一種新型寬量程電流互感器的設(shè)計(jì)與性能經(jīng)驗(yàn)分析

劉鈺冰

（江蘇靖江互感器股份有限公司，江蘇 泰州 214500）

單級(jí)電磁式電流互感器的測(cè)量誤差與互感器二次繞組匝數(shù)、鐵芯橫截面面積、平均磁路長(zhǎng)度、二次負(fù)荷、二次繞組漏抗、鐵芯磁導(dǎo)率和互感器工作點(diǎn)有關(guān)，測(cè)量精度與二次繞組匝數(shù)平方、鐵芯橫截面面積、鐵芯磁導(dǎo)率成反比；與平均磁路長(zhǎng)度、二次負(fù)荷、二次繞組漏抗成正比?；诖耍趯?duì)新型寬量程電流互感器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)參數(shù)間相互關(guān)系針對(duì)性優(yōu)化某些內(nèi)容，從而起到優(yōu)化電流互感器性能，提升其工作穩(wěn)定性的作用。

1 一種新型寬量程電流互感器概述

1.1 主要結(jié)構(gòu)

此次設(shè)計(jì)的新型寬量程電流互感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中N1和N2分別表示互感器中的一次線圈和二次線圈，而N3表示補(bǔ)償線圈，N4表示檢測(cè)線圈，而Z則表示電流互感器運(yùn)行時(shí)的二次負(fù)荷。而互感器中的鐵芯I主要用于承擔(dān)勵(lì)磁磁通，而鐵芯II則用于承擔(dān)誤差磁通，是維持互感器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障。而補(bǔ)償器在設(shè)計(jì)中主要分出了自適應(yīng)模塊和功放模塊。誤差檢測(cè)模塊在應(yīng)用中可以對(duì)模塊輸出的直流誤差信號(hào)進(jìn)行直接檢測(cè)，而相似電流模塊中則承擔(dān)了和互感器相類似的勵(lì)磁電流。

圖1 一種新型寬量程電流互感器的主要結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

寬量程電流互感器實(shí)際上是一種基于有源補(bǔ)償?shù)碾p級(jí)電流互感器，補(bǔ)償器以誤差檢測(cè)結(jié)果最小為控制目標(biāo)，該目標(biāo)是通過磁勢(shì)補(bǔ)償方法實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)N3線圈沒有注入補(bǔ)償電流時(shí)，上述互感器的勵(lì)磁磁通由一次電流提供，為互感器原始運(yùn)行狀態(tài)，互感器的勵(lì)磁磁通分別由鐵芯Ⅰ、Ⅱ承擔(dān)；當(dāng)N3線圈中注入勵(lì)磁電流后，鐵芯Ⅰ中承擔(dān)的勵(lì)磁磁通將增加，由于互感器總勵(lì)磁磁通基本不變，則鐵芯Ⅱ中的勵(lì)磁磁通減少；當(dāng)鐵芯Ⅱ承擔(dān)勵(lì)磁磁通達(dá)到最?。创磐ń咏?）時(shí)，說明互感器的勵(lì)磁磁通基本由鐵芯Ⅰ承擔(dān)，此時(shí)達(dá)到控制目標(biāo)?；诖嗽砜梢缘弥贜3線圈所注入的補(bǔ)償電流，來源于互感器勵(lì)磁電流，而此類電流無法進(jìn)行直接提取，會(huì)利用物理相似方法進(jìn)行處理，而所得數(shù)據(jù)的相似程度和相似鐵心的磁特性和工作點(diǎn)有著直接關(guān)聯(lián)。在具體的分析活動(dòng)中，會(huì)將相似電感的勵(lì)磁電流作為補(bǔ)償器第一個(gè)輸入量，而誤差檢測(cè)模塊對(duì)應(yīng)的直流輸出值，則會(huì)作為補(bǔ)償器第二個(gè)輸入量，利用公式來求解相關(guān)參數(shù)，從而起到降低互感器測(cè)量誤差的作用。在此處鍵入公式。

