铁磁材料

铁磁材料（共7篇）

铁磁材料 篇1

0 引言

磁力研磨技术属于超精密加工技术的一种,20世纪60年代起源于保加利亚,前苏联和一些东欧国家随后进行了进一步的研究。磁力研磨是磨料群在磁场力的作用下,对工件表面实施复合作用的过程。与磨削、研磨、和抛光有相同的地方,也有不同之处。由于磨粒大小、形状和受力情况各异,所以研磨过程比较复杂。

1 磁力研磨的特点[1,2,3,4]

磁力研磨具有研磨温升小、加工品质高,柔性好、自适应性强等优点。磁性磨粒无需进行磨损补偿,可进行自修形。磁力研磨能够去除残余在零件表面的刀痕、磨削痕、放电痕和放电加工变质表层等,改善了零件表面的粗糙度,具有其他加工方法不可替代的优势。

2 磁力研磨的机理

在磁力研磨的过程中,磁粒基本上以三种状态存在:滑动、滚动和切削。当磨粒所受磁场力大于切削力时,磁性磨料处于正常切削状态;当磨粒所受磁场力小于切削力时,磁性磨料就会产生滑动或滚动。根据精密切削理论和摩擦学理论,可以得知磁性磨料在加工过程中与工件表面产生接触滑擦、挤压、刻划、切削等现象。其磨削机理主要包括四个方面:1)微量切削与挤压作用;2)多次塑变磨损机理;3)化学腐蚀作用;4)电化学腐蚀作用。

3 铁磁性材料内圆磁力研磨的特殊性

磁力研磨是利用磁场力的作用,在磁极间使磁性磨料形成如刷子一样的研磨刷,以一定的压力压向工件表面,在机床主轴的高速旋转下,使磨料和工件产生相对运动,从而实现对工件表面的研磨抛光。选择性研磨是光整加工利用有限材料去除获得所需粗糙度的关键所在。工件表面是由许多高低不同的峰顶和谷底组成,尽量多的去除峰顶部位的材料,不去除或少去除谷底材料,这就是选择性材料去除。考虑到磁性磨粒运动的惯性,可以认为选择性研磨的波距范围与磁性磨料的粒径d存在如下的关系:

Ld=Cd

式中:C——大于1的系数与相对速度有关;

Ld ——选择性研磨的波距范围;

d ——磁性磨粒的粒径。

如果波距L

3.1 内表面研磨的Ra降低机理

当相对转速n=0时,磁刷对工件表面的压力可以表示为[1]:

undefined (1)

式中:B——磁感应强度

ω ——每颗粒子中含铁的容积率

undefined (2)

其中undefined

式中:Hy——工件的硬度;

N ——在加工区域参与加工的磁粒的总数;

θ ——假设磨粒顶部成圆锥形的圆锥半角;

n ——每个磁粒参与切削的刃数;

Rundefined——初始的表面粗糙度;

Ra ——最终的表面粗糙度;

υ ——工件与磨粒的相对速度;

t ——切削时间。

从式(1)和式(2)可以看出M∝B2,而磁感应强度与磁力研磨的加工间隙Δ成反比undefined。因此undefined,可以看出加工间隙对与材料去除量的影响很大。

对于外表面加工,峰顶的加工间隙为Δ-δ,谷底的加工间隙为Δ+δ,可见峰顶的材料去除量要大于谷底的材料去除量;对于内表面的磁力研磨的设计一般为如图1所示,此种情况下峰顶的加工间隙为Δ+δ,谷底的加工间隙为Δ-δ,与外表面的加工情况恰好相反,如图2、图3所示。峰顶的材料去除量要小于谷底的材料去除量,因此磁力研磨对于波纹度与几何形状误差是一种正反馈,会使它们略微变差。对于内表面来说,由于选择性区域变成了谷底,表面粗糙度Ra的降低机理与外表面大不一样。Ra的降低机理应该是—峰顶被磁性磨料冲击切削形成小的平台区,随着平台区的扩大波谷的开口也逐渐变大,随之一些小的平台区又变成了峰顶,然后这些峰顶由于磨粒的冲击变成更大的平台区。内表面的研磨就是经过:去峰—扩谷—去峰,来逐步改善表面粗糙度的[2]。

3.2 铁磁性内圆表面研磨的特殊性

对于图1方案来说,非铁磁性材料的加工壁厚在1mm～2mm的内表面时,研磨效果比较显著,>3mm时效率非常低,当壁厚>5mm时基本没有什么研磨效果[3]。

由于铁磁性材料的μ值很大,在材料外部漏磁很少,可以认为最外面的一条磁力线与边界重合。磁场在铁磁性材料中的分布状态如图4所示。

磁性磨粒在磁粒研磨中所受磁场力为:

(3)

式中:V0——磨粒中含铁的体积;

Xm ——磨粒磁化率;

H ——某点的磁场强度;

——哈密顿算子。

其沿磁力线方向的分量Fx将磨粒压向工件内表面,产生研磨压力。沿此等位线方向的分量Fy使磨料始终保持在加工区域防止磨料飞溅,使磨料刷保持稳定的形状。从式(2)可以看出,Fx、 Fy是由管腔中的磁场来决定的。由于铁磁性物质对磁场的屏蔽作用,使得内圆面内的磁场强度接近于零,特别是当管壁较厚时。由于场强很弱,磨粒对内表面的压力很小,所以磨粒的切削作用很小。因此,加工大壁厚的内圆柱面时图1的方式是无法胜任的。但在实际的生产中,这样的工件很多,粗糙度要求很高,比如大口径的液压缸等。

图5所示是磁极内置加工内圆柱面的方案。不论从理论上还是直观上,我们都可以看出,此时的内圆研磨与外表面的平面研磨类似,但不尽相同。

3.2.1 内置磁极的内表面研磨特点

对于外表面磁力研磨来说,存在一个磨粒飞溅的临界速度,对于图5方案虽然不存在磨粒飞溅临界速度,但却存在一个使加工效率变低的临界速度。

a) 外圆柱面磁力研磨磨粒的飞溅临界速度。磨粒受到摩擦力或工件表面的吸附力,将随工件一起转动,由于磨粒本身具有一定的质量,所以要受到离心力的作用,离心力的大小可由下式计算:

undefined(4)

如果作用在磨粒上的离心力超过了研磨的压力,磨粒就会产生飞溅。对于铁磁性材料而言,这种临界条件可表示为:

F0=PxS (5)

式中:S为磨粒与工件的接触面积

将式(5)带入式(4)中可得:

undefined(6)

