确和可靠的测量结果，这些结果对于电力变压器铁心的结构设计以及综合损耗系数评估具有较高的参考价值。

5 结语

总而言之，在电力变压器的铁心设计中，设计人员必须采取切实有效的方法，做好取向硅钢片电磁性能的测量工作，了解其在复杂工况下与标准工况下的电磁性能差异，确保设计的合理性，从而保证电力变压器的性能问题，推动电力事业的健康发展。

参考文献

[1]李健.主动式电磁扫描检测技术及其信号处理方法研究[D].上海：华东交通大学，2013.

[2]孔庆奕，程志光，李悦宁.复杂工况下的电磁性能测量技术[J].黑龙江电力，2014，36（03）：244-248.

[3]王辉.变压器铁心材料电磁性能的测量与模拟研究[D].北京：北京交通大学，2010.

作者单位

1.三峡大学电气与新能源学院 湖北省宜昌市 443000

2.荆楚理工学院教育技术中心 湖北省荆门市 448000