1.3 幅值自適應(yīng)原理

在互感器自適應(yīng)模型的應(yīng)用中，可以假定y為勵(lì)磁電流，y’表示增益系統(tǒng)中的相似勵(lì)磁電流，在此狀態(tài)下，模型對(duì)外輸出的廣義誤差可以記作α（t），α（t）=y（t）-y’（t）。t表示互感器運(yùn)行時(shí)間。上文中已經(jīng)提到，相似勵(lì)磁電流和勵(lì)磁電流之間保持正比例關(guān)系，那么，此時(shí)則可以建立目標(biāo)函數(shù)，記作di，為了達(dá)到目標(biāo)最小這一目標(biāo)，會(huì)對(duì)已知參數(shù)的導(dǎo)數(shù)進(jìn)行求解，過程中也會(huì)使用梯度法來整理導(dǎo)數(shù)函數(shù)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)可以得知，整個(gè)函數(shù)下降速度最快的方向是沿著函數(shù)的負(fù)梯度方向，因此，在應(yīng)用中則可以對(duì)參數(shù)（記作K1）進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，得到方程ξα（i）/ξK1di，其中A表示一正常數(shù)值，在此基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和微分方程進(jìn)行求解，匯總方程后可以得到參考，模型的微分方程，即P（D）y=k0·Q（D）r，帶入相關(guān)數(shù)據(jù)后可以得到相應(yīng)參數(shù)信息，并且在乘法器與積分器組合作用下順利完成信息整合，這也為后續(xù)分析的活動(dòng)的順利展開奠定了良好的基礎(chǔ)。

1.4 電流互感器誤差分析

除了上述提到的分析內(nèi)容外，在具體的分析活動(dòng)中，也需要做好電流互感器誤差分析。一般情況下，會(huì)使用磁勢(shì)方程來進(jìn)行求解，即n1·I0=n1·I1+n2·I2，由此可以對(duì)互感器的應(yīng)用誤差進(jìn)行計(jì)算，具體的計(jì)算公式如下：X0=（n1·I1+n2·I2）/n1·I0×100%，式 中 的 n1和 n2分別表示N1和N2線圈對(duì)應(yīng)的匝數(shù)值。

根據(jù)圖1中的相關(guān)分析可以得出，線圈N3在應(yīng)用中也會(huì)參與勵(lì)磁電流的供給，在此狀態(tài)下，電流互感器的誤差可以表示為以下公式：X0=（n1·I1+n2·I2+n3·I3）/n1·I0×100%，對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理后，可以轉(zhuǎn)換為以下化學(xué)式 X0=（n1·I1+K0·n3·I′）/n1·I0×100%，式中K0表示互感器運(yùn)行過程中的相似磁感電流，I′表示線圈N3對(duì)應(yīng)的匝數(shù)值。隨后對(duì)這些參數(shù)展開進(jìn)一步分析，假定n1=Kc·n3，那么上述公式可以轉(zhuǎn)換為X0=n1·（I0+I′）/n1·I1×100%。其中Kc表示線圈的自適應(yīng)增益參數(shù)。根據(jù)上述分析可以得知，寬量程電流互感器在應(yīng)用中產(chǎn)生的誤差值，和相似勵(lì)磁電流相似度間存在直接聯(lián)系，隨著相似度的提升，所得到的分析結(jié)果準(zhǔn)確性也在不斷提升。

2 新型寬量程電流互感器性能分析

2.1 變比測(cè)試

2.1.1 電流測(cè)試法

在對(duì)互感器變比性能進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，電流測(cè)試法屬于常用的測(cè)試方法。在具體的測(cè)試活動(dòng)中，會(huì)利用調(diào)壓器和升流器對(duì)一次線圈和二次線圈端子進(jìn)行檢測(cè)，得到互感器的一次電流和二次電流，便于后續(xù)計(jì)算工作的展開。此測(cè)試方法在應(yīng)用中，能夠?qū)﹄娏骰ジ衅鞯膶?shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行模擬，從理論上來看，其完善度相對(duì)較高，可以得到準(zhǔn)確性較高的檢測(cè)數(shù)據(jù)。但是，在系統(tǒng)容量較高時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)增加電流到百萬安培的難度較高，而減小電流也會(huì)帶來誤差問題增大的情況，因此，該方法多用于較小容量互感器的測(cè)量，對(duì)于容量較大的互感器測(cè)試，不建議使用該測(cè)試方法。