可见磨粒的临界飞溅速度与加工区域的磁感应强度、磨粒与工件的接触面积、磨粒中铁磁性材料的相对磁导率、磨粒中含铁的容积率等均和磨粒的粒度有关。

b) 内表面磁力研磨磨粒的分层临界速度。对于图5内圆研磨有三种方案可以选择:1)工件静止磁极转动;2)工件转动磁极静止;3)两者反向旋转。

当离心力大于工件在磁力线方向所受的磁场力时,磨粒被“甩向”或者“压向”工件的表面,增大了磨粒对工件表面的压力;因为离心力的增大,磨粒紧贴在工件的内表面,但并不产生飞溅,所以不存在飞溅的临界转速。由于此时切削力的增加,因此可以获得相对较大的研磨效率。但是,同样的原因也会导致磁粒与工件之间的相对运动减弱,破坏了磁刷的自锐能力,反而降低了磨粒的切削能力,最终导致金属去除量的减少。发生这种情况的临界条件为:

fN=Ft;undefined; Ft=Fy

可推得其临界速度为:

undefined

式中: f ——磨粒与工件表面的摩擦系数

m ——单颗磨粒的质量

N ——离心力作用产生的内表面对磨粒的压力

Ft ——磨粒所受的切向力

Fy ——磨粒在等位线方向所受的磁力

由式(7)可以大致估算出内圆柱面加工时的临界速度,有利于我们更好地制定加工工艺。

4 结论

内表面的磁力研磨有其一定的特殊性,由于研磨时选择性区域的不同造成了降低机理的不同。所研磨的工件为铁磁性材料时,由于磁屏蔽的作用,使得管腔内部的磁场强度非常微弱。本文所采用的设计方案很好的解决了这个问题,而且推导了其磨粒分层时的临界速度,可以指导我们制定出合理的加工方案。我们可以根据不同工件的特点,来设计不同的研磨方案,可以大大提高加工时的效率和效果。

参考文献

[1]肖作义.磁力研磨光整加工技术的理论与实践[D].上海:上海理工大学,2004.

[2]Geeng-Wei Chang,Biing-Hwa Yan,Rong-Tzong Hsub.Study oncylindrical magnetic abrasive finishing using unbonded magneticabrasive[J].International Journal of Machine Tools&Manufac-ture,2002,42:575-583.

[3]王琰,陈显文,白万民.磁屏蔽对内圆磁力研磨加工影响的研究[J].电加工与模具,2005(3):47-50.

[4]冯宝富,孙晓林,孙奕鹏,等.磁力研磨机理研究[J].北京大学学报:自然科学版,2005,6(2):187-189.

铁磁材料 篇2

关键词：铁磁材料,磁滞回线,数据采集

1 概述

铁磁物质是指含铁、钴、镍、钢以及含铁氧化物的铁磁材料, 由于其性能特异并且广泛的应用在航天、通信、自动化仪表及控制等领域。因此, 研究铁磁材料的磁化性质, 不论在理论上, 还是在实际应用上都有重大的意义。对铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线的测定, 采用了通用型实验数据采集仪实现了数字化采集方式获取数据, 分析软件用Visual Basic 6.0设计, 在计算机终端上完成数据的存储、分析, 图形描绘、数据打印、相关理论分析验证等功能, 这样可显著提高测量的效率和准确性, 从而避免人为因素造成的测量误差。

2 磁滞回线的数据采集测量

2.1 通用型实验数据采集仪简介通用型实验数据采集系统系

自主研制, 硬件由信号处理板、多路12位A/D转换器、微处理器AT89C52、液晶屏、键盘、计算机接口 (标准RS232) 等几部分组成, 自带电压、电流、频率、时间测量、超声波信号接口。如图1所示。

电压A、B最高量程为+5V (自动分档) , 最小分辨率0.1m V, 最高采样率10KHz, 采样精度12位, 该指标完全可以满足实验测量的要求。

2.2 数据采集方案

由于铁磁材料的磁导率μ很高, 因此在外磁场作用下会被磁化, 当磁化场停止后, 铁磁材料仍会保留磁化状态, 这就是磁滞现象。通过测量磁滞回线和磁化曲线可以对铁磁材料进行分类, 由磁感应强度B与磁化强度H的关系可以确定磁导率μ, 矫顽力、磁滞损耗等。

采用数据采集方案测量的线路连接见图2, 将测量装置的X和Y输出端分别接到通用型数据采集仪的电压A、电压B接口上, 数据采集仪通过RS-232串行接口与计算机终端连接, 传输速率为9600 bps。

计算机终端的分析软件使用Visual Basic 6.0设计开发, 在Window s环境下用MSCom m控件来传输和接受数据。MSCom m控件提供了OnComm事件或者检查Comm Event属性的值两种处理通讯方法, 还可以通过定时器方式来完成MSCommde监控与操作。

在使用MSComm编程时, 大部分属性采用默认值即可, 需要设定的属性有Comm Port:指定计算机的连接端口 (串口1或串口2) , 用户根据实际情况设定。

PortOpe n:对MSCom m控件进行数据的读、写操作前, 请将该属性设定为True。

以下为使用定时器方式的数据接收代码:

软件界面的设计应该对功能区间划分清晰, 按键、对话框等风格匹配, 尽量节省空间, 布局合理。程序界面的设计如图3所示。

2.3 磁滞回线测量将测量装置输出信号和数据采集仪对应输

入接口连接, 电压A口接测量装置的X端, 电压B口接测量装置的Y端。用RS232串口线将数据采集仪与计算机连接。开启数据采集仪电源开关, 液晶屏LCD亮并进入自检状态, 自检完成系统进入到基本状态。

开始进行测量操作, 逐步升高变压器输出电压, 并在程序界面上点击“绘制”键, 程序由采集获取的数据绘制出图形, 并且可以得到每条磁滞回线的6个特殊点的坐标数据。当依次把6条磁滞回线全部绘制完毕时, 点击“变换”按键, 程序将所测的图形和数据进行分析, 左下图为基本磁化曲线, 右下为磁滞回线, 测量结果如图4所示:

3 结束语

采用通用型实验数据采集仪对数据进行数字化采集, 不仅提高了测量的效率和准确性, 而且还保持了原有的物理思想。在这个通用型数据采集的平台上, 通过灵活的软件编程, 可完成几乎所有的实验项目。

参考文献

[1]吴铁山, 李道银等编著.大学物理实验.湖北科学技术出版社.2007.

[2]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京航天航空大学出版社.2005.

[3]肖忠祥.数据采集原理[M].西安:西北工业大学出版社.2001.

铁磁材料 篇3

两种不同的磁性材料 (软/硬磁或铁磁 (FM) /反铁磁 (AFM) ) 密切接触或被一个足够薄的层隔开时, 材料间因为耦合作用会造成磁矩沿特殊方向取向。这种耦合作用叫做交换耦合 (exchange coupling) [1]。利用交换耦合可以调制系统的许多性质, 因此引起了人们的高度重视并发现了许多潜在的应用。近年提出的交换耦合复合介质也是非常有希望的下一代高密度磁记录介质。如果2种磁性材料分别处于铁磁和反铁磁相, 则当外磁场中从高于反铁磁奈尔温度冷却到低温后, 铁磁层的磁滞回线将沿磁场方向偏离原点 (其偏离量被称为交换偏置场或交换场 ) , 同时伴随着矫顽力的增加, 这一现象被称之为交换偏置 (exchange bias) 。

铁磁/反铁磁体系中的交换偏置现象1956年就被发现[2], 是交换耦合研究中历史最早的一项。目前交换偏置原理已经取得了广泛应用。比如交换偏置效应在磁电阻传感器和自旋阀方面具有重要应用。虽然如此, 交换耦合的机制一直不是十分清楚, 许多与交换耦合相关的实验现象还没有得到很好解释。比如, 交换偏置的角度依赖关系已经得到了广泛研究。但实验中发现的偏置场和矫顽力的阶跃现象的起源和理论解释仍众说纷纭[3,4,5,6,7]。

