V型分割面在開(kāi)啟式電流互感器中的應(yīng)用

戴建堯

（華建電氣有限公司，浙江 樂(lè)清 325604）

1 開(kāi)啟式電流互感器應(yīng)用現(xiàn)狀與不足

1.1 國(guó)內(nèi)開(kāi)啟式電流互感器的行業(yè)研究發(fā)展過(guò)程

電流互感器是電力應(yīng)用體系中具有各種保護(hù)和測(cè)量功能的重要裝置，是如實(shí)反饋監(jiān)測(cè)一次系統(tǒng)電流信號(hào)的傳感元件，在電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、保護(hù)等技術(shù)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。其處于工作狀態(tài)時(shí)能否如實(shí)地反饋一次電流信息，對(duì)保證繼電保護(hù)正確動(dòng)作、避免誤動(dòng)起到了決定性的作用。在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中以鐵芯閉合式結(jié)構(gòu)為主流，產(chǎn)品本體必須串入電力電路中，也就是必須要打斷一次系統(tǒng)電路導(dǎo)體，給配電設(shè)備安裝與維護(hù)帶來(lái)許多不便。隨著我國(guó)輸配電行業(yè)互感器的整體制造技術(shù)水平的不斷提高，電流互感器也呈現(xiàn)出技術(shù)革新趨勢(shì)，電子與光纖高端品種工藝不斷成熟，給傳統(tǒng)的電磁式電流互感器帶來(lái)了沖擊，傳統(tǒng)電磁式制造廠家也不斷地對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)行進(jìn)技術(shù)突破和革新，科研工作是每個(gè)行業(yè)產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)品質(zhì)量提高的根本。鑒于應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的不斷提高，以及產(chǎn)品在制造、運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，有針對(duì)性地深入開(kāi)展研究就顯得尤其重要。針對(duì)電流互感器在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程存在的結(jié)構(gòu)性弊端，在行業(yè)中研發(fā)了各種開(kāi)合式電流互感器，使產(chǎn)品更加符合市場(chǎng)的實(shí)際需要。開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、產(chǎn)品體積小、性能穩(wěn)定、造價(jià)低廉，成為行業(yè)內(nèi)各專家及企業(yè)的科研目標(biāo)。

1.2 發(fā)展趨勢(shì)

目前的發(fā)展趨勢(shì)是傳統(tǒng)互感器制造廠商與電力用戶商根據(jù)現(xiàn)有條件擬定電流互感器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確定各種產(chǎn)品變比、技術(shù)規(guī)格參數(shù)、產(chǎn)品體積、外型安裝尺寸，供電力設(shè)計(jì)部門選用，在保證產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)指標(biāo)符合要求前提下盡可能地選用安裝維護(hù)簡(jiǎn)單、成本低廉的產(chǎn)品。開(kāi)啟式互感器實(shí)現(xiàn)的最大困難是其本身閉環(huán)式鐵芯被切割成兩半環(huán)，在使用時(shí)又重新閉合，在閉合的接觸面之間會(huì)有一定的氣隙空間，導(dǎo)致大量磁路不在鐵芯原有磁路上閉合，造成漏磁，大大地降低了互感器對(duì)鐵芯本來(lái)應(yīng)具備的導(dǎo)磁能力的期望。

1.3 該文主要研究工作

該次設(shè)計(jì)是針對(duì)具備開(kāi)合功能的電流互感器，因此不僅要掌握電互感器的基本原理，也要對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的關(guān)系進(jìn)行研究分析，解決閉環(huán)式鐵芯在開(kāi)啟后漏磁要盡可能地減少，滿足互感器本身對(duì)鐵芯互感磁場(chǎng)的需求。

2 電流互感器的理論

2.1 電磁場(chǎng)的基本概念

電磁場(chǎng)是電場(chǎng)與磁場(chǎng)兩者相互依存形成有機(jī)統(tǒng)一體的總稱。電場(chǎng)隨時(shí)間的變化產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化產(chǎn)生電場(chǎng)，兩者互為因果，同時(shí)存在，形成電磁場(chǎng)。變速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，強(qiáng)弱變化的電流也會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，不論原因如何，電磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁力線總是以光速向四周傳播，形成電磁波。電磁場(chǎng)是電磁作用的媒介物，是物質(zhì)存在的1種形式，具有動(dòng)量與能量。電磁場(chǎng)的特征及其運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律是有麥克斯韋方程組確定，它具備物質(zhì)的特性。

