一種開合式微型電流互感器的設(shè)計與實驗分析

董文華，李春來，蘭 雄

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

隨著智能電網(wǎng)的應(yīng)用與發(fā)展，電流互感器在電力系統(tǒng)的測量、保護和監(jiān)測時使用非常普遍，其精度和穩(wěn)定性能得到了很大的提高，而在一些不方便斷電拆線或者拆卸時間較長而又不方便長時間停電的場合，常規(guī)的電流互感器不合適使用，而且要求電流互感器體積較小，因此，能夠在線安裝的開合式微型電流互感器的研究和使用尤為重要[1-2]. 雖然，鐵芯切開后會降低鐵芯磁導(dǎo)率，但微型電流互感器的精度并非僅由磁導(dǎo)率決定，其精度可以通過不同的結(jié)構(gòu)以及不同的補償方法來提高[3]. 本文從互感器結(jié)構(gòu)和鐵芯結(jié)構(gòu)及磁性材料的選用上設(shè)計一種新型的開合式微型電流互感器并對其進行實驗分析.

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)開合式微型電流互感器的誤差分析得出使其誤差減少的辦法，設(shè)計了型號為CTF16-100 A/40 mA的單匝開合式微型電流互感器.

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本次設(shè)計的開合式微型電流互感器(型號為CTF16)選擇了鐵氧體為鐵芯材料，并出于生產(chǎn)工藝方面的考慮，選擇了方形鐵芯[4]，中空，長寬高尺寸為26.8 mm×15.9 mm×34 mm，厚度為5 mm，上下對半切割成2塊，每塊高為17 mm，兩塊大小一樣，其中一塊繞二次繞組，另外一塊不用繞線(如圖1所示)；而一次繞組為1匝，二次繞組匝數(shù)為2 500匝，全部繞在下面那塊鐵芯上，直流電阻約為205 Ω；CTF16總重量為160 g. CTF16電流互感器塑料外殼外形結(jié)構(gòu)尺寸(如圖2所示)，由于下邊繞了二次繞組，所以外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計得大些，而上邊鐵芯不需要繞線，其外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計得要小些；為了用來固定安裝放置不需要繞線鐵芯的外殼，將安裝放置繞線鐵芯的塑料外殼一邊用連接螺銷固定上半部分外殼(用來放置不需要接線的鐵芯)，可以旋轉(zhuǎn)，而另一邊用卡扣固定，測量時可將卡扣打開，放入需要測量的電流線，再把上下兩部分合上，輕輕按壓，卡扣就扣緊，使用非常方便.

使用這種開合式電流互感器時，先輕輕地打開卡扣，把所需要測量的電流的電線放入mm(如圖2中標示)內(nèi)孔中，按下卡扣扣緊，然后再用萬用表測量電流互感器的電流，最后根據(jù)電流互感器的變比將測量的電流數(shù)據(jù)換算，就可以測得所需要測量電線的電流.

圖1 開合式微型電流互感器CTF16鐵芯結(jié)構(gòu)圖Fig.1 CTF16 Core Structure Diagram of the Open-close Micro Current Transformer

圖2 CTF16外殼結(jié)構(gòu)圖Fig.2 CTF16 Casing Structure Diagram

1.2 材料選擇

考慮到閉合鐵芯切割后切面的情況[5]，由于鐵氧體切割后切面平整，氣隙比較小且導(dǎo)磁率較高，本次設(shè)計選擇了鐵氧體作為鐵芯材料[6]，鐵氧體型號為UU27/34 SNH12，密度為4.95 g/cm3，其初始磁導(dǎo)率為12000，矯頑力為4.5 A/m；選擇的繞線為漆包線，規(guī)格為mm；采用塑料外殼，用環(huán)氧樹脂封裝.

2 誤差分析

開合式微型電流互感器在正常工作時，一次繞組匝數(shù)n1為1，只考慮其接純阻性負載時，根據(jù)開合式電流互感器的等效電路，列出其對應(yīng)的狀態(tài)方程，則可導(dǎo)出其傳遞函數(shù)模型如圖3.

圖3 傳遞函數(shù)模型Fig.3 Transfer Function

圖3中，RL為二次負載，siron為鐵芯面積，liron為鐵芯磁路長度，n2為二次繞組匝數(shù)，λ為氣隙比(即空氣間隙的寬度[7])，μ為閉合鐵芯磁導(dǎo)率，μ0為真空中的磁導(dǎo)率，I1(s)為一次電流，I2(s)為二次電流. 因此，根據(jù)開合式電流互感器傳遞函數(shù)模型，則其傳遞函數(shù)可表示為[8]:

因此，其復(fù)合誤差傳遞函數(shù)為:

從公式(2)可看出，要使得電流互感器的誤差減少的辦法有：減小負載、增加繞組匝數(shù)、選用磁導(dǎo)率大的鐵芯并減小氣隙比、增大鐵芯截面積、減少磁路長度等[9].

3 實驗與數(shù)據(jù)分析

3.1 實驗條件

實驗使用的設(shè)備[10]:沈陽中川HESE型微型互感器檢定裝置，測量精度為0.005級. 實驗環(huán)境:溫度25 ℃，45%RH，實驗環(huán)境周圍沒有與測試無關(guān)的電磁場.

3.2 實驗方案

抽取5個開合式電流互感器CTF16樣品，分不帶負載(即0 Ω)、帶負載20 Ω和帶負載50 Ω3種情況，測量各個樣品的比差、角差數(shù)據(jù)，任取一個樣品的數(shù)據(jù)來分析，實驗數(shù)據(jù)詳見表1.