在关于交换偏置现象的研究中, 斯通纳-沃尔法斯 (Stoner-Wohlfarth, 缩写为SW) 模型或推广的SW模型发挥了很大作用。SW模型是研究磁化翻转过程的最简单也是最常见的模型, 利用此模型可以得到许多物理量的解析表达式。利用推广的SW模型可以解释与交换耦合相关的许多物理现象[3,4,5,6,7]。实际上, 近年来的研究发现, 即使是SW模型本身也有许多新的性质是以前没有报道的[8,9,10,11,12,13,14]。

交换偏置的角度依赖关系是交换耦合效应的研究中的一个重要方向。这里的角度依赖关系是指外场取向角 (相对易轴) 不同时, 转换场、矫顽力以及交换场等参量有显著的变化。显然, 这种角度依赖关系有很强的应用背景。比如, 纵向磁记录材料写入过程中, 如磁头采用传统环形头, 则当磁场强度改变时对应有较大的取向角变化。对于垂直磁记录, 由于采用了单极磁头和软磁衬层, 这种角度的变化相对较小[15]。在此方向的研究中, 目前人们多注意偏置场和矫顽力的角度依赖关系, 对于转换场以及临界角的角度依赖关系报道很少。本文将利用SW模型对转换场以及临界角的角度依赖关系进行解析研究。本文的结果有助于加深对交换偏置现象的理解。

2 模型和公式

SW模型是将系统 (可以是多层膜、也可以是多层纳米线) 看成一个单畴粒子。粒子内所有原子的磁矩一致旋转。若只考虑磁晶各向异性、单向各项异性 (层间交换耦合) 以及塞曼能, 系统的能量可以写为

F=Kusin2 (θ-θ0) -HMscosθ-JEcos (θ-θ0) (1a)

或者写成约化形式

undefined

其中undefined。这里我们已经假设SW粒子的易轴沿x方向, 与x共面且垂直的方向为z方向。θ0是外场与易轴的夹角, θ是外场与饱和磁化强度方向的夹角。

转换场 (switching field, 符号为hs) 定义为能使磁化方向转向其相反方向时的外场。这里的转化场即反磁化的形核和钉扎机制中的形核场[16]。磁化方向翻转时外场与易轴方向的夹角叫临界角 (switching angular或 critical angular, 符号为θs) 。从临界稳态条件undefined和undefined可以得出转换场和临界角满足的方程:

undefined

将hx=hscos (θ0) , hz=hssin (θ0) 代入 (1b) 就得到星形线方程

undefined

时 (2) (3) (4) 退化成标准SW模型中的形式。

3 结果及讨论

交换偏置现象的主要特征是特性曲线失去对称性。比如, 磁滞回线相对外场原点的不对称性。除此之外, 这种不对称性在其它方面也应体现出来。下面我们考察星形线、转换场、临界角角度依赖关系曲线的不对称性 (图1) 。

由 (4) 式可知, 交换耦合相当于在x轴方向增加了一个外场分量。因此星形线相比无交换耦合情况中心发生了平移。

图2给出了转换场随外场取向角度的变化曲线。相比没有交换耦合的情况 (J=0) , pi/2两边的转换场不再对称。随着J的增加, 磁场靠近易轴时转换场明显下降, 相反, 磁场靠近难轴时转换场明显升高。相应于转换场的临界角由图3给出。它也具有高度不对称的性质。

根据 (1b) 式, 我们可以做出某些参数给定时的能量密度曲线 (图4) 。我们取J=0.5, θ0=30°。根据图2的计算, 此时约化转换场约为0.2左右。由图4知, 当外场小于转换场时, 体系能量随角度分布存在局部极小和全局极小, 体系的状态由其磁化历史来决定, 处于局部或者全局极小点;当外场大于转换场时, 局部极小消失, 此时不管磁化历史如何, 其最总能量状态只能是全局极小。

能量曲线中局部极小的存在与否被认为与交换偏置效应中交换场、矫顽力的阶跃现象有关, 但二者如何具体关联目前还不是分清楚。本文的计算结果说明, 能量曲线中局部极小的消失与转换场有关[3,4,5,6,7], 这一点在以前的文献中还未见报道。

4 结论

本文利用斯通纳-沃尔法斯模型研究了星形线、转换场、临界角以及能量密度曲线的角度依赖关系。解析推得了存在交换偏置情况下星形线方程以及转换场、临界角满足的方程。结果表明交换偏置效应造成系统特性曲线的高度不对称性。另外, 能量曲线局部极小的消失与转换场有关。目前交换耦合效应的研究仍存在许多问题。比如本文计算中约化交换耦合强度从0.1变化到0.9。实际上, 这个参数具有不确定性, 即我们不知道它的实际变化范围。另外, 能量曲线中局部极小与转换场、交换场以及矫顽力的关系还有待深入研究。对于实际的磁记录系统, 转换场的角度依赖关系与上述斯通纳-沃尔法斯模型相差较多[15]。虽然如此, 本文的结果对于加深对交换偏置现象的理解还是有帮助的。

摘要：铁磁/反铁磁体系中交换偏置的角度依赖关系是交换耦合效应研究中的一个重要课题。本文利用斯通纳-沃尔法斯模型研究了星形线、转换场、临界角以及能量密度曲线的角度依赖关系。解析推得了存在交换偏置情况下星形线方程以及转换场、临界角满足的方程。结果表明交换偏置效应造成系统特性曲线的高度不对称性。另外, 能量曲线局部极小的消失与转换场有关。本文的结果有助于加深对交换偏置现象的理解。

铁磁材料 篇4

交换偏置(exchange bias,EB)原指铁磁(FM)-反铁磁(AFM)体系在外磁场中从高于反铁磁材料的奈尔温度冷却到低温后,铁磁层材料的磁滞回线沿磁场轴偏离原点(其偏离量被称为交换偏置场),同时伴随矫顽力增加的现象[1]。后来的研究表明,交换偏置现象是磁学系统的普遍现象。除了在铁磁/反铁磁系统存在交换偏置现象外,现已发现,在AFM/FM/NM/FM (NM: nonmagnetic)结构的自旋阀的两个铁磁层存在交换偏置[2],在软硬磁交换耦合的铁磁层中存在交换偏置[3,4],在硬FM/NM/软FM结构的存在面内各向异性(in-plane anisotropy)或垂直各向异性(perpendicular anisotropy)的赝自旋阀结构(pseudo spin valves )也存在交换偏置[5,6,7,8,9,10]。在所谓的超磁致伸缩交换耦合弹性多层膜(giant magnetostrictive spring-exchange multilayers)系统中也发现了交换偏置现象[11]。另外,偶极相互作用下的铁磁纳米线阵列中的交换偏置也有报道[12]。

近年交换偏置的研究的一个热点是如何对交换偏置实现电场控制,主要的一个想法是利用多铁性材料代替反铁磁材料,通过电场对多铁性材料中电畴的调制实现对交换偏置的调制[13,14]。除此之外,在传统的铁磁-反铁磁系统中的交换偏置研究也取得了很多进展。本文将对其中一些进展进行综述,包括交换偏置角度依赖关系中的阶跃现象、斯通纳-沃尔法斯(Stoner-Wohlfarth,SW)模型中矫顽力的计算问题、交换偏置研究中的应变工程、等效各向异性场方法等等。

