CN102985838A - 用于检测磁芯中的磁特征参量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于检测被磁通量穿过的磁芯（2）的片段（L1）中的磁特征参量、尤其是磁场强度（H1）的方法，其中磁芯（2）的磁通量的一部分（18）被分叉并且至少分段地在磁旁路部分（7）中被引导，其中旁路部分（7）的磁材料不饱和，并且其中借助于传感器设备和分析设备（8，10）从磁通量的分叉部分（18）或者由此导出的参量中确定磁特征参量（H1）。

Description

用于检测磁芯中的磁特征参量的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于检测被磁通穿过的磁芯的片段中的磁特征参量、尤其是磁场强度的方法和装置。

背景技术

在例如用在配电网络中的电变压器的情况下，可能由于强化地使用了功率电子组件——例如结合电驱动器或无功功率补偿设备使用的功率电子组件——而产生在电网方面应被看成是直流电流的电流分量。尽管该直流电流或“DC分量”大多仅仅为变压器标称电流的千分之几，但是在变压器的磁芯中造成与交流通量叠加的直流通量。

也由于所谓的“地磁感应电流”（GIC）而可能在变压器磁芯中导致形成直流通量分量。

现代磁芯材料具有非常高的磁导率，并且磁芯以阶梯接缝式层方法（Step-Lap-Schichtverfahren）生成。由此，变压器磁芯具有非常高的磁导率，并且变压器磁芯的磁材料通常以高利用率运行，这使变压器相对于直流场特别敏感。

已经缓和的直流电流安培线圈可在操控BH特征曲线时造成这样的不对称性，使得通量密度分别在半周期中靠近磁芯材料的饱和通量密度。磁化电流由此不再是正弦形的，而是畸变的。磁芯中和电绕组中的温度提高。在运行中，出现提高的噪声生成，这尤其是在变压器应当安装在居住区附近时是不利的。

为了减小变压器中的运行噪声，在DE 40 21 860 C 2中提出了一种变压器处的噪声测量。根据变压器的噪声，直流发电机向变压器的补偿绕组中馈送补偿电流，使得减小运行噪声。但是该噪声测量是高成本的和容易发生故障的。

原则上，也可以在功率变压器的情况下通过如下方式确定通过电流转换器的直流通量分量：测量在初级绕组和次级绕组中流动的电流，并且从测量信号中滤出与磁芯中的直流磁通量相关的偶次谐波的分量。但是在此不利的是，必须在高电压电势的区域中安装电流转换器，这在高绝缘成本的情形下是昂贵的。

另一可能性在于，通过确定电压信号中的偶次谐波的谱分量来滤出直流场分量。但是偶次谐波的幅度与电网频率的基本振荡相比仅仅处于千分之几范围中，这使测量数据处理变得成本高。

此外，在这样的测量系统的可靠性方面得出特别的要求，因为功率变压器始终是为非常长的运行时期设计的并且寻求非常小的维护成本。不言而喻，用于检测直流分量的测量系统应当使磁芯以及电绕组和其他磁组件的设计尽可能地不受影响。

PCT/EP2007/055728描述了一种具有直流通量补偿的变压器，其中根据磁场测量的尺度（Maßgabe）来预先给定补偿电流，使得减小直流分量。借助于布置在变压器磁芯处的传感器线圈来测量磁场。该测量线圈是可靠的，但是对测量信号的处理由于传感器信号的信号微弱性一方面需要用于信号调节的非常高成本的硬件部件，并且此外需要非常复杂的信号处理算法。