2.1.2 電壓測(cè)試法

在對(duì)互感器變比性能進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，也會(huì)使用到電壓測(cè)試法。在具體的測(cè)試活動(dòng)中，會(huì)利用調(diào)壓器和升壓器對(duì)一次繞組和二次繞組開路進(jìn)行檢測(cè)，得到互感器的一次繞組電壓和二次繞組開路電壓，計(jì)算兩次電壓值的比值，在對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)后可以客觀判斷互感器比值的合理性。此測(cè)試方法在應(yīng)用中，能夠?qū)﹄娏骰ジ衅鞯募ご烹娏鬟\(yùn)行情況進(jìn)行模擬，從理論上來看，其測(cè)試精準(zhǔn)度相對(duì)較高，一般都可以達(dá)到毫安級(jí)，以得到準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)。但是，在系統(tǒng)測(cè)試過程中，需要將測(cè)量精度控制在10mA以下，若不能滿足該測(cè)試要求，也會(huì)導(dǎo)致誤差增大的情況，無法滿足相應(yīng)的使用要求，這也是實(shí)際檢測(cè)活動(dòng)中需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

2.2 極性測(cè)試

在電流互感器測(cè)試活動(dòng)中，也需要做好極性測(cè)試工作，從目前的應(yīng)用情況來看，經(jīng)常使用到極性測(cè)試方法有儀器測(cè)試法、直流測(cè)試法和交流檢測(cè)法。（1）直流測(cè)試法在測(cè)試中的主要載體為干電池、萬用表和測(cè)量導(dǎo)線，具體的測(cè)試活動(dòng)中會(huì)將直流表調(diào)試到直流電壓擋，萬用表上的檢測(cè)筆會(huì)直接對(duì)接到輸出繞組位置，并且利用導(dǎo)線穿過互感器的孔洞，聯(lián)通后可以得到繞組的電壓讀數(shù)，同時(shí)根據(jù)萬用表指針波動(dòng)情況，得到具體的分析結(jié)果。（2）交流測(cè)試法在測(cè)試中會(huì)在一次線圈和二次線圈線端位置通入1～5V的交流電壓，利用10V以下的電壓表來獲取對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，從而判斷互感器極性情況。（3）儀器檢測(cè)法在測(cè)試中會(huì)利用不同的測(cè)試儀器，獲取電流互感器極性相關(guān)數(shù)據(jù)，了解目前互感器的極性狀態(tài)。

2.3 伏安特性測(cè)試

在開展伏安特性測(cè)試活動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)電流互感器一次開路和二次開路勵(lì)磁電流參數(shù)進(jìn)行整理，并以此得到相關(guān)聯(lián)的關(guān)系曲線，根據(jù)曲線分析結(jié)果來繪制伏安特性曲線，了解互感器的伏安特性。在具體的試驗(yàn)活動(dòng)中，會(huì)對(duì)互感器鐵芯質(zhì)量、磁化曲線飽和度進(jìn)行客觀分析，過程中會(huì)使用一個(gè)升壓器和一個(gè)PT器來獲取電壓參數(shù)，每次繪制的伏安特性曲線都會(huì)和之前曲線進(jìn)行比對(duì)，要求電壓參數(shù)不能出現(xiàn)明顯降低的情況，如果出現(xiàn)了此類問題，也需要對(duì)二次繞組進(jìn)行檢查，為提高檢查結(jié)果的準(zhǔn)確性，會(huì)在互感器中設(shè)置多個(gè)測(cè)試點(diǎn)，以便于后續(xù)分析活動(dòng)的順利進(jìn)行。

2.4 振動(dòng)測(cè)試

在具體的振動(dòng)測(cè)試活動(dòng)中，所使用的測(cè)試工具為故障錄波器、低頻振動(dòng)測(cè)試儀等，用于監(jiān)測(cè)互感器工作時(shí)的電流波形和相應(yīng)的輸出值，過程中也需要對(duì)合并單元、保護(hù)裝置的工作狀態(tài)進(jìn)行檢查，記錄電流互感器的最大偏移量和電流輸出最大值，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)后判斷互感器工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。例如，該寬量程電流互感器振動(dòng)測(cè)試活動(dòng)中，最大水平偏移值為563.32μm，最大處置偏移值為11325.32μm，電流輸出的最大數(shù)值為0.020A，在諧波分析后，發(fā)現(xiàn)電流互感器運(yùn)行中存在位移過大的情況，需要根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，維持此寬量程電流互感器工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。