2 交换偏置角度依赖关系中的阶跃现象及解释

交换偏置的角度依赖关系(the angular dependence of EB,ADEB)是交换偏置领域中一个重要的研究方向,有利于了解铁磁-反铁磁体系中各向异性来源等问题。最近,一些学者在讨论ADEB时发现,外磁场沿某些特殊方向施加时,交换偏置可以出现阶跃行为(the jump phenomenon)[15,16,17,18];同时指出,存在一个临界角θc,外磁场沿此方向磁化时,交换偏置场he可以达到最大,而磁滞和磁化反转的不对称性可以突然消失。当反铁磁层足够厚时利用S–W模型可以算出上图的临界角为undefined。

许多作者指出,上述ADEB现象可通过简单的SW模型得到解释。实验中一般利用磁滞回线来测定he和矫顽力hc。具体的对于取向角θ0,he和hc定义为磁滞回线的位移he=(hcr+hcl)/2和半宽度(the half width of the hysteresis loop , HWHL)hc=(hcr-hcl)/2,这里hcl和hcr分别是磁滞回线下降支和上升支对应的矫顽力。一般情况下hc=hs(hs为转换场,switching field)。许多作者用hsr、hsl代替hcl、hcr计算he和HWHL,得到了与实验相符的结果。文献[19,20,21]用磁滞回线上升支和下降支的转换场代替矫顽力计算he和hc,重现出阶跃现象。

但是,根据SW模型我们知道,当外场方向靠近硬轴方向时,hc≠hs,这时hc必须表示成分段函数(详见下节)。在这种情况下,即用严格的矫顽力而不是转换场计算he和HWHL,还能否得到与实验相符的结果呢?文献[22]用两种办法分别计算he和HWHL,第一种办法:用hsr、hsl代替hcl、hcr,结果记为(he)s和(HWHL)s;第二种办法:用SW模型给出的分段函数形式的矫顽力hcl、hcr计算,结果记为(he)c和(HWHL)c,然后比较两种情况下的结果,发现(he)s和(HWHL)s与(he)c和(HWHL)c 性质有很大差异,只有(he)s和(HWHL)s才显示出明显的阶跃现象。

3 SW模型中矫顽力的计算问题

ADEB可用SW模型很好地解释。但也有实验与SW模型偏离的情况[23]。图2是文献[23]报道的矫顽力在易轴附近的实验值与SW模型的结果发生较大偏离的情况,说明SW模型在易轴附近失效。

实际上,这个结果反映了SW模型计算矫顽力的一个严重困难。矫顽力的一般表达式是很难给出的。近年人们对SW模型重新进行了深入的研究[24,25]。对于SW模型,矫顽力可写成分段函数

undefined

的形式(图3 (a))。其中θ0是外场与易轴夹角,hs为转换场。π/4<θ0≤π/2部分的矫顽力可利用自由能极小原理,根据稳态平衡条件∂E/∂θ=0和∂2E/∂θ2>0求得(图3(c))。而0<θ0≤π/4时hc=hs完全是因为磁滞回线的几何特征偶然造成(图3 (b))。自由能极小原理只能给出部分角度下矫顽力的准确结果。这说明根据SW模型计算出来的矫顽力只有在π/4<θ0≤π/2才是正确的。这也部分地解释了文献[23]矫顽力计算值和实验值在靠近0°附近较大偏差的原因。不满足能量极小原理角度部分矫顽力如何表达仍是一个没有彻底解决的问题。

的变化(b)0<θ0≤π/4时矫顽力和转换场相等(c)π/4<θ0≤π/2时矫顽力和转换场不相等[25]

4 应变工程和等效各向异性场方法

应变工程(Strain engineering)技术广泛应用于材料科学与工程领域,特别是半导体技术领域,比如CMOS电路中的应变硅技术[26]等等。镶嵌于不同母体材料中的纳米颗粒是一类具有广泛应用前景的新型纳米结构材料,典型的例子包括镶嵌纳米颗粒系统和生长在碳纳米管表面的纳米颗粒系统。研究表明,应力分布对调控这类材料中纳米颗粒的生长和形貌演化起关键作用[27]。

磁性材料中的应变工程也有着重要作用。目前应力(应变)已经成为对交换偏置进行调控的一个重要手段。周知,铁磁材料的磁特性与受到的应力密切相关,当受到外应力时,由于磁弹耦合作用,其磁结构及外磁场下的磁化与反磁化行为将发生改变。目前已经发现,薄膜生长中应力造成的结构改变和失配位错的形成可诱发矫顽力或易轴特性的改变[28]。交换偏置可以借助于界面应变,通过改变晶格垂直于薄膜方向的晶格常数得到增强[29]。对于Cu/Co/Ni/Cu/Si(001)外延结构,应变调制下的一阶和二阶磁各向异性常数大小相当,但随应变的变化趋势相反[30]。

通常的铁磁材料的磁晶各向异性能远大于磁弹耦合能,所以应力对其磁特性的影响作用并不十分显著。但是对于一些应力敏感性的材料,比如超磁致伸缩材料,情况则完全不同。比如,在SrTiO3衬底上生长CoFe2O4 薄膜,经简单估算可知,CoFe2O4 中应力各向异性场与磁晶各向异性场在同一量级上[31]。这时必须考虑应力对材料磁特性的影响。一般的磁纳米线中,各向异性主要由形状各向异性决定,其方向一般沿纳米线轴线[32]。Mathews等人[33]发现,如将LSMO纳米线生长在NGO衬底上,LSMO/NGO之间的巨大应变可产生较大的应力各向异性场,这个各向异性场足以克服形状各向异性场,从而控制各向异性的方向。

外加应力调控铁磁/AFM异质结的交换偏置有很多理论工作[34,35]。研究表明张应力和压应力对交换偏置的影响的效果明显不同。

实验上通过使薄膜弯曲产生应力。根据弯曲方向不同,产生压应力和张应力。文献[24]研究应力下ADEB,发现矫顽力和交换偏置场曲线发生振荡。进一步的研究说明,矫顽力和交换偏置场曲线只是发生中心偏移,且偏移位置与层间交换耦合无关[36]。

应力造成矫顽力和交换偏置场曲线发生中心偏移的现象还没有实验报道。理论研究表明,只要等效的各向异性场与易轴的夹角θ*不等于零,即可发生此中心偏移现象。这时与磁晶各向异性场合成等效各向异性场的第二个场也可以不是应力场。比如,四重各向异性场即可。Dubourg等人[37]研究了(001)晶向外延生长NiO-Co双层膜上的ADEB,当考虑四重各向异性场时确实发现了上述的中心偏移现象(如图5)。

以上偏移模型只考虑了最简单的情形,比如各向异性场与应力场共线时的情形,另外反铁磁层的作用被忽略。更为复杂的情形如何有待进一步考虑,另外这种偏移的潜在用途也有待开发。