但是迄今为止还未公知在所有方面都令人满意的磁芯中直流分量的检测。

发明内容

本发明的任务是提供一种方案，该方案使得能够以尽可能简单的方式可靠地检测非对称的磁芯调制（Kernaussteuerung）。

该任务对于方法而言利用权利要求1的特征来解决并且对于装置而言利用权利要求10的特征来解决。本发明的有利的扩展方案在分别从属的权利要求中定义。

本发明在检测引起磁材料的非对称调制的物理参量方面采取新途径。根据本发明，使用一种传感器设备，其根据“磁旁路”的方式工作：借助于铁磁旁路部分，主磁通量的一部分在变压器磁芯处分叉并且再次向下游输送。从该分叉的并且在旁路中被引导到磁芯的通量分量中要么直接地确定、要么间接地从由此导出的物理参量中确定在由旁路支路跨接的磁芯片段中的磁场强度。通过对磁场强度（下面也称为磁激励）的检测，得出一系列优点。一方面，为了确定软磁磁芯中的直流场分量所需的信号技术成本减小，因为公知的是，在变压器磁芯中开始饱和时，漏磁通的分量升高。也就是说，在磁芯（测量对象）的磁材料在由旁路部分（传感器）跨接的区域中由于不对称性而处于饱和的每个半周期中，由于旁路部分的由原理造成的显著更高的磁饱和极限，在旁路支路中引导的通量分量相对于测量对象中的主通量提高。换言之，根据本发明认识到技术效果的如下优点，即对于检测磁芯片段中的磁特征参量有利的是，旁路支路即使在被旁路部分（传感器）跨接的磁芯（测量对象）片段的区域中强烈磁饱和的情况下本身仍然不显示出磁饱和效应并且是“磁阻”，也就是，磁旁路的有效磁导率基本上不受测量对象的饱和情况的影响，并且保持恒定。该效果可以以不同方式来实现。

在根据本发明方法的一个优选扩展方案中，分叉的磁通量通过至少一个非铁磁缝隙（在下面为清楚起见亦称“气隙”）来引导。由此可能的是，提高磁饱和极限并且此外展开对整个旁路支路的有效磁导率以及由此对测量精确度的线性化作用。结果实现了，即使在磁芯强烈磁饱和的情况下，旁路部分的磁材料仍然总是不具有磁饱和效应，并且该分叉的磁通量分量与测量对象的所监视区域的磁激励成正比。

在另一优选的实施方式中可以规定：通过其引导磁通量的分叉部分的旁路支路具有比软磁磁芯材料的磁导率更小的有效磁导率。由此同样实现：即使在磁芯强烈磁饱和的情况下，旁路部分仍然总是不具有磁饱和效应，并且其磁通量与测量对象的所监视区域的磁激励成正比。在该实施方式的进一步改进中可以规定：分叉的磁通量通过非铁磁缝隙来引导。旁路支路由此在饱和效应方面不敏感。

有利地，磁旁路部分配备有测量设备，借助于该测量设备来测量旁路支路中分叉的磁通量。这可以在技术上简单地通过布置在旁路部分处的传感器线圈来实现。在该传感器线圈中，在穿过传感器线圈的分叉的磁通量分量在时间上改变时，感应出传感器信号。但是还可以使用其他磁场检测器、例如霍尔传感器。

为了分析的目的，将传感器信号输送给分析设备。于是在该分析设备中，可以从传感器信号中例如确定变压器的磁芯中的磁通量的直流分量。

对于该分析有利的是，借助于陷波滤波器首先消除低频基本振荡分量，然后传感器信号被数字化，其中在等距的时刻用采样频率进行采样，所述采样频率对应于变压器的电网频率的整数多倍。

对于信号处理单元可能有利的是，将数字信号值与分别经历了电网频率的半周期时长的数字信号值相加。

在此有利的是，借助于带通滤波器从数字信号值中滤出具有双倍电网频率的信号分量，并且所滤出的信号值经历傅立叶变换。

该任务还通过提供一种装置来解决，该装置具有磁旁路部分，该磁旁路部分引导磁通量的从磁芯分叉的部分，其中旁路部分的磁材料不饱和，并且该装置具有传感器设备和分析设备，其被安排为从分叉的磁通量部分中或者从由此导出的参量中确定片段中的磁场强度。

本发明的在可靠性方面有利地实施方式可能在于，磁旁路部分的一个或多个片段被用至少一个传感器线圈缠绕，在所述传感器线圈中通过感应生成传感器信号，并且由此借助于分析设备确定直流分量。不需要有源组件，传感器线圈完全不经历漂移。

