0.1級超微晶微型電流互感器的研究

李春來，湯曉宇，羅坤明

(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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0.1級超微晶微型電流互感器的研究

李春來1，湯曉宇2，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)

研發(fā)高精度微型電流互感器(TA)是目前電力儀器儀表行業(yè)共同關(guān)注的課題。選用高磁導(dǎo)率低矯頑力的超微晶材料做鐵心，采用單匝穿心式單鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計微型電流互感器，測試數(shù)據(jù)表明，測量精度達到0.1級。可見選擇好的鐵心材料，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，減小勵磁電流，減少測量誤差，在結(jié)構(gòu)簡單、成本不高的條件下設(shè)計出滿足計量精度的微型電流互感器。

電流互感器；單鐵心結(jié)構(gòu)；傳變特性；比差；角差

0 引言

電流互感器(TA)是電力儀器儀表最前端的取樣器件，其性能直接影響電力儀器儀表的測量精度。電流互感器運行時，一次側(cè)電流不能全部轉(zhuǎn)換為二次電流，其中一小部分將作為勵磁，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電流誤差和相位誤差[1]。電流互感器誤差主要是由勵磁電流引起的，盡可能減小勵磁電流造成電流互感器的測量誤差已成為提高電流互感器精度的主要途徑。根據(jù)文獻[2]，依據(jù)鐵心性能所測數(shù)據(jù)，目前國內(nèi)超微晶鐵心在匝數(shù)足夠的前提下可以滿足制作0.1級單鐵心結(jié)構(gòu)精密電流互感器的需要。因此選用高磁導(dǎo)率低矯頑力價格適中的超微晶材料做鐵心，采用單匝穿心式單鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計微型電流互感器，測量精度大大提高，基本達到電流互感器0.1級的精度(比差：≤±0.1%；角差：≤±5′)[3]。

1 電流互感器傳變特性的誤差分析

電流互感器傳變特性用角差f與比差δ衡量的，根據(jù)文獻[4]有

(1)

(2)

式中：I1為一次電流；I0為勵磁電流；φ為由勵磁安匝數(shù)I0N1在鐵心中建立起的磁通；U2為二次的感應(yīng)電壓；I0N1為勵磁安匝數(shù)；I2N2為二次安匝數(shù)；θ為I0N1與φ之間的夾角；φ2為I2N2與U2之間的夾角。

由式(1)、式(2)可以看出，電流互感器誤差主要是由勵磁電流造成的，減小勵磁電流，就減小誤差。若無勵磁電流就沒有誤差，但消除勵磁電流是不可能的，沒有勵磁電流就沒有磁通，電流互感器就不能正確傳變。

2 微型電流互感器的設(shè)計

根據(jù)上述原理，設(shè)計制作了單匝穿心式單鐵心結(jié)構(gòu)超微晶微型電流互感器CT04-5A/2.5 mA，質(zhì)量7 g。本項目選用高磁導(dǎo)率低矯頑力價格適中的超微晶材料做鐵心，鐵心尺寸為9.5 mm×13 mm×5 mm，超微晶規(guī)格為：批次1 K107、鐵心疊片厚度0.03 mm、密度d=7.20 g/cm3、最大磁導(dǎo)率μm=200 K、矯玩力HC=0.64 A/m；導(dǎo)線規(guī)格為Φ0.08 mm，為了測量mA級電流，次級匝數(shù)設(shè)計為2 000 T，直流電阻為150 Ω；塑料外殼：內(nèi)徑4.7 mm、外型尺寸21 mm×18.5 mm×10.3 mm；采用環(huán)氧樹脂封裝。

3 微型電流互感器試驗與數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗條件

設(shè)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[5]，測試環(huán)境22 ℃，35%RH。為了定量分析超微晶微型電流互感器的傳變特性，超微晶微型電流互感器CT04-5A/2.5 mA與普通硅鋼片鐵心微型電流互感器CT12-5A/2.5 mA各抽樣5個，進行測試。

3.2 試驗方案

試驗線路見圖2。

圖2 試驗線路圖

電流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)；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(注意電流互感器的同名端)；在電流互感器一次側(cè)依次施加(0.25 A、1 A、2.5 A、5 A、6 A)標準正弦波電流信號，測量電流互感器的傳變特性，負載為20 Ω，采集CT04與 CT12各5個樣品的比差、角差數(shù)據(jù)，各取1個樣品的數(shù)據(jù)來分析，試驗數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 CT04與CT12電流互感器的比差和角差