Tsunoda等人[38]发现应力作用下铁磁反铁磁系统交换偏置场饱和的现象。原因可能是反铁磁层的各向异性场抵消了铁磁层的各向异性场,体系能量只剩下界面间的交换耦合能,而此能量不随应力改变。上面反铁磁各向异性是由于磁致伸缩的逆效应产生的。从更一般的角度来说,应力各向异性场也可能与铁磁层的各向异性场抵消。就是说交换偏置场的应力饱和现象还可能在更一般的应力模型中观察到。

理论上,可用如下所述的等效各向异性场方法[36,39,40]对应力(应变)对交换偏置的影响进行计算。采用SW模型处理多层膜系统的交换偏置问题。原始的SW模型中只考虑各向异性场和外场。可以将其他场与各向异性场合并,构成等效各向异性场。比如,SW模型中应力各向异性场—Hσcos2(ψ-θ)和单轴磁各向异性场-HKcos2θ可以合并一项,可称作等效各向异性场。具体作法如下:取tan2θ*=Hσsin2ψ/(HK+Hσcos2ψ)则

-HKcos2θ-Hσcos2(ψ-θ)=-H*cos2(θ-θ*)-2H0cos(θ-θ0)+H*sin2θ*-Hσsin2ψ

其中undefined是等效各向异性场,θ*是等效的各向异性场与易轴的夹角。

这种方法可推广到存在两个各向异性场的情况,比如同时考虑一阶和二阶各向异性场的情况[41]。令K1和K2和tF分别一阶和二阶各向异性场的各向异性常数,这两个场对自由能的贡献为E/V=K1sin2θ+K2sin2(θ-γ2)。利用等效各向异性场变换,上式可等效成

E/V=ε+Ksin2(θ-γ)其中

undefined

。这样将系统变成标准斯通纳-沃尔法斯模型。

除交换偏置系统外,上面方法也可用于交换弹簧系统。

5 结论

本文介绍铁磁/反铁磁双层膜系统中交换偏置研究的几个基础理论问题及其进展情况,包括:(1)交换偏置角度依赖关系中的阶跃现象;(2)SW模型中矫顽力的计算问题;(3)交换偏置研究中应变工程的概念;(4)等效各向异性场方法。近年交换偏置研究已经向多铁性材料等领域拓展,但铁磁/反铁磁双层膜系统中交换偏置研究的一些基础理论问题并没有彻底解决,与交换偏置有关的一些实验现象的起源也没有完全清楚,比如前面提到的ADEB的阶跃现象产生的条件就仍有争议。再比如,交换偏置性质有时也称为体系的单向各向异性,所以在模型计算中常常通过在自由能中增加一项单向各向异性能(界面交换耦合能)来处理。但交换耦合常数JE的定量计算仍不能令人十分满意。本文的工作旨在引起人们对这些基本问题的注意,从而激发进一步的深入工作。

摘要：交换偏置现象目前已经在磁头、磁传感器等许多方面取得广泛应用。随着对交换偏置现象的研究越来越深入,许多新的有着潜在应用价值的实验现象被相继发现,比如,交换偏置角度依赖关系中的阶跃现象等;一些磁学模型中的原始问题也逐渐被重新认识,比如斯通纳-沃尔法斯模型中矫顽力的计算问题等;一些计算方法被逐渐完善,比如等效各向异性场方法等;学科交叉和渗透越来越广泛,比如应变工程的概念也进入到交换偏置领域等等。本文对铁磁/反铁磁双层膜系统中交换偏置研究中与上述阶跃现象、矫顽力计算、等效各向异性场方法、应变工程等内容相关的研究和进展情况做了简要综述。

变电站如何预防铁磁谐振 篇5

关键词：变电站,谐振,预防

电力系统内, 一般的回路都可简化成电阻R, 感抗XL, 容抗1/XC的串联和并联回路.当回路中出现XL=1/XC的情况时, 这个回路就会出现谐振, 在这个回路的电感元件和电容元件上就会产生过电压和过电流。由于回路的容抗在频率不变的情况下基本上是个不变的常数;而感抗一般是由带铁芯的线圈产生的, 铁芯饱和时感抗会变小。因此, 常因铁芯饱和出现XL=1/XC而产生谐振。这种谐振称为铁磁谐振。

在中性点不接地系统, 当系统遭到一定程度的冲击扰动, 从而激发起铁磁共振现象。由于对地电容和互感器的参数不同, 可能产生三种频率的共振, 分别是:基波共振、高次谐波共振和分频谐波共振。

1 各种共振的表现形式

1.1 基波共振

系统二相对地电压升高, 一相对地电压降低。中性点对地电压 (可由互感器辅助绕组测得电压) 略高于相电压, 类似单相接地, 或者是二相对地电压降低, 一相对地电压升高, 中性点有电压, 以前者为常见。

1.2 分频谐波共振

三相电压同时升高, 中性点有电压, 这时电压互感器一次电流可达正常额定电流的30~50倍以致更高。中性点电压频率大多数低于1/2工频。

1.3 高次谐波共振

三相电压同时升高, 中性点有较高电压, 频率主要是三次谐波。

2 铁磁谐振发生的原理

在正常运行条件下, 励磁电感L1=L2=L3=L0, 故各相对地导纳Y1=Y2=Y3=Y0, 三相对地负荷是平衡的, 电网的中性点处于零电位, 即不发生位移现象。

但是, 当电网发生冲击扰动时, 如开关突然合闸, 或线路中发生瞬间弧光接地现象等, 都可能使一相或两相对地电压瞬间升高。如果由于扰动导致A相对地电压瞬间升高, 这使得A相互感器的励磁电流突然增大而发生饱和, 其等值励磁电感L1相应减小, 以致Y1≠Y0, 这样, 三相对地负荷变成不平衡了, 中性点就发生位移电压。如果有关参数配合得当, 对地三相回路中的自振频率接近于电源频率, 这就产生了严重的串联谐振现象, 中性点的位移电压 (零序电压) 急剧上升。

三相导线的对地电压UA、UB、UC等于各相电源电势与移位电压的向量和, 当移位电压较低时向量迭加的结果可能使一相对地电压升高, 另外两相则降低;也可能使两相对地电压升高, 另一相降低。一般以后者为常见, 这就是基波谐振的表现形式。

电压互感器的一组二次侧绕组往往接成开口三角形式, 当线路发生单相接地时, 电力网的零序电压 (即中性点位移电压) 就按比例关系感应至开口三角绕组的两端, 使信号装置发出接地指示。显然在发生上述铁磁谐振现象时, 位移电压同样会反映至开口三角绕组的两端, 从而发生虚幻接地信号, 造成值班人员的错觉。

由模拟试验中得出, 分次谐波谐振时过电压并不高, 而电压互感器电流极大, 可达额定电流的30~50倍, 所以常常使电压互感器因过热而爆炸。基波谐振时过电流并不大, 而过电压较高。高次谐波谐振时, 一般电流不大, 过电压很高, 经常使设备绝缘损坏。