一个优选的实施方式可以被构造为使得旁路部分被构造为U形并且在每个芯柱处布置一个传感器线圈。通过两个传感器线圈的相应布线，可以减小干扰影响。

为了以尽可能简单的方式从传感器信号中提取形成磁芯中的直流通量分量的偶次谐波，有利的是在分析设备中执行传感器信号的数字化，其中在等距的时刻利用采样频率进行采样，所述采样频率对应于变压器的电网频率的整数多倍。

为了抑制传感器线圈的测量信号中存在的低频信号分量，可以有利地使用本身公知的陷波滤波器。由此可以基本上抑制低频信号分量。陷波滤波器可以以数字构造形式以及模拟构造形式来制造。

根据本发明方法以及根据本发明装置的一个特别优选的应用是在功率变压器中抑制运行噪声。本发明使得能够技术上简单并同时可靠地在长运行时期中检测变压器磁芯中的直流磁场。结合附加地置入在变压器处的补偿绕组和用于生成补偿电流的设备，可以以本身公知的方式使造成非对称性的直流通量为无效的。本发明使得能够简单和在运行中可靠地检测磁芯中的作为有效补偿的前提条件的相关磁特征参量。

此外，本发明使得能够以简单方式记录变压器中的磁通量，使得可以监视和绘制在运行期间出现的负载状态（Monitoring（监视））。

本发明所基于的测量原理也可以有利地在制造电机的软磁磁芯时看到。在制造例如用在供电网络中的变压器时，可以在生产期间检测和监视层状磁芯的质量特性。

本发明的另一应用可能性可以在于磁特征参量的移动或固定测量设备。

附图说明

为了进一步阐述本发明，在说明书的接下来的部分参照附图，其中可以得知本发明的另外的有利扩展方案、细节和改进方案。

图1是变压器的示意图，其中作为框图绘出了根据本发明的用于检测磁芯中的直流通量分量的装置的可能布置以及信号处理单元；

图2是以放大图示出旁路部分的示意图，所述旁路部分通过其形成到主磁通方向的旁路而充当磁分路。

具体实施方式

图1以示意性透视图示出了变压器1，该变压器1配备有根据本发明的用于检测磁直流分量的装置。直流分量的检测是极有效地对抗直流通量分量（DC分量）以及与之伴随的磁材料的非对称调制的前提条件。由此可以降低在运行中出现的噪声和局部升温。

变压器1具有磁芯2，该磁芯2具有三个芯柱6。这些芯柱6中的每个都承载绕组装置3。这三个芯柱6以常见的构造方式在上方与上轭4连接并且在下方与下轭5连接。根据本发明，在上轭部分4的表面14的暴露片段处以直接紧贴的方式或者以一定间隔地布置所谓的旁路部分7。该旁路部分7用于检测磁芯2中的直流通量分量的目的。

其功能将在下面进一步阐述的旁路部分7向分析设备10提供传感器信号9。分析设备10生成控制信号11，该控制信号11被输送给接在后面的补偿电流生成设备12。补偿电流生成设备12根据所输送的控制信号11的尺度生成补偿电流13，该补偿电流13被馈送到变压器1的补偿绕组20（图2）中。在此，补偿电流13在大小和方向上被预先给定为使得其对抗变压器1的磁芯2中的磁通量的直流分量15或对该直流分量15进行补偿。

图2中可以以放大图看见旁路部分7。旁路部分7被布置为与变压器2的上轭4处的片段大致平行。该旁路部分引导磁通量17的在变压器1的上轭4中流动的那部分。在饱和的情况下，导致漏磁通的升高，并且由此也导致旁路中引导的通量分量的升高。

如图2所示，借助于旁路部分7从电机的主通量分叉出磁通量的一部分18（Φ2）并且在“磁旁路”中引导该部分。在此，该分叉的磁通量18（Φ2）的路径在分叉位置处首先经过旁路部分7的第一芯柱21中的气隙S1。通过中间片段，分叉的通量到达第二芯柱22。从那里，分叉的部分通量Φ2通过气隙S2再次进入上轭部分4。在与桥接片段L1的磁通量Φ1合并以后，再次得到主通量Φ。

