高精度測量用鐵心電流互感器的設(shè)計與仿真*

周英姿, 賈 峰, 季慧玉

[上海電器科學(xué)研究所(集團)有限公司, 上海 200063]

0 引 言

電流互感器是電力系統(tǒng)中進(jìn)行電流監(jiān)測、電流計量和繼電保護的重要電氣設(shè)備,其精度和可靠性與電力系統(tǒng)的安全可靠運行密切相關(guān),同時也對配電保護電器的功能擴展與智能化改造有著重要的作用[1-3]。

能源物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,對斷路器中電流互感器的測量精度提出了越來越高的要求。目前,低壓電器中普遍采用空心電流互感器進(jìn)行電流測量,但受限于空心電流互感器易受外界干擾及加工工藝的影響,空心電流互感器的測量精度普遍不高,難以達(dá)到0.5級、0.2級的測量精度。本文通過電磁仿真技術(shù),分析影響鐵心電流互感器測量精度的因素,并加工實物進(jìn)行試驗驗證,同時提出相關(guān)的改進(jìn)建議。

1 鐵心電流互感器的工作原理

電流互感器的工作原理與變壓器類似,當(dāng)其工作在正弦穩(wěn)態(tài)情況下,目前普遍采用變壓器等效電路進(jìn)行分析。電流互感器等效電路圖如圖1所示。

圖1 電流互感器等效電路圖

一次側(cè)電路的所有參數(shù)都折合到二次側(cè)進(jìn)行分析,其中I′1、I′0、Z′1、Z′m分別為一次側(cè)電流、激磁電流、一次側(cè)漏阻抗和激磁阻抗折合到二次側(cè)的量,I2為二次側(cè)電流,Z2、ZL為二次側(cè)漏阻抗和負(fù)載阻抗。

鐵心的激磁阻抗Z′m為

(1)

式中:ω——角頻率;

R——電流互感器整個磁路的磁阻;

N1、N2——一次側(cè)、二次側(cè)的線圈匝數(shù)。

在理想狀態(tài)下,由于鐵心磁導(dǎo)率很大,鐵心磁阻R很小,鐵心激磁阻抗Zm很大,激磁電流I′0可以忽略不計,那么一次側(cè)、二次側(cè)電流比等于匝數(shù)的反比,其中k為一次側(cè)、二次側(cè)匝數(shù)比。

(2)

但實際產(chǎn)品中由于多種因素會導(dǎo)致激磁電流I′0不能忽略,那么激磁電流I′0的存在,電流I′1并不能全部通過負(fù)載,這樣就出現(xiàn)了測量誤差。因此對于鐵心電流互感器來說,激磁電流I′0的大小是影響其測量精度的關(guān)鍵因素,如何減小激磁電流I′0,是提高電流互感器測量精度的關(guān)鍵[4]。

I′1-I′0=I2

(3)

2 影響電流互感器測量精度的因素分析

由電流互感器的工作原理可知,激磁電流的大小是影響電流互感器測量精度的關(guān)鍵因素,若想減小激磁電流,就要提高激磁阻抗。由式(1)可知,激磁阻抗與電流互感器磁路中的磁阻密切相關(guān)。

若鐵心采用硅鋼片插片交疊的方式,會在插片間的接觸處引入了空氣氣隙,由于空氣磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鐵心磁導(dǎo)率,故互感器整個磁路的磁阻R將增大。由式(1)可見,磁阻增大導(dǎo)致激磁阻抗減小,從而導(dǎo)致激磁電流I′0增大,因此電流互感器的測量精度下降。

同樣如果鐵心飽和,那么鐵心磁導(dǎo)率減小,鐵心磁阻增大,激磁阻抗減小,也會導(dǎo)致激磁電流增大,影響電流互感器的測量精度。

2.1 插片結(jié)構(gòu)對互感器測量精度的影響

建立插片結(jié)構(gòu)形式電流互感器的仿真模型。插片結(jié)構(gòu)電流互感器的仿真模型如圖2所示。兩個L形的插片在兩個接觸處都存在一定的間隙,一次側(cè)為一次穿心,二次側(cè)2 000匝,接觸處的間隙設(shè)為0.03 mm。經(jīng)仿真計算,插片結(jié)構(gòu)電流互感器不同I1下N2I2、I0的計算結(jié)果如圖3所示。

圖2 插片結(jié)構(gòu)電流互感器的仿真模型

圖3 插片結(jié)構(gòu)電流互感器不同I1下N2I2、I0的計算結(jié)果

由圖3可見,隨著一次側(cè)電流的增大,激磁電流逐漸增大。由于較大激磁電流的存在,二次側(cè)電流無法正確地反映出一次側(cè)檢測電流的大小,因此鐵心采用硅鋼片插片方式的電流互感器測量精度不高。