三次谐波电压的产生可以认为是由电压互感器的激磁饱和所引起的。如中性点绝缘的电源对三相非线性电感供电。由于未构成三次谐波电流的通路, 故各相中出现三次谐波电压, 并在辅助绕组开口三角处产生各相三次谐波电压合成电压。当不大的对地电容与互感器并联形成振荡回路, 其振荡回路的固有频率为适当数值时将引起甚高的三次谐波过电压。三次谐波共振的发生, 需要足够高的运行电压, 因为电压低时互感器饱和甚微, 它所含的三次谐波将极校基频情况下的电压升高, 是因为随铁心电感饱和程度不同, 合成导纳可能呈电容性或电感性。回路中电流变化时, 合成导纳的数值和相位将显著变化, 显然随三相线路各相中电压电流数值不同, 各相合成导纳的数值和相位差别将很大, 因而引起中性点位移, 并使某些相电压升高。

在分次谐波谐振时, 三相电压同时升高;在基波谐振时, 两相电压升高, 一相电压降低;在三次谐波谐振时三相电压同时升高。

3 产生的主要原因

3.1 中性点不接地系统发生单相接地、单相断线或跳闸, 三相负荷严重不对称等。

3.2 铁磁谐振和铁心饱和有关, 一般TV铁

芯过早饱和使伏安特性变坏, 特别是在中性点不接地系统中使用中性点接地的TV时更容易产生铁磁谐振。

3.3 倒闸操作过程中运行方式恰好构成谐

振条件或投三相断路器不同期时, 都会引起电压、电流波动, 引起铁磁谐振。

3.4 断开断口装有并联电容器的断路器时,

如并联电容器的电容和回路TV的电感参数匹配时也会发生铁磁谐振过电压, 造成设备损坏。

4 变电站防止发生铁磁谐振的措施

为了消除这种谐波过电压, 在中性点非直接接地的系统中, 可采取下列措施:

4.1 选用励磁特性较好的电磁式电压互感器或只使用电容式电压互感器。

4.2 在电磁式电压互感器的开口三角形中,

加装R≤0.4Xm的电阻 (Xm为互感器在线电压下单相换算到辅助绕组的励磁电抗) , 或当中性点位移电压超过一定值时, 用零序电压继电器将电阻投入1min, 然后再自动切除。

4.3 使用电容式电压互感器或在母线上接

入一定大小的电容器, 使XC/XL<0.01, 就可避免谐振在选择消弧线圈安装位置时, 应尽量避免电力网的一部分失去消弧线圈运行的可能。

4.4 改变操作顺序。如为避免变压器中性

点过电压, 向母线充电前, 先合上变压器中性点的接地开关, 送电后再拉开或先合线路断路器再向母线充电等。采取临时的倒闸措施, 如投入事先规定的某些线路或设备等。

4.5 中性点瞬间改为电阻接地。

5 变电站空母线谐振的特征

5.1 由于三相谐振电路各自独立, 因而谐振可在一相中产生, 亦可在两相或三相中同时产生。

5.2 谐振现象仅局限于变电站内, 对电源系统不产生任何影响。

5.3 谐振波主频率, 最常见的是基波、1/3次分频;其次为1/5次分频和1/2次分频。

5.4 非谐振相的相电压为工频耦合电压, 是

由开关断口电容耦合产生的, 其值取决于母线对地杂散电容、压变激磁电感和断口电容3参数, 一般为0.2~0.6 pu;谐振相的相电压则为工频耦合电压与谐振波电压的迭加。由于铁芯过饱和的缘故, 谐振相相电压中一般都含有相当丰富的高次谐波分量, 因而造成谐振相电压波形的严重畸变。

5.5 除三相三次谐振时电压相序仅具有零序性质外, 所有其它频率的谐振波都具有零序、正序和负序分量。

5.6 谐振相压变的电流, 不论其频率如何,

都呈尖顶状, 且其幅值几乎相同, 说明谐振时铁芯都进入相近的过饱和程度。但谐振电流的有效值是不同的。谐振频率越高, 压变的电流有效值越大, 对压变热稳定的破坏作用就越严重。

5.7 线电压值同谐振相数有关, 亦同谐振波

频率有关, 一般情况下它不等于系统的正常线电压, 且3个线电压之间亦不相等。

5.8 操作开关或刀闸时是否会激发产生谐

振以及产生何种频率的谐振, 往往是随机的, 不同相可能同时产生不同频率的谐振, 还可能从一种频率的谐振自动滑向另一种频率的谐振。

6 结论

35kV系统铁磁谐振事故分析 篇6

电力系统中存在着许多电感元件和电容元件, 对于配网系统来说, 如变压器、互感器、消弧线圈、电抗器等均属于电感元件, 而线路导线对地电容、相间电容以及高压设备的杂散电容等都属于电容元件。由于电压互感器属铁芯电感元件, 正常情况下, 电感、电容参数的配合远离谐振区, 不会发生铁磁谐振, 而当系统中发生某种扰动 (如操作冲击、雷电等产生涌流) 时, 电压互感器的非线性铁芯就可能磁饱和, 使得感抗迅速下降, 当系统的容抗和电压互感器感抗相等或接近时, 就容易发生铁磁谐振, 产生谐振过电压。铁磁谐振的危害是铁芯磁通密度增大, 激磁电流大大增加, 绕组过热, 而且持续时间长, 可能维持数分钟以上, 对电气设备绝缘构成严重威胁, 可能引起电压互感器熔丝熔断、喷油、绕组烧毁甚至爆炸等事故。另外, 当这种过电压发生时, 还会出现虚接地现象, 其实电网并没有真正接地。特别是在6～35kV中性点绝缘的配电网系统中, 由于电磁式电压互感器引起的铁磁谐振事故较为频繁, 是造成事故最多的一种内部过电压。

试验研究表明, 当谐振发生时, 中性点出现显著的位移, 此时相电压将发生变化, 而线电压却保持不变, 因此, 可以判定铁磁谐振过电压具有零序分量的性质。所以, 系统中性点绝缘是发生铁磁谐振的必要条件, 因为只有电源中性点对地绝缘才有可能发生中性点位移, 对于中性点经消弧线圈接地或中性点直接接地系统, 只有当消弧线圈脱离运行或直接接地的中性点断开而变成中性点绝缘系统时才有可能发生这种过电压。

2 故障情况

某变电站发“35kVⅡ段母线B相接地”信号, 断开接于35kVII段母线上的所有出线间隔后, 35kVⅡ段母线接地信号依然存在。检查发现:35kVⅡ段母线其它一次设备的过程中, 于15:31, 2号主变差速保护动作, 跳开2号主变110kV侧112断路器、35kV侧302断路器、10kV侧002断路器。随即该站35kV备自投装置动作, 合上35kV母联312断路器;10kV备自投装置动作, 合上10kV母联012断路器。15:35, 2号主变35kV侧后备保护装置动作。

现场检查发现, 35kV II段母线B相电压互感器爆炸、高压熔断器烧毁, 2号主变302断路器C相电流互感器烧损。电压互感器的型号为JZWX-35, 曾进行过预防性试验, 试验未发现异常, 励磁特性曲线在1.9Un (Un为额定相电压) 下无明显饱和趋势, 三相励磁特性基本一致。