2.2 電流互感器的基本原理

電流互感器的在系統(tǒng)中的功能特性決定了其在正常條件下工作時(shí)，二次輸出電流的信號(hào)與系統(tǒng)側(cè)一次電流成正比，是一次電流的真實(shí)信息反應(yīng)；其一次繞組串聯(lián)在系統(tǒng)電路回路里，二次繞組通過(guò)測(cè)量?jī)x表和繼電器等負(fù)荷而閉合，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的量程、負(fù)荷能力范圍內(nèi)保證通過(guò)負(fù)荷的二次感應(yīng)電流與系統(tǒng)一次繞組的電流成正比。開(kāi)啟式電流互感器明顯特性就是本體沒(méi)有了一次繞組，從穿芯式電流互感器引伸而來(lái)，利用一次系統(tǒng)電路的導(dǎo)體直接當(dāng)作一次被測(cè)回路，通過(guò)圖來(lái)具體說(shuō)明電流互感器的應(yīng)用，二次繞組可以用來(lái)測(cè)量一次系統(tǒng)電路電流的大小，接至保護(hù)繼電器可以用于保護(hù)線路安全，電力系統(tǒng)在正常工作時(shí)電流在互感器量程范圍內(nèi)，互感器二次輸出正常工作電流，繼電保護(hù)裝置采集到的信息在正常工作范圍內(nèi)，無(wú)異常表象，其常開(kāi)觸點(diǎn)不會(huì)動(dòng)作，斷路器的跳閘線圈沒(méi)有工作電流，斷路器仍然處于接通正常工作狀態(tài)。系統(tǒng)電力線路發(fā)生短路或嚴(yán)重過(guò)載時(shí)，系統(tǒng)電路產(chǎn)生了大電流，互感器二次繞組就會(huì)感應(yīng)出成正比的二次電流，當(dāng)二次電流輸出增加到等于或大于繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作電流時(shí)，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，斷路器跳閘線圈流過(guò)工作電流，跳閘機(jī)構(gòu)動(dòng)作，斷路器跳閘，分?jǐn)嘞到y(tǒng)電流。值得注意的是，電流互感器二次繞組必須可靠接地，防止系統(tǒng)側(cè)電壓串入二次組繞時(shí)給設(shè)備及人員帶來(lái)危險(xiǎn)。而且互感器的二次繞組不允許開(kāi)路，開(kāi)路相當(dāng)于無(wú)窮大的負(fù)荷，就不能感應(yīng)出二次電流，一次安匝全部用來(lái)勵(lì)磁，會(huì)在二次繞驗(yàn)兩端產(chǎn)生高壓，高達(dá)幾千甚至上萬(wàn)伏，存在嚴(yán)重的安全隱患。

3 開(kāi)啟式電流互感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 鐵芯工藝設(shè)計(jì)

互感器環(huán)型鐵芯生產(chǎn)工藝流程：備料→分條→卷繞→退火→檢測(cè)1→浸漆→烘烤→檢測(cè)2→噴涂（外包）→整理→檢測(cè)4。其中的關(guān)鍵步驟是退火工藝的把關(guān)與處理，溫度與氣體保護(hù)都至關(guān)重要，當(dāng)然生產(chǎn)成本也會(huì)相應(yīng)的增加。

傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝是比較成熟的，只要保證工藝步序的每個(gè)細(xì)節(jié)都按照工藝標(biāo)準(zhǔn)，就能保證選材在生產(chǎn)過(guò)程中不會(huì)畸變，產(chǎn)品性能就會(huì)比較穩(wěn)定，符合一般技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。該文側(cè)重點(diǎn)在于如何將閉環(huán)式鐵芯分成兩半，且盡可能地減小對(duì)其性能的影響，目前行業(yè)通俗的生產(chǎn)工藝就是用切割機(jī)將閉環(huán)式鐵芯切割成兩半，工藝的技術(shù)點(diǎn)集中于切割面的平整度要求，當(dāng)2個(gè)被切割的面重新接合時(shí)，不可避免地會(huì)存在間隙。所以間隙占有率成為行業(yè)內(nèi)技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)，通過(guò)研發(fā)各種高精密儀器對(duì)鐵芯行業(yè)分割。雖然好的儀器切割出來(lái)的效果會(huì)好得多，但是投入的生產(chǎn)成本與技術(shù)要求也大大提高了。該設(shè)計(jì)對(duì)原有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，用合理的投入得到最優(yōu)的成果。

要解決分割面的接觸效果問(wèn)題，也是就有效接觸面的問(wèn)題，通過(guò)2個(gè)方面進(jìn)行研究：1）接觸的平整度。2）接觸面積。由于鐵芯是用于集中磁力線進(jìn)行導(dǎo)磁的載體，在磁力線通過(guò)分割面時(shí)還要考慮漏磁問(wèn)題，部分磁力線會(huì)在分割面跑偏，通過(guò)外界空氣閉合形成回路，大大地降低了鐵芯原有的磁導(dǎo)性能，嚴(yán)重影響了電流互感器繞組對(duì)原設(shè)計(jì)磁通的需求，導(dǎo)致電流互感器性能降低甚至無(wú)用報(bào)廢，違背了電流互感器在電力系統(tǒng)中作用的初衷。