3.3 試驗數(shù)據(jù)及分析

選取1個CT04與CT12樣品的測試數(shù)據(jù)，見表1，根據(jù)表1繪制比差和角差曲線如圖3、圖4所示。

圖3 CT04與CT12電流互感器比差曲線

圖4 CT04與CT12電流互感器角差曲線

根據(jù)表1、圖3、圖4可以得知：

(1) CT04電流互感器比差隨著一次電流的增大由正值變?yōu)樨撝担畲蟊炔钪禐?.084%，達到0.05級電流互感器比差誤差限值；CT12電流互感器最大比差值為-1.13%，達到0.5級電流互感器比差誤差限值；

(2)電流互感器角差均為正值，二次電流相量均超前一次電流相量，隨著一次電流的增大由大逐漸變?。籆T04電流互感器的最大角差值為15′，接近0.1級電流互感器角差誤差限值，額定電流20%、50%角差偏差點可以通過電路補償方式進行補償解決；CT12電流互感器最大角差值為120′，接近0.5級電流互感器角差誤差限值；

(3)從測試數(shù)據(jù)與曲線圖可以看出，采用超微晶鐵心的電流互感器測量精度大大提高，基本達到電流互感器0.1級的精度(比差：≤±0.1%；角差：≤±5′)。

4 微型電流互感器帶負載能力測試

通過帶負載能力測試(負載分別為0 Ω、20 Ω、50 Ω)，CT04電流互感器在不同負載條件下比差和角差測試數(shù)據(jù)如表2所示，根據(jù)表2繪制CT04在不同負載下的誤差曲線，比差曲線如圖5、角差曲線如圖6所示。

表2 CT04電流互感器在不同負載條件下的比差和角差

圖5 CT04電流互感器在不同負載條件下的比差曲線

圖6 CT04電流互感器在不同負載條件下的角差曲線

由表2、圖5、圖6可以得知：(1)負載為0Ω、20Ω、50Ω時，最大比差分別是0.086%、0.084%、0.079%，比差曲線隨著負載的增大向負值方向偏移，未超出0.1級電流互感器比差誤差限值；(2)負載為0Ω、20Ω、50Ω時，角差均為正值，二次電流相量均超前一次電流相量，最大角差分別為12.5′、15′、18.2′，角差曲線隨著負載的增大向上偏移；(3)帶負載能力測試結(jié)論：CT04電流互感器傳變特性曲線線性較好，帶負載能力較強。

5 結(jié)論

選用高磁導(dǎo)率低矯頑力價格適中的超微晶材料做鐵心，采用單匝穿心式單鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計微型電流互感器，測量精度大大提高，基本達到電流互感器0.1級的精度?？梢娺x擇好的鐵心材料，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，盡可能減小勵磁電流，減少測量誤差，在結(jié)構(gòu)簡單、成本不高的條件下能設(shè)計滿足計量精度的微型電流互感器。

[1] 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.

[2] 郭來祥,張和飛.根據(jù)鐵心測量數(shù)據(jù)預(yù)判互感器精度指標的研究.北京微特測試技術(shù)研究所,2009(6).

[3] 中國電器工業(yè)協(xié)會,全國互感器標準化技術(shù)委員會.GB1208-2006電流互感器.北京:中國標準出版社,2006.

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

[5] 李春來,湯曉宇,黃業(yè)安.高精度微磁通電流互感器的研究.電測與儀表,2010,47(11):51-54.

Research on 0.1 Level Ultra Crystallite Miniature Current Transformer

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)

Research and development of high precision micro current transformer (TA) is the issue of mutual interest in electrical instrument and meter industry at present.This project chose high permeability and low coercivity material of superfine crystal as core,adopted the single-turn single core structure to design the micro current transformer.The test data show that the precision of the measuring is 0.1 level,thus showing that choosing good core material can optimize the structure,reduce the excitation current and reduce the measuring error.Under the condition of simple structure and low cost,micro current transformer that reaches the measuring accuracy was designed.

current transformer; single iron core structure; transfer characteristics; ratio error; angle error

廣東省科技廳高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化基金資助項目(2013B010101016)；河源市科技計劃基金資助項目(河科(2014)73號)

2015-02-13 收修改稿日期:2015-05-02

TM452

A

1002-1841(2015)07-0052-02

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