3 事故原因分析

3.1 电压互感器爆炸的原因

图1、2所示为事故过程中两个重要时间点的故障录波图。由于事故发生时当地雷雨交加, 从图1中可以看出, 在14:38左右, 由于线路遭受雷击, B、C相发生了短暂的弧光接地, A相电压升高 , 由于接地时间较短, 持续了约2.5个工频周期, 保护装置未动作。接地消除后, 在A、B、C三相电压恢复的过程中, 线路的对地容抗与电压互感器励磁感抗参数达到铁磁谐振的条件, 发生铁磁谐振, 导致三相电压升高至约2倍相电压, 由于无消谐装置投入, 三相保持谐振状态。在此谐振电压下, 电压互感器的励磁电流迅速增大, 铁芯迅速饱和, 导致绕组严重发热。

谐振持续到14:40左右时, B相因严重饱和, 导致一次励磁电流过大, 绝缘发生烧损, 一次绕组发生匝间短路, 熔断器熔断, B相电压消失, A、C相继续维持谐振。判断B相有接地, 于是将35kVII段母线上运行的35kV永平Ⅰ回、35kV青山凹线轮流停电进行查找。

根据图1可知, 谐振发生后, 35kV II段母线三相电压同时升高为2倍相电压左右, 周期增大2倍, 频率降低到工频的一半, 开口三角电压为86.9V, 这是1/2分次谐波谐振所具有的典型特征。可以判定系统发生了1/2分次谐波谐振。

由于在三相电源的电势中不含1/2次谐波, 但在发生谐振过电压时的波形中, 相对地电压中却含有1/2次谐振分量, 说明1/2分次谐波谐振电压是零序性质的, 只存在于电源的中性点位移电压中。其瞬时电压值可表示为:

undefined (2-1)

因此, 各相对地电压可表示为:

undefined (2-2a)

undefined (2-2b)

undefined (2-2c)

可见, 当发生1/2分次谐波谐振时, 各相对地电压为电源电压和中性点位移电压即1/2分次谐波谐振电压的瞬时值之和, 其有效值可以表示为:

undefined (2-3)

其中UX为1/2分次谐波谐振时的相电压有效值;undefined为1/2分次谐波谐振零序电压有效值;EX50为50Hz工频电源相电压有效值。

在电压互感器发生铁磁谐振时, 由于铁芯严重饱和, 一方面限制了过电压的增长, 1/2分次谐波谐振过电压幅值通常不超过2UX;另一方面也正是由于铁芯的严重饱和, 使得励磁感抗急剧下降, 高压线圈中流过极大的过电流, 导致互感器高压熔丝熔断, 严重时引起互感器爆炸事故。

下面对相关参数进行计算:

因为三相电压互感器为同一厂家、同一型号、同一批次的产品, 2007年7月的预防性试验表明其励磁特性基本接近。因此, 近似认为各相励磁阻抗相等, 并忽略线圈电阻, 根据励磁特性曲线计算出单相励磁阻抗XL:

undefined

其中 Ul为额定线电压;I0为额定线电压下的励磁电流。

2009年4月, 采用电压互感器二次绕组开口三角端注入异频信号的方法对35kVⅡ段母线对地电容进行了测试, 测试结果为3.7μF, 因此, 可以计算出工频电压下35kVⅡ段母线电压互感器的单向对地容抗Xc:

undefined

因此, 阻抗比undefined, 远离1/2分次谐波谐振的谐振区undefined。在正常状态下不会发生谐振, 但系统由于受到雷击而发生B、C两相短暂弧光接地时, 在接地故障消失后, 电压恢复的过程中, 由于产生较大涌流, 电压互感器受到冲击而导致铁芯磁饱和, 此时互感器的励磁阻抗将明显下降, 使阻抗比undefined上升, 其值刚好位于0.01～0.08之间, 因而引发1/2分次谐波谐振。谐振发生后, 由于电压互感器一次侧中性点及二次辅助绕组开口三角端均未安装消谐装置, 事故发生时消弧线圈也未投入运行, 不能及时消除谐振, 因此谐振长时间维持 (B相持续了2分钟左右, 而A、C相将近持续了53分钟之久) , 最终导致互感器爆炸、高压熔断器烧毁。

3.2 原因分析

302断路器电流互感器在谐振持续期间一直承受着谐振过电压, C相由于内部存在缺陷, 发生较强的局部放电, 而且时间较长, 绝缘迅速下降, 到15:31, C相一次绕组与二次绕组之间的绝缘发生击穿, 高压串入二次回路的接地端, 导致电流互感器烧损, 同时相关保护动作, 2号主变三侧断路器跳闸。

4 结束语

这是一起由于电磁式电压互感器铁芯饱和引起的1/2分次谐波谐振事故, 由于系统中未安装限制谐振的消谐装置, 消弧线圈也未投入运行, 谐振未能及时消除, 过电压长时间维持, 导致设备绝缘降低, 最终发生互感器爆炸、高压熔断器烧毁事故。为了预防此类事故重复发生, 根据配网系统实际情况, 建议采取以下防范措施:

1) 将35kV母线电压互感器更换为电容式电压互感器以降低发生铁磁谐振的几率。

2) 如继续使用电磁式电压互感器, 应在电压互感器中性点加装消谐装置, 破坏谐振维持条件。

3) 将消弧线圈投入运行, 补偿电容电流, 使故障时的系统参数远离谐振区。

4) 加强干式互感器的局部放电试验检查, 对新安装的干式互感器进行局部放电试验, 对运行中怀疑存在绝缘缺陷的进行必要的抽查。

参考文献

[1]杜兴伟.中性点直接接地系统PT铁磁谐振抑制措施研究[D].北京:华北电力大学, 2005.

[2]张乃群, 陈军.35kV电压互感器和消谐器的绝缘配合[J].中国设备管理, 1998.

配电网铁磁谐振消谐方法探讨 篇7

在配电网小电流接地系统中, 电磁式电压互感器一次绕组中性点直接接地, 所以其每相绕组就要不时承受系统出现的谐振过电压或瞬时单相接地、雷击、倒闸操作等形成的过电压。电压互感器在这些过电压的作用下, 会发生保护电压互感器的高压熔断器熔断、电压互感器烧毁以及母线短路等故障, 这类故障现已是变电所里的一种常发性故障, 被人们笼统地称为电压互感器铁磁谐振故障。在我局电力网运行中, 10 k V及35 k V配电网铁磁谐振发生率较高, 三营变、七营变10 k V系统曾发生多次铁磁谐振, 10 k V电压互感器爆裂若干个, 从而造成了重大事故和经济损失。七营变、北郊变、海原变35 k V系统曾发生多次铁磁谐振, 造成电压互感器过热冒油或电压互感器高压保险熔断, 从而对电网的安全运行构成了极大威胁。我们调度班在实际工作中意识到, 加强铁磁谐振的防治对电网的安全运行非常重要。为此, 笔者分析了铁磁谐振的成因及危害, 并根据分析结果总结出了一套便捷、高效的消谐措施。

1 铁磁谐振的成因及危害

在发电厂、变电站小电流接地系统中, 经常发生因配电网接地引起铁磁谐振而造成高压熔断器熔丝熔断或烧毁电压互感器的现象。电力生产人员为防止电力系统铁磁谐振的发生采取了不少方法, 但是由于电力系统结构复杂, 运行方式灵活多变, 系统运行参数具有不确定性, 消除铁磁谐振的方法便有了局限性, 这就导致各种情况下的的谐振并不能全部消除。因此要进一步分析小电流接地系统铁磁谐振的原理, 寻找消谐方法, 从而在实际电力生产中预防及消除小电流接地系统中的铁磁谐振。