3.3 實驗步驟與實驗線路圖

實驗原理圖如圖4所示，電流互感器檢測儀使用說明如下:先根據(jù)電流互感器選擇一次和二次量程；再將標準電流互感器輸出電流線(L-X)穿過被測試電流互感器形成閉環(huán)(L-X，5 A-5A)；然后將被測試電流互感器的K1、K2分別接到標準電流互感器的K1、K2端；最后通過調(diào)節(jié)標準電流互感器輸出電流(按被測試電流互感器的量程的5%、20%、50%、100%、120%)，用互感器檢測儀測出被測量電流互感器與標準電流互感器相比較的比差和角差，這個比差和角差是相對于標準電流互感器而言，標準電流互感器的精度越高，被測量的比差和角差誤差就更小. (其中，L和5A，X和5A分別是標準電流互感器和電流電壓發(fā)生器的4個接線柱).

圖4 實驗原理圖Fig.4 Experimental Schematic Diagram

測試步驟如下:1. 將精密互感器的輸出電流線(L-X)放入被測的開合式電流互感器中，輸出電流調(diào)至100 A；2. 將精密電流互感器的輸出端K1、K2分別接到被測電流互感器的K1、K2端[11](注意同名端，不要接反)；3. 將被測的電流互感器一次線圈的電流信號依次調(diào)至5 A、20 A、50 A、100 A、120 A，測量其傳變特性，采集到其比差、角差數(shù)據(jù)，將測試數(shù)據(jù)填入表1中.

表1 3種不同負載情況下CTF16實驗數(shù)據(jù)表Tab.1 CTF16 Experimental Data under Three Different Load Conditions

3.4 實驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表1數(shù)據(jù)畫出開合式電流互感器CTF16在不同負載的情況下其比差曲線和角差曲線[12]，如圖5和圖6所示.

圖5 3種不同負載情況下CTF16比差曲線Fig.5 CTF16 Ratio DifferenceCurves under Three Different Load Conditions

從微型電流互感器CTF16實驗數(shù)據(jù)表1和其數(shù)據(jù)比差角差曲線圖可以看出，采用這種結(jié)構(gòu)的開合式電流互感器在沒有采用任何補償方法的情況下，根據(jù)國家標準GB20840-2010和微型電流互感器行業(yè)標準[13-14]，在負載不超過20 Ω時，其比差的測量精度可以達到0.2級；在負載為50 Ω時，其比差測量精度可達到0.5級；這種結(jié)構(gòu)的開合式電流互感器的角差比較大，在帶載20 Ω以內(nèi)，其角差測量精度為1級，但是，不管其所帶負載為0 Ω、20 Ω還是50 Ω，其角差的線性度都非常好[15](如圖6所示)，使用時可以進行修正.

圖6 3種不同負載情況下CTF16角差曲線Fig.6 CTF16 Angular Difference Curves under Three Different Load Conditions

3.5 溫升的數(shù)據(jù)分析

在正常工作時，環(huán)境溫度為23 ℃，讓開合式電流互感器CTF16在額定電流100 A、額定負載20 Ω下連續(xù)工作5小時，用紅外測溫儀測量其表面溫度，直到每小時溫升的變化不超過1 K，記錄其溫升情況如表2所示.

從表2可知，電流互感器CTF16在正常工作時其溫升在9±1 ℃，符合微型互感器標準要求.

表2 CTF16溫升情況的實驗數(shù)據(jù)表Tab.2 Experimental Data for CTF16 Temperature Rises

3.6 漏磁對電子器件影響的數(shù)據(jù)分析

考慮到這種開合式電流互感器(以下簡稱B)與普通的電流互感器相比，其漏磁相對會較大，因此將其漏磁對其周圍的電子器件影響做了實驗. 在實驗時，選擇電流互感器(以下簡稱A，100 A/40 mA，閉環(huán))為被影響的電子器件. 將測量單獨放置的A的比差角差1和將正常工作的CTF16和A放置在一起然后測A的比差2和角差2，數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 CTF16漏磁對電子器件影響情況的實驗數(shù)據(jù)表Tab.3 Experimental Data for the Impact of CTF16 Magnetic Flux Leakage on Electronic Devices

從表3的數(shù)據(jù)中可以看出，這種開合式電流互感器CTF16在正常工作時其漏磁對互感器A存在著一定的影響，可這種影響比較小，在正常的誤差范圍內(nèi).

4 結(jié)論

本文設(shè)計的這種選用方形鐵芯并采取一塊鐵芯繞線，而另一塊鐵芯不用繞線，然后將這兩塊鐵芯合在一起使用的開合式微型電流互感器，具有外形結(jié)構(gòu)簡單小巧、使用方便、比差精度較高的優(yōu)點. 其角差線性度較好，正常工作時其溫升符合微型互感器標準要求，其漏磁對周圍電子器件影響較小，可用于測量不超過100 A的電流，不需要停電就可以安裝操作. 這種開合式微型電流互感器可以滿足精度不是特別高且不方便停電，或拆卸需要很長時間而又不方便長時間停電安裝的使用場合，主要用于配套電表使用，可以做能耗監(jiān)控.

這種開合式結(jié)構(gòu)的微型電流互感器的精度較低的原因，有很大程度是受一次所測電流的擺放位置和上下兩個外殼與鐵芯配合緊密程度的影響. 要達到更高的精度，有幾種方法:(1) 不改變這種鐵芯的設(shè)計，但改變其繞線方式，如兩邊鐵芯繞線再把其鐵芯上的繞線串聯(lián)，這種繞線方式會少受一次所測電流的擺放位置的影響，因此其比差角差就會減少，而受一次所測電流擺放位置的影響就會減小. (2) 采取一些補償措施，如自我補償勵磁電流、外部提供勵磁電流和提供二次電勢補償?shù)姆椒ǎ紩@種開合式微型電流互感器的精度提高有效.