2.5 VFTO測(cè)試

除上述提到的性能測(cè)試內(nèi)容外，在實(shí)際應(yīng)用中還需要做好VFTO測(cè)試，這也是驗(yàn)證電流互感器工作穩(wěn)定性的重要途徑。在具體的測(cè)試活動(dòng)中，會(huì)將采集卡安裝在設(shè)備本體上，隨后通過拉合新型寬量程電流互感器兩側(cè)的隔離開關(guān)，來起到設(shè)備順利過電壓的目的。利用VFTO測(cè)試儀對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行記錄，同時(shí)利用故障錄波器來記錄隔離開關(guān)分閘期間電流互感器的輸出值，了解開關(guān)分閘時(shí)所帶來的應(yīng)用影響，對(duì)于發(fā)現(xiàn)的故障問題也會(huì)及時(shí)進(jìn)行修正處理，從而提高新型寬量程電流互感器工作狀態(tài)的穩(wěn)定性與合理性。

3 新型寬量程電流互感器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)整理

3.1 做好基礎(chǔ)資料整合

做好基礎(chǔ)資料整合，能夠?yàn)樾滦蛯捔砍屉娏骰ジ衅鞯拈_發(fā)提供可靠保障，以提高所整理資料的應(yīng)用價(jià)值。從實(shí)際應(yīng)用情況來看，應(yīng)注意以下內(nèi)容：（1）明確所需要整理的資料種類，包括使用環(huán)境、測(cè)試規(guī)范等，目前在性能測(cè)試環(huán)節(jié)中，會(huì)使用計(jì)算機(jī)軟件來進(jìn)行仿真測(cè)試，因此，在資料整理時(shí)，進(jìn)行細(xì)化分類，為后續(xù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化工作的推進(jìn)奠定基礎(chǔ)。（2）在資料整合過程中，需要做好數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一工作，搭配著屬性標(biāo)記，存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便于后續(xù)數(shù)據(jù)應(yīng)用工作的順利進(jìn)行。

3.2 加強(qiáng)設(shè)計(jì)誤差控制

加強(qiáng)設(shè)計(jì)誤差控制，可以提高新型寬量程電流互感器的應(yīng)用效果，為其他活動(dòng)的推進(jìn)奠定基礎(chǔ)。從目前的應(yīng)用情況來看，應(yīng)注意以下內(nèi)容：（1）對(duì)于新型寬量程電流互感器的工作過程進(jìn)行整理，了解導(dǎo)致系統(tǒng)誤差問題出現(xiàn)的原因，采取恰當(dāng)措施進(jìn)行應(yīng)對(duì)，減少誤差問題對(duì)互感器性能的影響。（2）在設(shè)計(jì)活動(dòng)中，也需要考慮偶然誤差帶來的負(fù)面影響，利用計(jì)算機(jī)軟件的仿真功能來論證設(shè)計(jì)內(nèi)容，以提高設(shè)計(jì)活動(dòng)的合理性。

3.3 做好數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作

做好數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作，能夠提高數(shù)據(jù)信息的應(yīng)用價(jià)值，也為其他開發(fā)活動(dòng)的進(jìn)行提供良好參考。從目前的應(yīng)用情況來看，應(yīng)注意以下內(nèi)容：（1）對(duì)于已完成設(shè)計(jì)新型寬量程電流互感器的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，除了常規(guī)數(shù)據(jù)外也需要對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，過程中需要做好各類數(shù)據(jù)的分類整合，并且也會(huì)基于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)來建立與數(shù)據(jù)相匹配的數(shù)據(jù)庫(kù)，從而為后續(xù)數(shù)據(jù)采集工作的推進(jìn)奠定基礎(chǔ)。（2）對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)也會(huì)做好格式統(tǒng)一工作，并且相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)也會(huì)不定期進(jìn)行更新，這樣也可以提高數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容的先進(jìn)性，為新型寬量程電流互感器的開發(fā)提供參考。

4 結(jié)語

綜上所述，做好基礎(chǔ)資料整合，能夠?yàn)樾滦蛯捔砍屉娏骰ジ衅鞯拈_發(fā)提供可靠保障，加強(qiáng)設(shè)計(jì)誤差控制，可以提高新型寬量程電流互感器的應(yīng)用效果，做好數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作，能夠提高數(shù)據(jù)信息的應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)一種新型寬量程電流互感器的相關(guān)內(nèi)容展開了論述，以此來積累相應(yīng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為相關(guān)活動(dòng)的有序展開奠定良好的基礎(chǔ)。