产生铁芯谐振电路, 首先应满足ωL0>1/ωC0 (L0为铁芯线圈的初始电感) 的条件。变压器、电压互感器等带铁芯的感性元件的铁芯磁饱和作用使电网的电感参数是非线性的, 当电网出现某种扰动时, 由于铁芯磁饱和及电压互感器饱和, 励磁电抗Xm与系统正序容抗无关, 只和系统对地的零序容抗X0有关, 且当X0/Xm<0.01时, 不发生谐振;随着X0/Xm的增大, 依次会发生分频、基频、三倍频谐振, 相应地, 发生谐振所需的外加电压也会逐渐增大。电力系统通常是在额定电压下运行, 当发生系统接地或其他原因使系统中参数方法变化符合铁磁谐振条件时, 一般分频谐振发生较多, 而基波谐振、高次谐波谐振发生较少。分频谐振时, 铁芯高度饱和, 通过电压互感器高压绕组的电流急剧增加, 导致电压互感器烧毁或高压熔断器熔断。电压互感器饱和引起的铁磁谐振仍是威胁电力系统安全运行的重要因素。

铁磁谐振较为明显的现象是:系统中性点位移, 出现虚幻接地或接地指示错误;系统电压监视仪表指针不停地摆动, 电气设备有放电声, 引发绝缘闪络或避雷器爆炸;工频谐振产生反倾而引起变压器负荷侧小电机反转, 断线谐振过电压还可以引起变压器绕组电流急剧增加、铁芯异音, 导线发生电晕等;电压互感器在谐振过电压的作用下, 常会发生绝缘击穿、铁芯发热、线圈过电流等。这些异常情况的存在, 轻则导致保护电压互感器的高压熔断器熔断, 重则导致电压互感器烧毁, 更严重时还会扩大为母线短路事故。

2 配电网铁磁谐振防治方法

消除铁磁谐振应从2方面着手, 即改变电感、电容参数和消耗谐振能量。人们据此制定了多种消除铁磁谐振的措施:

(1) 避免非全相操作断路器。投空母线时, 应先投断路器, 再投感性元件;因操作不当而诱发谐振时, 应立即终止操作, 将系统及时复归至初始状态。

(2) 对已发生的谐振, 可采用如下方法:1) 将变压器中性点临时接地;2) 投入备用的变压器、线路或其他特定设备等;3) 改变系统运行方式。

(3) 选用励磁特性较好的电磁式电压互感器, 增加电压互感器抗饱和能力, 从而有效防止因铁芯饱和而造成的铁磁谐振。

(4) 增大系统对地电容。在10 k V及其以下等级的系统母线上装设一组三相对地电容或以电缆代替架空线路, 以减小电网对地容抗, 从而避免谐振。

(5) 在电压互感器开口三角处接入电阻R, 35 k V以下的系统, 一般取10Ω≤R≤100Ω, 对于10 k V系统, 可接50~60Ω电阻。开口三角处接入的电阻不宜过小, 以防止一次系统单相接地时电压互感器本体过热。电阻法虽然经济、方便, 但阻尼力度不够强大, 对一次涌流无限制作用。R是接在开口三角处, 但由于R的接入, 将使流过电压互感器一次绕组的电流明显增大, 当系统发生间歇性弧光接地时, 电压互感器有可能损坏。

(6) 在电压互感器一次中性点处接入电阻R=0.06XL (XL为每相绕组在额定电压下的激磁阻抗) , 以增加回路阻尼, 需满足热稳定要求。6~35 k V系统, 常取5Ω≤R≤30Ω, 对于10 k V系统可接一级别为150 W、9Ω的电阻器。

(7) 在电压互感器的高压绕组中性点处另外增加一组零序电压互感器。当配电网发生单相接地故障时, 系统产生的零序电压大部分由零序电压互感器来承担, 从而可有效防止因铁芯饱和而造成的铁磁谐振过电压。

(8) 在电压互感器高压绕组中性点处接消谐器。消谐器实质上是一组非线性电阻, 配电网正常运行时, 消谐器呈高电阻值, 且消谐器上电压<500 V, 这就使铁磁谐振在形成的初期便有较大的阻尼, 从而遏制了铁磁谐振的发展;当电网发生单相接地时, 消谐器上电压较高, 可满足电压互感器开口三角处电压不小于80 V的绝缘监测要求, 并且仍可阻尼谐振;当电网发生弧光接地时, 消谐器仍能保持一定的阻值, 限制互感器涌流, 从而有效地限制高压涌流和铁磁谐振。

(9) 在电压互感器的开口三角绕组上安装微机消谐装置, 也称二次消谐器, 其采用单片机控制, 谐振时可以分析电压互感器开口三角处的零序电压, 且予以判定。在正常工作的情况下, 该装置内的大功率消谐元件处于阻断状态, 对系统无任何影响, 而一旦判断电网发生铁磁谐振时, 便会使正反并联在开口三角两端的2只晶闸管交替过零触发导通, 以限制和阻尼铁磁谐振, 当谐振消除后晶闸管便自行截止。消谐器在起动消谐期间呈低阻态, 电阻为几毫欧至几十毫欧。如此小的电阻值足以阻尼高频、基频及分频3种谐振。

(10) 应用电容式电压互感器的方法。该方法以“消除零序谐振回路”为原理, 所以这是一种从根本上消除谐振的方法。

3 结语

(1) 现阶段10 k V及35 k V电力系统一般都使用干式电磁式电压互感器, 工程上应该选用励磁特性较好的电磁式电压互感器, 以增加电压互感器的抗饱和能力, 从而有效地防止因铁芯饱和而造成的铁磁谐振。

(2) 对于铁磁谐振不频繁、谐振过电压不是很高的配电网, 可选择在电压互感器高压绕组中性点处或二次侧开口三角形处接入消谐电阻, 此方法实现起来比较方便, 且经济、投入少、见效快。

(3) 对于铁磁谐振频繁的配电网, 应采用微机消谐器, 它可实时监测电压互感器PT开口三角处的电压和频率。当发生铁磁谐振时, 装置瞬间启动无触点消谐元件, 产生强大阻尼, 从而消除铁磁谐振。微机消谐装置能区分外部过电压、铁磁谐振和单相接地, 该装置采用大功率、无触点消谐元件, 消谐迅速可靠。

(4) 应用电容式电压互感器。其他消谐措施可以概括归纳到改变“谐振回路参数”的一项基本方法之中, 而应用电容式电压互感器则是以“消除谐振回路”为原理, 所以其是一种从根本上消除谐振的方法。但是这种电压互感器的质量和体积相对较大, 因此在实际应用中往往有一定困难。

摘要：分析了配电网小电流接地系统铁磁谐振产生的原因及危害, 探讨了消谐措施, 以便在实际电力生产中有针对性地预防、消除小电流接地系统铁磁谐振。

关键词：电压互感器,铁磁谐振,消谐

参考文献

[1]郝秀玲, 杨君.配电系统铁磁谐振过电压的分析和措施探讨[J].中国安全生产科学技术, 2008 (6)