在解決分割平整度的課題上，只能通過(guò)研發(fā)高精密儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)；在解決擴(kuò)大接觸面積的課題上，該文是在不改變?cè)F芯幾何尺寸結(jié)構(gòu)的前提下，通過(guò)采用V型接觸面來(lái)增大有效果接觸面，由于鐵芯是由硅鋼片卷繞而成的，硅網(wǎng)片表層附有絕緣膜層，而且鐵芯在卷制成后，通過(guò)浸漆等工藝來(lái)加強(qiáng)絕緣，確保結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度與穩(wěn)定性，所以其本體是導(dǎo)體與絕緣體的層混結(jié)構(gòu)，它不能像鐵塊那樣單一地用線切割去實(shí)現(xiàn)分割，如果要通過(guò)切割的方式一次形成V型面，在技術(shù)課題上是個(gè)難點(diǎn)，而且更難保證V型面的平整度，所以我們要通過(guò)用雙環(huán)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)V型面，圖1 就是將原來(lái)環(huán)型幾何尺寸的鐵芯通過(guò)用2個(gè)大小環(huán)鐵芯套制而成，保證內(nèi)徑、外徑、高度都不變，延中線分成2個(gè)大、小環(huán)，將大、小環(huán)鐵芯分別用切割方式，斜切本體，切割線不在環(huán)的圓心點(diǎn)上，在分割面形成一個(gè)斜面，可以根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際要求，結(jié)合鐵芯幾何結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)整切割線的傾斜度，來(lái)控制斜面的面積。將切好的2個(gè)大小環(huán)重新組套，就會(huì)在原有的分割面形成V型面。特別值得注意的是，因?yàn)橐紤]磁力線的漏磁問(wèn)題，在斜切時(shí)，切面是延硅鋼片卷繞方向，切面就硅鋼片形成夾角，而不能使切面垂直于硅鋼片，如圖2所示。雙環(huán)合套后進(jìn)行勵(lì)磁檢測(cè)，與原未切割時(shí)勵(lì)磁參數(shù)進(jìn)行復(fù)比，確保磁損在可控范圍內(nèi)。

3.2 繞組設(shè)計(jì)

在完成鐵芯制作后，根據(jù)原來(lái)設(shè)定的互感器變比來(lái)制作二次繞組。由于開(kāi)啟式電流互感器是穿芯式的1種不存在一次繞組，變比率只能通過(guò)二次繞組來(lái)實(shí)現(xiàn)，二次繞組的匝數(shù)與一次電流大小成正比，由于安匝數(shù)的不確定導(dǎo)致鐵芯幾何大小也無(wú)法確定，安匝數(shù)越大鐵芯截面積越小，安匝數(shù)越小鐵芯截面積越大，兩者成反比關(guān)系。因?yàn)殍F芯被分割成兩半，在制二次繞組時(shí)不像閉環(huán)式那樣可以纏繞一個(gè)整周，需要將二次繞組也等分成兩半，鐵芯各邊各自纏繞，在為段點(diǎn)用軟連接跳線導(dǎo)通，如圖3所示。

這樣做的目的是為了均勻地分布勵(lì)磁電流，確保分段的兩邊鐵芯盡可能地建立均勻磁場(chǎng)，以滿足電場(chǎng)與磁場(chǎng)互感作用所需要的理相環(huán)境，磁力線閉合通路都能在二次繞組線圈內(nèi)完成，減少漏磁現(xiàn)象，保證開(kāi)啟式電流互感器電流互感原理不被破壞，產(chǎn)品技術(shù)性能技術(shù)指標(biāo)少受開(kāi)啟后的影響。當(dāng)系統(tǒng)一次小流太小時(shí)，二次安匝數(shù)也就會(huì)很小，鐵芯截面積則要求很大，但是勵(lì)磁電流也會(huì)很大，常常會(huì)導(dǎo)致誤差不能滿足要求。可以通過(guò)電流并聯(lián)的方法，將鐵芯拆分為2組或若干組（根據(jù)實(shí)際具體電流比）來(lái)設(shè)計(jì)，例如50/5A的開(kāi)啟式電流互感器，我們可能通過(guò)用2

圖1 V型面開(kāi)啟鐵芯生產(chǎn)示圖

圖2 V型面錯(cuò)誤的切面示圖

圖3 繞組纏繞在2個(gè)半環(huán)上

只100/5的V型面開(kāi)啟式電流互感器首尾并接來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

