高精度微磁通電流互感器的研究

1、高精度微磁通電流互感器的研究論文摘要：研發(fā)高精度微型電流互感器是目前電力儀器儀表行業(yè)共同關(guān)注的課題。本工程采用微磁通原理，無(wú)源補(bǔ)償誤差方式，雙鐵芯雙繞組結(jié)構(gòu)制造高精度微型電流互感器；在誤差允許的范圍采用微磁通有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)；本工程設(shè)計(jì)的CT系列微型電流互感器通過(guò)測(cè)試，測(cè)量精度到達(dá)0.02級(jí)。論文關(guān)鍵詞：電流互感器,高精度,微磁通,雙鐵芯,無(wú)源補(bǔ)償引言中國(guó)是僅次于美國(guó)的全球第二大能源消耗大國(guó)，中央政府正在號(hào)召實(shí)施多項(xiàng)工程來(lái)改良國(guó)家配電網(wǎng)絡(luò)。電網(wǎng)管理體系總體開(kāi)展趨勢(shì)是智能化、微型化和網(wǎng)絡(luò)化。微型電流互感器是電力儀表的最前端取樣器件，直接影響智能電力儀器儀表的測(cè)量精度。對(duì)于此種電流互感器，一方面要求

2、其測(cè)量精度高，另一方面又要有良好的抗電磁干擾能力和長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性。高精度電流互感器系列產(chǎn)品屬于測(cè)量范圍寬，輸出電流小，不需要電子補(bǔ)償線路，且體積小巧，非常適用于高精度的標(biāo)準(zhǔn)電度表、功率計(jì)、電量變送器等電力儀器儀表。而國(guó)內(nèi)在這方面研發(fā)起步比擬晚，目前許多電力儀表公司已經(jīng)投入大量的人力、物力去研究高精度微型電流互感器，目前國(guó)產(chǎn)微型電流互感器的精度在0.1級(jí)左右。本工程主要針對(duì)解決此問(wèn)題而開(kāi)展的工業(yè)攻關(guān)課題專題立項(xiàng)。電流互感器的誤差是由提供磁通的交變勵(lì)磁電流產(chǎn)生的，假設(shè)無(wú)勵(lì)磁電流的互感器就沒(méi)有誤差。根據(jù)文獻(xiàn)【2】，零磁通電流互感器就是鐵芯沒(méi)有磁通的互感器，在零磁通;狀態(tài)下無(wú)角差、比差，一次二次之間是

3、嚴(yán)格的匝比關(guān)系；然而它是理想化的，實(shí)際上難于實(shí)現(xiàn)；無(wú)勵(lì)磁電流，鐵芯中就沒(méi)有磁通，一、二次能量無(wú)法傳遞，電流互感器就不能正常工作。本工程采用微磁通原理、無(wú)源補(bǔ)償誤差方式、雙鐵芯雙繞組結(jié)構(gòu)制造高精度微型電流互感器。本工程設(shè)計(jì)的CT系列微型電流互感器測(cè)量精度到達(dá)0.02級(jí)、在坐標(biāo)軸上的分量如下圖，可以看出I=I+nISin，I=Ie+nIcos,I=I+I=(I+nISin)+(Ie+nIcos)=,理想狀態(tài)實(shí)際狀態(tài)：,實(shí)際誤差：=I=I是電流互感器的誤差，折算到次級(jí)的勵(lì)磁電流；次級(jí)繞組減少的電流，我們必須把它找到補(bǔ)回次級(jí)去，這是我們?cè)O(shè)計(jì)高精度微型電流互感器的設(shè)想。2微磁通無(wú)源補(bǔ)償原理分析根據(jù)文獻(xiàn)【

4、4】，依據(jù)鐵芯性能所測(cè)數(shù)據(jù)，目前中國(guó)最優(yōu)秀的超微晶鐵芯在匝數(shù)足夠的前提下可以滿足制作0.1級(jí)單鐵芯雙繞組結(jié)構(gòu)精密電流互感器的需要。精度0.02級(jí)的微型電流互感器，采用單鐵芯結(jié)構(gòu)是根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。如圖2所示，本工程采用微磁通原理、無(wú)源補(bǔ)償誤差方式、雙鐵芯雙繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高精度電流互感器。微磁通區(qū)別于零磁通，零磁通實(shí)際上難于實(shí)現(xiàn)；采用電子有源補(bǔ)償方式電路復(fù)雜、本錢(qián)也高。在誤差允許的范圍采用微磁通有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，主鐵芯C承當(dāng)磁通的絕大局部，副鐵芯C采用高導(dǎo)磁率的鐵芯承當(dāng)微弱磁通檢測(cè)任務(wù)；副繞組N以無(wú)源方式疊加主繞組N以補(bǔ)償主繞組產(chǎn)生的誤差從而到達(dá)高測(cè)量精度。圖2雙鐵芯雙繞組微磁通無(wú)源補(bǔ)償原理圖Fig2

5、Principlediagramofcurrenttransformerwithdouble-coreanddoublewindingmicrofluxpassivecompensation如下圖，另定義：n：N繞組匝數(shù)/初級(jí)繞組匝數(shù)；I：實(shí)際狀態(tài)下次級(jí)N繞組的電流由有I=.通常I很小，次級(jí)繞組n一般幾百或上千匝，可見(jiàn)補(bǔ)償量I是微弱的。3微磁通電流互感器的設(shè)計(jì)根據(jù)上述微磁通無(wú)源補(bǔ)償原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了雙鐵芯雙繞組單匝穿式電流互感器CT19-5A/5mA，互感器內(nèi)徑4mm，外徑19mm，鐵芯高度16mm，重量12g。為了測(cè)量mA級(jí)電流，希望次級(jí)匝數(shù)越少越好。經(jīng)實(shí)驗(yàn),導(dǎo)線規(guī)格為0.1mm，主繞組N取1

