計量用電流互感器在3種鐵心條件下傳變特性的試驗與分析

李春來，湯曉宇，羅坤明

(1.河源職業(yè)技術(shù)學院電子與信息工程系，廣東河源 517000；2.廣東雅達電子股份有限公司,廣東河源 517000)

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計量用電流互感器在3種鐵心條件下傳變特性的試驗與分析

李春來1，湯曉宇2，羅坤明1

(1.河源職業(yè)技術(shù)學院電子與信息工程系，廣東河源 517000；2.廣東雅達電子股份有限公司,廣東河源 517000)

計量用電流互感器(TA)作為最前端信號源器件，其性能直接影響電力儀器儀表的測量精度。文中通過試驗與分析3種常用鐵心TA的傳變特性得出：TA的傳變特性與鐵心材料有關(guān)，具有非線性特性；超微晶鐵心、坡莫合金鐵心的TA傳變特性明顯優(yōu)于硅鋼片鐵心的TA；用坡莫合金鐵心和超微晶鐵心的TA準確度可以達到0.1級；用硅鋼片鐵心TA準確度可以達到1級。選擇性能優(yōu)良的鐵心材料，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，是提高TA傳變特性行之有效的方法。

電流互感器；鐵心材料；傳變特性；比差；角差

0 引言

計量用電流互感器(TA)作為信號源器件，廣泛應用于電力計量各種裝置中，其性能的優(yōu)劣直接影響計量的準確性，也直接影響電力儀器儀表的測量精度。對于計量用TA，一方面要求其測量精度高、線性要好，另一方面又要有良好的抗電磁干擾能力和穩(wěn)定性[1]。

電磁式TA產(chǎn)生誤差的主要因素是鐵心的非線性勵磁特性及飽和程度，是由激磁電流引起的，與TA鐵心特性有關(guān)，具有非線性特性。目前有許多關(guān)于這方面的文獻，主要以電子式或者雙鐵心結(jié)構(gòu)等，結(jié)構(gòu)比較復雜，故障率也較高，帶負載能力較差，生產(chǎn)成本也較高，不同鐵心條件下TA傳變特性對比分析的文獻較少。文中主要針對此問題開展的試驗性研究，選用3種常用的鐵心材料，對TA傳變特性做試驗性的分析與對比[2]。

1 TA傳變特性的誤差分析

實際上TA的傳變特性用角差f與比差δ來衡量的，根據(jù)文獻[3]有

(1)

(2)

式中：N1為一次線圈的匝數(shù)；I1分別為一次線圈電流；I0為鐵心中的激磁電流；φ為鐵心損耗角；α為二次負載的阻抗角。

電磁式TA運行時，一次電流不能全部轉(zhuǎn)換為二次電流，其中一小部分電流將作為勵磁，用于產(chǎn)生鐵心中的磁通，勵磁電流不僅在電流互感器鐵心中產(chǎn)生磁通，還產(chǎn)生渦流損失和磁滯損失等鐵心損耗，這種自身結(jié)構(gòu)特點決定了電流互感器存在著誤差[4]。由式(1)、式(2)可以看出，TA的誤差主要是由提供磁通的勵磁電流產(chǎn)生，減小TA的誤差，最有效的方法是減小勵磁電流。勵磁電流I0增大，角差f與比差δ相應會增大，且為非線性關(guān)系。勵磁電流影響TA的傳變特性，與鐵心特性有關(guān)，鐵心材料主要指標有導磁率和損耗角等[5]。

提高TA的性能主要有兩種途徑：一是采用優(yōu)質(zhì)材料；二是采用好補償方法，但補償工藝復雜，且成本也比較高。選擇好的鐵心材料，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，盡可能減小激磁電流，減少測量誤差，是在滿足工程測量精度的前提下，提高TA性能行之有效的方法。