在图2中在这些磁通量分量Φ1和Φ2的每一个处分别用H1和H2来表示相关的磁激励、用L1和L2来表示铁中的路径、以及用A1和A2来表示相应的截面。用箭头15来表示与主交流通量17叠加的磁通量。

可以通过应用磁通定律示出：传感器中、即旁路支路23中的磁通量Φ表现为与测量对象的被传感器覆盖的区域中的磁激励H成正比：

在此有：

其中总气隙长度

，并且旁路部分的相对磁导率为

。

由于电变压器和其他电机通常由具有低的源阻抗的正弦形电压源运行，因此可以基于感应定律假设磁通量Φ的一阶导数（与源电压成正比）的走向为基本上正弦形的并且从中紧接着还可假设其积分、即磁通量Φ本身以及因此还有磁通密度或电感B为基本上正弦形的。在出现磁饱和效应时，现在由于磁材料的强烈降低的磁导率而必须显著提高磁激励H，以便达到所要求的磁通密度B。这也解释了为何与磁通密度B相比在磁激励H中（以及因此也在其对时间的一阶导数中）磁饱和效应显著更强地形成。因此如下检测器是有利的，该检测器提供与磁激励H或其一阶导数dH/dt成比例的传感器信号。此外，该测量方法可以除了上述使用目的以外还用于构造用于测量在受测件中充斥的磁激励H的测量设备，或者此外在与磁通密度测量相配合的情形下用于确定受测件中所使用的磁材料的磁化特征曲线。

磁旁路支路23可以以低成本安装在磁芯片段的任意区域处、例如轭处或芯柱处。变压器磁芯、电绕组或其他磁部件的设计是不受该旁路支路影响的。该新原理使得能够在没有积分并且由此没有漂移的情况下检测直流通量分量。因此，根据本发明的测量原理还可以有利地用于长时间记录（监视）。制造成本是低的。

由于受测件中的磁激励H与传感器中的磁通量Φ之间的上述比例关系，传感器中感应的电压于是在受测件中对应于磁激励对时间的一阶导数（dH/dt）并且可以利用合适的分析方法在整个运行时长上提供变压器中或电机的磁路中的直流磁场分量的长时间稳定的反映。

特别有利的是使用两个传感器线圈（在图2中以点的方式示出），所述传感器线圈分别布置在芯柱21、22上并且电串联并且沿着磁旁路支路23被布置为使得一方面补偿外来场和/或漏磁场的作用，同时由受测件在传感器中造成的磁通量Φ的效果在电压测量信号中相加。这例如可以通过对称地将两个传感器线圈安装在U形传感器的相应的侧面芯柱处来实现。

通过在传感器的磁旁路回路23中、例如在气隙中或其气隙之一中引入所谓的霍尔传感器，可以由于受测件（测量对象）中的磁激励H与传感器中的磁通量Φ或磁电感B之间的上述比例关系实现一种用于直接测量受测件的被传感器覆盖的部分中的磁激励H的测量系统。当然，为了该目的，也可以替代于霍尔传感器使用每种其他的与此等效的测量方法，所述测量方法提供与电感B成比例的输出信号。重要的是，传感器原理将受测件（测量对象）中的磁激励H转换成传感器中的与此成比例的磁通量H以及因此还转换成与此成比例的磁通密度（电感）B。现在如果还测量受测件中的磁通密度（电感）B，则可以结合对受测件中充斥的磁激励H的上述测量来实现一种用于确定在受测件中所使用的铁磁材料的磁特性的测量系统。

分叉的通量分量18（Φ2）穿过传感器线圈19，该传感器线圈19缠绕在C形旁路部分7的连接两个芯柱21、22的中间部分周围或者被实现为分别布置在两个传感器芯柱处的两个串联的部分线圈。在该传感器线圈19中，在变压器1运行时感应传感器电压8（在图2中还用U来表示）。该传感器电压8通过电线路作为传感器信号9被输送给分析设备10。