6、000T，副繞組N取1000T，雙鐵芯采用雙層疊加。在檢測(cè)微弱磁通情況下，為了實(shí)現(xiàn)空間雜散電場(chǎng)屏蔽和磁場(chǎng)屏蔽，外部可以使用磁導(dǎo)率與電導(dǎo)率都很高的1mm厚低碳鋼板制成的屏蔽外殼。4微磁通電流互感器的精度等級(jí)測(cè)試數(shù)據(jù)高精度電流互感器在檢測(cè)方面存在難題，高精度電流互感器的檢測(cè)裝備難于實(shí)現(xiàn)。可以采用比擬法：用一個(gè)0.005級(jí)超高精度的標(biāo)準(zhǔn)電流互感器標(biāo)準(zhǔn)器應(yīng)比被檢電流互感器高兩個(gè)準(zhǔn)確等級(jí)；其實(shí)際誤差應(yīng)不超過(guò)被檢電流互感器誤差限值的1/5與被檢電流互感器并列，施加相同的標(biāo)準(zhǔn)正弦波電流信號(hào)，然后比擬它們的輸出差值即為絕對(duì)誤差。額定初級(jí)電流為5A，初級(jí)電流范圍為2506000mA，次級(jí)負(fù)載1，實(shí)驗(yàn)溫度為室溫2

7、6度，相對(duì)濕度46%，檢定場(chǎng)所周?chē)鷽](méi)有與檢定工作無(wú)關(guān)的電磁場(chǎng)，山西互感器電測(cè)設(shè)備mA級(jí)互感器校驗(yàn)儀。抽樣數(shù)：微磁通電流互感器CT19與CT04單鐵芯各5個(gè)，取一組比差和角差測(cè)試，數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1，比差、角差曲線如圖3、圖4所示。表1CT19與CT04電流互感器測(cè)試數(shù)據(jù)表Tab1TestdatasheetofCT19andCT04currenttransformer 一次電流( %) 5 20 50 100 120 CT19 比差(%) 0.029 0.007 0.000 -0.001 -0.001 角差() -1.3 -0.6 -0.3 0.0 0.1 CT04 比差(%) 0.480 0.380

8、 0.300 0.280 0.290 角差() 18.0 18.0 12.6 7.4 6.3 圖3電流互感器比差曲線Fig3Ratiodiaplacementcurvesofcurrenttransformers圖4電流互感器角差曲線Fig4Phasedisplacementcurvesofcurrenttransformers比照微磁通電流互感器CT19與單鐵芯電流互感器CT04測(cè)試數(shù)據(jù)與曲線圖，可以看出，采用微磁通無(wú)源補(bǔ)償后到達(dá)設(shè)計(jì)效果，測(cè)量精度大大提高，到達(dá)0.02級(jí)比差：0.02%；角差：0.6分，執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1208-2006。5微磁通電流互感器的帶負(fù)載能力測(cè)試通過(guò)帶負(fù)載能力測(cè)試

9、，繪制在不同負(fù)載下CT04-5/5和CT19-5/5的誤差曲線，圖5、圖6所示。圖5電流互感器10負(fù)載下誤差曲線Fig5Errorcurveof10loadcurrenttransformer圖6電流互感器20負(fù)載下誤差曲線Fig6Errorcurveof20loadcurrenttransformer帶負(fù)載測(cè)試可見(jiàn)，CT19負(fù)載為10時(shí)，最大比差0.04%，最大角差為7.4；負(fù)載為20時(shí)，最大比差0.078%，最大角差為12.6，隨著負(fù)載的增大測(cè)量精度相對(duì)變差。帶負(fù)載能力測(cè)試比擬結(jié)論：負(fù)載20時(shí)，不同額定電流下CT19的角差明顯小于CT04，相對(duì)線性好，CT19的比差線性好于CT04。6結(jié)論

10、本工程采用微磁通無(wú)源補(bǔ)償原理，成功研發(fā)了高精度電流互感器，專為高精度儀表設(shè)計(jì)的前級(jí)取樣互感器，不需要電子補(bǔ)償，精度高，數(shù)據(jù)長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠，適用于關(guān)口電能表、電量變送器等儀器儀表。測(cè)試數(shù)據(jù)說(shuō)明，高精度微磁通電流互感器具有很好的比差和角差特性，大幅度提高了互感器的精度。具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、便于工程生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，為企業(yè)節(jié)省大量高級(jí)技工裝機(jī)后整體統(tǒng)調(diào)的工時(shí)本錢(qián)。參考文獻(xiàn)1 馮繼超,劉清,張丹紅, 高精度、小變比電流互感器的特殊設(shè)計(jì).武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版) 2004(8),554556.2 單平,羅勇芬,李彥明等, 零磁通型高精度微電流傳感器. 高電壓技術(shù) 2002(5),2829.3 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1208-2006,電流互感器.4 郭來(lái)祥,張和飛. 根據(jù)鐵芯測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)判互感器精度指標(biāo)的研究 . 北京微特測(cè)試技術(shù)研究所2021(6).5 楊玉剛.現(xiàn)代電子電力的磁技術(shù) . 北京:科學(xué)出版社,2006.152195