將鐵心由硅鋼片插片結(jié)構(gòu)形式改為帶材卷繞形式,同樣的結(jié)構(gòu)尺寸,進(jìn)行仿真計算。卷繞結(jié)構(gòu)電流互感器不同I1下N2I2、I0的計算結(jié)果如圖4所示。在0.5～70.0 A整個電流檢測區(qū)域,激磁電流的數(shù)值都很小,最大的激磁電流為65 mA。由此可見,采用卷繞的方式,互感器整個磁路的磁阻大大減小,激磁電流大大減小,因此二次側(cè)電流能精確地反映一次側(cè)電流的大小,互感器的測量精度大大提升。插片結(jié)構(gòu)和卷繞結(jié)構(gòu)互感器二次側(cè)負(fù)載電壓隨一次側(cè)電流變化的仿真結(jié)果對比圖如5所示。由圖5可見,同樣一次側(cè)電流下,卷繞結(jié)構(gòu)形式的二次側(cè)輸出更大,更能真實地反映一次側(cè)電流的大小。

2.2 二次側(cè)線圈匝數(shù)對測量精度的影響

電流互感器鐵心為軟磁材料,其具有非線性。

圖4 卷繞結(jié)構(gòu)電流互感器不同I1下N2I2、I0的計算結(jié)果

圖5 插片結(jié)構(gòu)和卷繞結(jié)構(gòu)互感器二次側(cè)負(fù)載電壓隨一次側(cè)電流變化的仿真結(jié)果對比

隨著檢測電流的增加,鐵心逐漸飽和,鐵心磁導(dǎo)率下降,鐵心磁阻增大,互感器激磁阻抗減小,從而導(dǎo)致激磁電流增大,直接影響了電流互感器的測量精度。若提高測量精度,減小激磁電流,降低鐵心飽和,可提高互感器的激磁阻抗。由式(1)可見,激磁阻抗與二次側(cè)線圈匝數(shù)的平方成正比,若增加二次側(cè)線圈匝數(shù)N2,那么激磁阻抗Zm增大,激磁電流I0減小,從而改善鐵心的飽和情況。一次側(cè)電流100 A時二次側(cè)線圈匝數(shù)分別為500匝、1 000匝、1 500匝的二次側(cè)電流波形如圖6所示。

圖6 一次側(cè)電流100 A時二次側(cè)線圈匝數(shù)分別為500匝、1 000匝、1 500匝的二次側(cè)電流波形

由圖6可見,二次側(cè)匝數(shù)500時,二次側(cè)電流波形嚴(yán)重畸變,隨著二次側(cè)匝數(shù)的增加,二次側(cè)電流波形畸變明顯改善。由此可見,增大二次側(cè)線圈匝數(shù)可以明顯改善鐵心的飽和情況,從而提高互感器的測量精度。

3 試驗測試

根據(jù)以上理論分析及仿真計算,對電流檢測范圍為0.5～70.0 A的鐵心電流互感器進(jìn)行了設(shè)計,二次側(cè)線圈2 000匝,鐵心采用插接方式和卷繞方式分別進(jìn)行了加工試驗?；ジ衅鲗嵨锶鐖D7所示。一次側(cè)不同電流下,測量二次側(cè)負(fù)載上的電壓。一次側(cè)不同電流下插片結(jié)構(gòu)互感器的負(fù)載電壓仿真與試驗對比如圖8所示;一次側(cè)不同電流下卷繞結(jié)構(gòu)互感器的負(fù)載電壓仿真與試驗對比如圖9所示。試驗測試結(jié)果表明,插片結(jié)構(gòu)互感器的測量精度較差,特別是小電流下的測量精度更差。卷繞式相比插接式的測量精度大大提高,在整個電流檢測范圍內(nèi)都可以達(dá)到0.5級的測量精度。

圖7 互感器實物

圖8 一次側(cè)不同電流下插片結(jié)構(gòu)互感器的負(fù)載電壓仿真與試驗對比圖

圖9 一次側(cè)不同電流下卷繞結(jié)構(gòu)互感器的負(fù)載電壓仿真與試驗對比圖

4 結(jié) 語

本文從提高電流互感器測量精度的角度進(jìn)行了理論分析、仿真計算、試驗驗證。提出鐵心采用卷繞工藝、增加二次側(cè)線圈匝數(shù)兩種措施可以增大鐵心激磁阻抗,減小激磁電流,從而提高互感器測量精度;并對互感器進(jìn)行了仿真設(shè)計、加工、試驗驗證,試驗結(jié)果表明以上措施有效,互感器在0.5～70 A測量范圍內(nèi)都滿足0.5級的測量精度。