在分析设备10中，该传感器信号首先通过如下方式被处理：该传感器信号被放大并且在低通滤波器和带宽滤波器中被滤波。在此，在直流分量（DC分量）方面分析传感器信号9时第一个高次谐波、即二次谐波是已知的。由于“半波非对称性”，磁化电流必然具有偶次谐波。该偶次分量也存在于测量线圈19的传感器电压中。本发明通过对测量线圈19中的感应电压进行相应的信号处理来利用该效应。

下面进一步阐述分析设备10的信号处理：

为了抑制在传感器信号中占主导地存在的低频信号分量，使用所谓的陷波滤波器，该陷波滤波器基本上抑制低频信号分量。陷波滤波器可以以模拟以及数字技术来实现。

接下来借助于常规的模数转换器进行传感器信号的数字化。信号的采样以与电网频率的偶数倍精确地对应的采样频率进行。该采样频率借助于模拟或数字PLL在与受控振荡器协作的情况下生成。

接着，附加于或替代于上面的陷波滤波器，在分析设备中将当前的数字信号值与经历电网频率的恰好半周期时长的数字信号值相加。

结果，分析设备10提供控制信号11，该控制信号11与变压器1的要确定的直流磁场15存在函数关联。

在两个芯柱21、22的端面与磁芯2的表面14之间分别构造有缝隙S1和S2。每个缝隙S1和S2都被构造为使得每个都对磁通量18提供比较高的阻力。通过缝隙S1、S2的该非铁磁构造实现：在磁芯的磁材料已经进入饱和的每个调制半波中，旁路部分7的铁磁合金仍未饱和。换言之，本发明所利用的特性是，在测量对象中在出现磁饱和效应时，相对磁导率减小并且由此磁阻提高。这于是导致漏磁场的升高，因为漏磁场的磁阻保持不变。也就是说，在开始的磁饱和的情况下，磁通量的进一步升高成比例地较少被变压器的铁磁芯承载，因此必然出现提高的漏磁通。如果变压器的磁芯中存在直流场分量，则成比例的漏磁场提高的该“偏移效应”仅仅在直流磁通量和交流磁通量加性地叠加的半周期中出现。

旁路部分7可以由层叠的铁磁合金片制成或者以铁氧体基础制成，并且在构造方面被设计为使得旁路部分7即使在受测件2（测量对象）的强磁饱和的情况下仍然总是不具有磁饱和效应。两个芯柱21、22可以为了容纳两个传感器线圈而在截面方面也被构造为阶梯式的。为了保护测量线圈的各个导体免受机械损伤，可以在测量线圈与片包（Blechpaket）之间设置由绝缘体制成的支承体。测量线圈本身可以由常规的漆绝缘的圆形线或扁平线制成。

在上面所示的实施例中，旁路部分7被实施为U形的。不言而喻，旁路部分7也可以具有其他几何形状，例如倒圆的、C形的或圆形的。

例如选择将旁路部分7布置在上轭4处。原则上，为此可以考虑磁芯2的表面处的每个露出的引导主通量的区域。因此，旁路部分7也可以布置在芯柱6处或下轭部分5处。

上面以变压器磁芯为例阐述的测量原理也可以用于如下测量设备：该测量设备例如可以在制造电机的镀层的磁芯时用在质量控制中。

所使用附图标记的汇总

1 变压器

2 磁芯

3 电绕组

4 上轭

5 下轭

6 芯柱

7 旁路部分

8 传感器设备（检测器）

9 传感器信号

10 分析设备

11 控制信号

12 补偿电流生成设备

13 补偿电流

14 磁芯的表面

15 直流分量

16 补偿通量

17 主通量

18 磁通量的分叉部分

19 传感器线圈

20 补偿绕组

21 芯柱

22 芯柱

23 旁路支路

S1 第一气隙

S2 第二气隙

A1 旁路部分7中的截面

A1 轭4中的截面

L1 轭4中的磁路长度

L2 旁路部分7中的磁路长度

Claims (23)