對(duì)小電流比需要組合使用的，在生產(chǎn)工藝中要注意的是二次繞組的導(dǎo)線截面積要根據(jù)實(shí)際分?jǐn)偟妮d流來(lái)選擇，并且電流互感器二次繞組線圈自身的阻抗在工作時(shí)也是其負(fù)荷組成的重要部分，對(duì)二次安匝數(shù)很大的繞組來(lái)說(shuō)，可能自身阻抗部分所承載的負(fù)荷比額定負(fù)荷還要大，所以內(nèi)在阻抗直接影響了電流互感器的誤差，其截面積需要進(jìn)行計(jì)算確定。

3.3 產(chǎn)品選型計(jì)算

電流互感器應(yīng)用額定變比的確定：通常根據(jù)電流互感器應(yīng)用系統(tǒng)一次負(fù)荷來(lái)確定系統(tǒng)的額定一次電流I1，互感器選型電流比與電力系統(tǒng)一次額定電流匹配，原則上可稍大不可小如公式（1）所示。

式中：Un為電流互感器應(yīng)用系統(tǒng)的額定電壓，kV;P1為電流互感器應(yīng)用系統(tǒng)側(cè)的一次電力負(fù)荷，kVA; cosψ為功率因數(shù)，一般按cosψ=0.8計(jì)算。

根據(jù)電流互感器的功能要求，計(jì)量用電流互感器儀表保安系數(shù)要小于5，保護(hù)用電流互感器根據(jù)系統(tǒng)側(cè)最大故障電流來(lái)確定準(zhǔn)確級(jí)限值，一般為10、20、30。

電流互感器的額定變比則由額定一次電流與額定二次電流的比值決定，國(guó)內(nèi)二次輸出額電流一般為定值5 A或1 A， 一次電流根據(jù)系統(tǒng)量程來(lái)確定。

互感器二次負(fù)載能力由額定二次負(fù)荷來(lái)確定，如果接入的二次負(fù)荷超過(guò)其原設(shè)計(jì)的額定二次負(fù)荷時(shí)，互感器工作時(shí)鐵芯勵(lì)磁曲線超出了原設(shè)計(jì)的范圍之內(nèi)，其準(zhǔn)確度等級(jí)將無(wú)法滿足要求，鐵芯有可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)飽和狀態(tài)。為了保證互感器變比準(zhǔn)確、可靠，一般要求電流互感器的二次所接負(fù)荷必須在設(shè)計(jì)額定二次負(fù)荷的25%～100%，國(guó)標(biāo)GB/T 20840中有明確規(guī)定。

圖4 通過(guò)繞組并聯(lián)來(lái)測(cè)量小電流

根據(jù)選型所需要的電流比與二次負(fù)載容量來(lái)計(jì)算開(kāi)啟式電流互器所需的鐵芯大小及繞組方案。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電流互感器計(jì)算方法確定標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)啟式電流互感器生產(chǎn)工藝。

4 結(jié)論

目前，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，整個(gè)社會(huì)對(duì)電能的需求量越來(lái)越大，要求也越來(lái)越高，電力系統(tǒng)技術(shù)不斷地提升與更新，對(duì)電力設(shè)備也提出了更高的要求。開(kāi)啟電流互感器作為電力系統(tǒng)中的測(cè)量與保護(hù)元件，由于其結(jié)構(gòu)的優(yōu)異特點(diǎn)，深受用戶青睞，很多系統(tǒng)都已經(jīng)投入使用，并且取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

近年來(lái)，我國(guó)的電力互感器行業(yè)從國(guó)外引進(jìn)技術(shù)和吸取經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)的國(guó)情，深入研發(fā)新技術(shù)、新工藝，使整體制造水平有了明顯的進(jìn)步，部分互感器企業(yè)的設(shè)計(jì)能力和制造工藝水平有了很大的提高，使我國(guó)互感器制造在國(guó)際上占據(jù)了重要的地位，出口份額不斷提升。

通過(guò)對(duì)開(kāi)啟式電流互感器的發(fā)展現(xiàn)狀的文獻(xiàn)研究，掌握開(kāi)啟式電流互感器行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)，進(jìn)一步對(duì)開(kāi)啟式電流互感器進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)，攻克鐵芯開(kāi)啟后盡帶來(lái)的漏磁問(wèn)題，為具備開(kāi)合功能的電流互感器進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)保障。

綜上所述，研究制造新型開(kāi)啟式電流互感器，掌握制造技術(shù)、找到突破點(diǎn)、完善功能、方便用戶，我們要通過(guò)各種途徑來(lái)解決當(dāng)前遇到的難題，制造出新型的、具備開(kāi)合功能、高準(zhǔn)確度等級(jí)、技術(shù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)先的電流互感器，以滿足新時(shí)代電力系統(tǒng)的發(fā)展要求。