10 kV 電子式電流互感器探討

程大鵬

（大連第一互感器有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116200）

0 引 言

在各類先進(jìn)技術(shù)的支持與推動(dòng)下，電力系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化程度提高。傳統(tǒng)電磁式電流互感器存在技術(shù)等方面的缺陷，無(wú)法適應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行需求，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的有效保護(hù)。因此，必須對(duì)電流互感器進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化，以提升其技術(shù)水平，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率與效益。

1 性能優(yōu)勢(shì)

近年來(lái)，電子式電流互感器逐漸成為新的發(fā)展趨勢(shì)。在國(guó)家頒布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，電子式電流互感器被分為兩大類型：一類是AOCT，即有源混合式電子式電流互感器；另一類是OCT，又稱無(wú)源光學(xué)電子式電流互感器[1]。其中，有源混合式電子式電流互感器主要采用低功率電磁式電流互感器以及羅氏線圈作為主要的電流傳感元件（見(jiàn)圖1）。與傳統(tǒng)技術(shù)手段下的電流傳感元件相比，羅氏線圈具有諸多應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，如不飽和、動(dòng)態(tài)范圍寬等，可在一定程度上提升電流傳輸效率；但其也存在缺點(diǎn)，如抗干擾性低，外界磁場(chǎng)、環(huán)境中的溫濕度變化等都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，且在人工繞制以及多層繞制過(guò)程中容易出現(xiàn)額外誤差。在當(dāng)前的多種類型電磁式電流互感器中，低功率電流互感器應(yīng)用優(yōu)勢(shì)相對(duì)明顯，不僅有相對(duì)成熟的技術(shù)體系，也有較為穩(wěn)定的性能與較高的輸出靈敏度，可進(jìn)行批量生產(chǎn)，在電力系統(tǒng)中得到了相對(duì)廣泛的應(yīng)用[2]。

2 結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 LPCT 結(jié)構(gòu)與工作原理

LPCT 屬于一種新型低功率輸出特性的電磁式電流互感器，在GB/T 20840.8—2007 中，將LPCT 列為電子式電流互感器的一種實(shí)現(xiàn)形式[3]。作為電磁式電流互感器中的一個(gè)典型代表，LPCT 的性能質(zhì)量正逐年完善，技術(shù)水平不斷提高，應(yīng)用前景十分廣闊。LPCT 在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用具有如下特點(diǎn)：二次負(fù)載??；對(duì)測(cè)量的技術(shù)要求低。由于LPCT 所用材料為高導(dǎo)磁材料，如鐵基超微晶合金材料等，因此較小的鐵心尺寸就能滿足測(cè)量要求，且測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)度也能得到有效保證。取樣電阻RS、電磁式電流互感器及信號(hào)傳輸單元為L(zhǎng)PCT 的主要構(gòu)成，其主要運(yùn)行原理具體如下。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，一次母線電流與二次小電流將實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，之后由LPCT 中的取樣電阻將二次電流轉(zhuǎn)換為正比于一次電流的小電壓信號(hào)輸出；而由連接端子以及雙層屏蔽絞線構(gòu)成的信號(hào)傳輸單元將互感器輸出電壓信號(hào)傳遞到智能電子設(shè)備IED，在完成信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)外界電磁場(chǎng)的有效屏蔽。

圖1 電子式電流互感器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 羅氏線圈結(jié)構(gòu)與工作原理

較之其他交流電流測(cè)量方式，羅氏線圈有著十分顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，如有較好的線性度與較寬的頻帶，且不含鐵芯，造價(jià)低重量輕體積小，便于安裝與運(yùn)維，更重要的是羅氏線圈不會(huì)產(chǎn)生磁滯與飽和現(xiàn)象，測(cè)量范圍也相對(duì)寬泛，因而測(cè)量結(jié)果的全面性、科學(xué)性與準(zhǔn)確性可得到保障。目前，對(duì)羅氏線圈應(yīng)用廣泛的一種方式是將軟導(dǎo)線緊密且均勻地繞在非磁性骨架上，構(gòu)成一種線圈，利用該線圈實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電流的有效測(cè)量，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示[4]。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，根據(jù)安培環(huán)路電流定律，磁場(chǎng)強(qiáng)度H 沿任意封閉輪廓的積分等于穿過(guò)該封閉輪廓所限定面的電流，且這一電流量可通過(guò)具體的公式計(jì)算出來(lái)。但實(shí)踐表明，羅氏線圈還是存有一定缺陷。若想要獲得十分標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果，就需保證每匝線圈的橫截面都完全相等，且線圈均勻繞制。但在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，這兩項(xiàng)要求往往難以精準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)，一般的羅氏線圈并不具備每匝線圈橫截面都相同的條件，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果受到影響，參數(shù)的一致性無(wú)法實(shí)現(xiàn)，羅氏線圈的穩(wěn)定性能難得到保障。鑒于此，需要結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)與實(shí)際運(yùn)行需求，對(duì)羅氏線圈進(jìn)行優(yōu)化、改造，以提升其技術(shù)性能。如果在測(cè)量過(guò)程中采用印制電路板設(shè)計(jì)羅氏線圈，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)完成導(dǎo)線的布置工作，確保其能均勻布置于印制電路板之上，并借助數(shù)字加工技術(shù)對(duì)每匝線圈的橫截面進(jìn)行處理，確保各線圈橫截面相等。分析以往經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際測(cè)量中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些干擾因素，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差，因此，為全面提高電子式電流互感器的抗干擾性，最大程度減少外界磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量活動(dòng)帶來(lái)的干擾，工作人員可采用繞向反向串聯(lián)方式處理兩個(gè)線圈，使線圈輸出電壓增大，縱向磁場(chǎng)功能被抵消，提高測(cè)量結(jié)果精度。經(jīng)分析可知，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的新型PCB 羅氏線圈有效克服傳統(tǒng)羅氏線圈抗干擾性低、測(cè)量結(jié)果不精準(zhǔn)等缺陷，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，且新型羅氏線圈結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)科學(xué)、制作精細(xì)，值得在電力系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