1.用于检测被磁通量穿过的磁芯（2）的片段（L1）中的磁特征参量、尤其是磁场强度（H1）的方法，其中磁芯（2）的磁通量的一部分（18）被分叉并且至少分段地在磁旁路部分（7）中被引导，其中旁路部分（7）的磁材料不饱和，并且其中借助于传感器设备和分析设备（8，10）从磁通量的该分叉部分（18）或者由此导出的参量中确定磁特征参量（H1）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分叉的磁通量（18）通过至少一个非铁磁缝隙（S1，S2）来引导。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，磁通量的分叉部分（18）通过旁路支路（23）来引导，所述旁路支路（23）的有效磁导率比磁芯（2）的磁导率小。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，磁旁路部分（7）的至少一个片段被用至少一个传感器线圈（19）缠绕，在所述传感器线圈（19）中，磁通量的分叉部分（18）通过感应生成传感器信号（9）。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，磁通量的在旁路部分（7）中引导的部分（18）借助于磁场传感器、尤其是霍尔传感器来检测。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，传感器信号（9）被输送给分析设备（10），以便确定磁通量的直流分量。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在分析设备（10）中借助于陷波滤波器消除低频基本振荡分量，并且执行传感器信号（19）的数字化，其中在等距的时刻用采样频率进行采样，所述采样频率对应于变压器的电网频率的整数多倍。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将数字信号值与分别经历了电网频率的半周期时长的数字信号值相加。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，借助于带通滤波器从数字信号值中滤出具有双倍电网频率的信号分量，并且所滤出的信号值经历傅立叶变换。

10.用于检测被磁通量穿过的磁芯（2）的片段（L1）中的磁特征参量、尤其是磁场强度（H1）的装置，包括：

－磁旁路部分（7），其引导磁通量的从磁芯（2）分叉的部分（18），其中旁路部分（7）的磁材料不饱和;和

－传感器设备和分析设备（8，10），其被安排为从磁通量的分叉部分（18）或者由此导出的参量中确定磁特征参量（H1）。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，在磁旁路部分（7）与磁芯（2）之间构造至少一个非铁磁缝隙（L1，L2），并且分叉的磁通量（18）通过该至少一个缝隙（L1，L2）来引导。

12.根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于，磁通量的分叉部分（18）通过旁路支路（23）来引导，所述旁路支路（23）的有效磁导率比磁芯（2）中的磁导率小。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，磁旁路部分（7）承载至少一个传感器线圈（19），在所述传感器线圈（19）中，从磁通量的分叉部分（18）中感应传感器信号（9）。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，至少一个传感器线圈（19）以信号传导的方式与分析设备（10）连接，所述分析设备（10）在信号技术方面被安排为从所传导的传感器信号（9）中确定磁通量的直流分量。

15.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，磁旁路部分（7）被构造为U形的并且具有两个芯柱21、22，在所述芯柱上分别布置传感器线圈（19），所述传感器线圈（19）电串联并且在空间上在旁路支路（23）中被布置为使得补偿外来场的影响，同时由磁通量的分叉部分（18）造成的感应电压相加。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，分析设备（10）具有陷波滤波器，所述陷波滤波器从传感器信号（9）中消除低频基本振荡分量。

17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，分析设备（10）被安排为执行传感器信号（9）的数字化，其中在等距的时刻用采样频率进行采样，所述采样频率对应于电网频率的整数多倍。

18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，分析设备（10）被构造为将数字信号值分别与经历了电网频率的半周期时长的数字信号值相加。

19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，分析设备（10）配备有带通滤波器，以便从数字信号值中滤出具有双倍电网频率的信号分量。

20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，分析设备（10）还配备有计算设备，借助于所述计算设备能够从所滤出的信号值中计算傅立叶变换。

21.根据权利要求10至20之一所述的装置，其特征在于，旁路部分（7）由层状的C形铁磁片的包构成。

22.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，C形片具有第一芯柱（21）和第二芯柱（22），并且到磁芯（2）的布置被选择为使得所述芯柱（21，22）中的每个都在指向磁芯的端面与磁芯（2）的表面（14）之间分别构成缝隙（S1，S2）。

23.将根据权利要求1至20之一所述的方法或者根据权利要求10至22之一所述的装置用于置入到供电网络中的变压器的应用，以便在变压器的磁芯（2）中对抗直流通量分量和/或记录变压器的运行状态。

Images