2 3種鐵心材料TA的試驗與數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗條件

設備廠家/型號/名稱：沈陽中川/HESE/互感器校驗裝置一套，精度為0.005級。試驗溫度為室溫23 ℃，相對濕度50%，檢定場所周圍沒有與檢定工作相關(guān)的電磁場。為了定量分析研究不同鐵心材料條件下TA的傳變特性，在廣東雅達電子股份有限公司制作了3種不同鐵心材料(超微晶鐵心、坡莫合金鐵心、硅鋼片鐵心)的TA各3個，共9個樣品(單鐵心穿心式結(jié)構(gòu))進行測試。試驗用3種鐵心材料的磁性能比較見表1，次級匝數(shù)均為2 000，變比5 A/2.5 mA。坡莫合金、微晶鐵心的TA，鐵心尺寸均為9.5 mm×13 mm×5 mm、線型Φ0.08 mm、直流電阻150 Ω；硅鋼片鐵心的TA，鐵心尺寸為22 mm×30 mm×15 mm、線型Φ0.15 mm、直流電阻85 Ω。

表1 試驗用三種鐵心材料的磁性能比較

2.2 試驗方案

試驗線路圖見圖1，接線說明：

(1) 根據(jù)TA變比選擇一次和二次量程；

(2) 將互感器校驗裝置輸出電流線穿過互感器一次孔形成閉環(huán)(L-X、5A-5A)；

(3) 將電流互感器輸出端K1、K2分別接到互感器校驗裝置的K1、K2端(注意TA的同名端)。

圖1 試驗原理圖

為了便于定量研究3種不同鐵心材料條件下TA的傳變特性，按一次額定電流的不同比列分成13個測試點，負載均為20Ω，測量TA的比差與角差，共采集3種不同鐵心材料共9個TA樣品的比差、角差數(shù)據(jù)，每種材料取一個樣品的數(shù)據(jù)來分析。

2.3 試驗數(shù)據(jù)

3種鐵心各選取一個樣品的測試數(shù)據(jù)，詳見表2。

2.4 試驗數(shù)據(jù)分析

2.4.1 3種鐵心材料TA的比差特性對比分析

根據(jù)表2繪制的比差曲線，如圖2所示。

根據(jù)表2、圖2得知：

(1)坡莫合金鐵心TA在一次電流為大于50%時，比差都超過-0.04%，最大值為-0.046%，隨著在一次電流的增大比差由正值向負值方向偏移；超微晶鐵心TA的一次電流比例小于40%時比差都超過0.04%，最大值為0.089%；硅鋼片鐵心TA的比差均為負值，最大值為-1.13%，在一次電流比例小于20%時，比差均超過-0.5%。

表2 三種鐵心TA的比差和角差

圖2 3種鐵心TA傳變特性的比差曲線

(2) 坡莫合金鐵心TA一次電流比例5%、20%、100%、120%的比差分別為：0.010%、-0.010%、-0.045%、-0.046%，未超出0.05級TA比差誤差限值[6]；超微晶鐵心TA一次電流比例5%、20%、100%、120%的比差分別為：0.089%、0.071%、0.011%、0.009%，基本達到0.05級TA比差誤差限值；硅鋼片鐵心TA一次電流比例5%、20%、100%、120%的比差分別為：-1.13%、-0.50%、-0.15%、-0.132%，未超出1級TA比差誤差限值。

(3) 超微晶鐵心、坡莫合金鐵心TA的比差傳變特性明顯優(yōu)于硅鋼片鐵心的TA。

2.4.2 3種鐵心材料TA的角差特性對比分析

根據(jù)表2繪制角差曲線，如圖3所示。

圖3 3種鐵心TA傳變特性的角差曲線

根據(jù)表2、圖3得出：

(1) 坡莫合金鐵心、超微晶鐵心、硅鋼片鐵心TA的角差均為正值，且隨著在一次電流的增大而由逐漸變小。在一次電流比例10%時，坡莫合金鐵心、超微晶鐵心、硅鋼片鐵心TA的角差最大值分別為15.5′、12.5′、70′。