圖2 羅氏線圈結(jié)構(gòu)示意圖

3 取樣電阻和羅氏線圈內(nèi)阻溫度系數(shù)測(cè)試

3.1 LPCT 取樣電阻溫度系數(shù)測(cè)試

在實(shí)際測(cè)量中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)材料特性不一致、工藝技術(shù)不相同等情況。這些問(wèn)題導(dǎo)致電阻阻值的一致性、統(tǒng)一性難以實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致阻值偏差出現(xiàn)，最終給整個(gè)測(cè)量結(jié)果造成影響。此外，電阻阻值會(huì)受環(huán)境因素尤其是溫度因素影響而發(fā)生變化，會(huì)給電流互感器的比差帶來(lái)嚴(yán)重影響。因此，可得到結(jié)論：PCB 羅氏線圈阻值與LPCT 取樣阻值會(huì)受溫度因素影響而發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致電子式電流互感器的準(zhǔn)確度受到影響，使得電力系統(tǒng)的運(yùn)行存在一定安全隱患。基于此，需要依據(jù)專業(yè)理論、采用科學(xué)合理的方法對(duì)PCB 羅氏線圈受溫度影響的程度進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)取樣電阻進(jìn)行篩選，從而保證互感器滿足設(shè)計(jì)精度要求。相關(guān)工作人員需根據(jù)羅氏線圈性能特征以及電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，設(shè)計(jì)一定的溫度環(huán)境，并讓PBC 羅氏線圈在不同的溫度條件下運(yùn)行，詳細(xì)記錄數(shù)據(jù)變化以及其他變化，分析判斷溫度對(duì)羅氏線圈產(chǎn)生的影響，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)計(jì)方案、羅氏線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，得出最佳設(shè)計(jì)方案，提高裝置運(yùn)行效率。

3.2 羅氏線圈的電阻溫漂及比差測(cè)試

進(jìn)行該項(xiàng)測(cè)試的主要目的在于了解PCB 羅氏線圈性能質(zhì)量，掌握其在電力系統(tǒng)中的適用性。進(jìn)行該項(xiàng)測(cè)試時(shí)，需要專門的恒溫箱裝置以及LCR 測(cè)試儀輔助完成，具體操作如下。首先，在恒溫箱內(nèi)放置PCB 羅氏線圈，之后利用LCR 測(cè)試儀以及電子式電流測(cè)試系統(tǒng)完成對(duì)羅氏線圈的電阻溫漂以及比差測(cè)試工作，并獲得準(zhǔn)確的測(cè)試數(shù)據(jù)。為保證測(cè)試結(jié)果的科學(xué)性、有效性，在測(cè)試過(guò)程中需保證溫度條件滿足相關(guān)要求，且要將PCB 羅氏線圈放置于不同的溫度條件下進(jìn)行測(cè)試，通常采用的3 個(gè)溫度為-50 ℃、250 ℃以及450 ℃。測(cè)試完成后，分析測(cè)試結(jié)果可知，PCB 內(nèi)阻容易受溫度影響發(fā)生阻值變化，然而溫度不會(huì)對(duì)PCB 線圈的角差以及比差產(chǎn)生過(guò)大影響，因此可實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的有效保護(hù)。

4 結(jié) 論

在電力系統(tǒng)中，電流互感器是重要組成設(shè)備，有著十分重要的保護(hù)與測(cè)量作用，電流互感器的性能質(zhì)量直接影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，影響用戶正常用電。因此，需加強(qiáng)對(duì)10 kV 電子式電流互感器的研究，為我國(guó)電力事業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展提供重要保障。