(2) 坡莫合金鐵心TA一次電流比例5%、20%、100%、120%的角差分別為：15.8′、13.9′、7.7′、7.1′，角差接近0.1級TA角差誤差限值；超微晶鐵心TA一次電流比例5%、20%、100%、120%的角差分別為：14.2′、11.6′、5.2′、4.4′，角差接近0.1級TA角差誤差限值；硅鋼片鐵心TA一次電流比例5%、20%、100%、120%的角差分別為：120′、44′、20′、19′，角差未超出1級TA角差誤差限值。

(3)超微晶鐵心、坡莫合金鐵心TA的角差特性明顯優(yōu)于硅鋼片鐵心TA。

3 結(jié)論

理論與試驗結(jié)果分析說明，電磁式TA因存在提供磁通的勵磁電流必然產(chǎn)生誤差，誤差與鐵心結(jié)構(gòu)及材料有關(guān)，具有非線性關(guān)系。試驗結(jié)果分析說明，超微晶鐵心、坡莫合金鐵心TA的傳變特性明顯優(yōu)于硅鋼片鐵心TA。坡莫合金鐵心和超微晶鐵心TA的比差等級優(yōu)于角差等，用坡莫合金鐵心和超微晶鐵心的TA準確度可以達到0.1級；用硅鋼片鐵心TA準確度可以接近1級。

選擇好的鐵心材料，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，盡可能減小激磁電流，減少測量誤差，是在滿足工程測量精度的前提下，既簡單成本低、又能提高TA傳變特性行之有效的方法。從經(jīng)濟角度及適合場所分析，超微晶鐵心、坡莫合金鐵心的成本高于硅鋼片鐵心，坡莫合金鐵心又略高于超微晶鐵心。計量用TA一般要求體積小質(zhì)量輕，超微晶鐵心、坡莫合金鐵心適合于制造計量用TA。

[1] 陳黎來.電流互感器對電能計量的影響.電力自動化設備,2011,31(1):138-141.

[2] 李春來,湯曉宇,黃業(yè)安，等.計量用TA在直流偏磁條件下傳變特性的試驗與分析.電力自動化設備,2011,31(7):143-145.

[2] 張振洪,趙有俊.高精度零磁通電流傳感器的研究.傳感器與微系統(tǒng)，2009(10)：52-54.

[4] 袁金晶,孫國菊,朱德省，等.電流互感器飽和特性分析及其補償.電測與儀表,2012,49(10):165-169.

[5] 楊玉剛.現(xiàn)代電子電力的磁技術(shù). 北京:科學出版社，2006.

[6] GB 1208—2006 電流互感器.

Measurement and Analysis of Transfer Characteristics of Metering CT with Three Different Core Materials

LI Chun-lai1,TANG Xiao-yu2,LUO Kun-ming1

(1.Department of Electronic and Information Engineering, Heyuan Vocational Technical College, Heyuan 517000,China; 2. Heyuan City Yada Electronic Industry Co.,Ltd., Heyuan 517000,China)

As the forefront signal source, the properties of current transformer (CT) for metering directly affect the precision of electric instrument. Through the experiment and analysis of transfer characteristic with three kinds of core materials, the results show that the CT’s transfer characteristics have nonlinear characteristics associated with the core material. The transfer characteristics of CT with super microcrystalline core and permalloy core are obviously better than that of silicon steel sheet core. The precision of CT with permalloy core and super microcrystalline core is up to 0.1%. The precision of CT with silicon steel sheet core is up to 1%. Making a good choice of core material and optimizing structure are the effective ways to improve the CT’s transfer characteristics.

current transformer; core material; transfer characteristics; ratio error; phase displacement

廣東省科技廳高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化基金資助項目(2013B010101016)

2014-09-01 收修改稿日期：2014-12-01

TK513

A

1002-1841(2015)04-0104-03

李春來(1968—)，副教授，主要研究方向為電力傳感器及應用電子技術(shù)。E-mail:shixiajun@126.com 湯曉宇(1971—)，工程師，主要從事電力儀器儀表的研究開發(fā)。