3修—高精度微磁通电流互感器的研究

1高精度微磁通电流互感器的研究李春来1，汤晓宇2，黄业安1（1.河源职业技术学院电子与信息工程系，广东河源517000；2.广东雅达电子股份有限公司,广东河源517000）摘要：研发高精度微型电流互感器是目前电力仪器仪表行业共同关注的课题。本项目采用微磁通原理，无源补偿误差方式，双铁芯双绕组结构制造高精度微型电流互感器；在误差允许的范围采用微磁通有利于简化结构；本项目设计的CT系列微型电流互感器通过测试，测量精度达到0.02级。关键词：电流互感器；高精度；微磁通；双铁芯；无源补偿中图分类号：TM452文献标识码：A文章编号：Studyonhigh-accuracycurrenttransformerwithmicrofluxLiChun-Lai1,TangXiao-Yu2,HuangYe-An1;(1.DepartmentofElectronicandInformationEngineering,HeyuanVocationalTechnicalCollege,Heyuan,Guangdong517000,China;2.HeyuanCityYadaElectronicIndustryCO.,Ltd,Heyuan,Guangdong517000,China)Abstract:Developingahigh-accuracyandlowcurrenttransformer(CT)isthecommonconcernofelectricinstrumentsindustryofthemoment.Inthisproject,ahigh-accuracyandlowcurrenttransformerwithdouble-coreanddoublewindingstructureisdesigenedbasedontheprincipleofmicrofluxandthemethodofpassivecompensationerrors.Itisadvantageoustosimplifythestructurebyusingtheprincipleofmicrofluxintherangeofallowableerrors.TheCTseriesmicrocurrenttransformerwhichisdesignedinthisprojecthavebeenpassedthetest,andtheprecisionisupto0.02％.Keywords:currenttransformer;high-accuracy;microflux;double-core;passivecompensation0引言中国是仅次于美国的全球第二大能源消耗大国，中央政府正在号召实施多项工程来改进国家配电网络。电网管理体系总体发展趋势是智能化、微型化和网络化。微型电流互感器是电力仪表的最前端取样器件，直接影响智能电力仪器仪表的测量精度。对于此种电流互感器，一方面要求其测量精度高，另一方面又要有良好的抗电磁干扰能力和长时间的稳定性。高精度电流互感器系列产品属于测量范围宽，输出电流小，不需要电子补偿线路，且体积小巧，非常适用于高精度的标准电度表、功率计、电量变送器等电力仪器仪表[1]。而国内在这方面研发起步比较晚，目前许多电力仪表公司已经投入大量的人力、物力去研究高精度微型电流互感器，目前国产微型电流互感器的精度在0.1级左右。本项目主要针对解决此问题而开展的工业攻关课题专题立项。电流互感器的误差是由提供磁通的交变励磁电流产生的，若无励磁电流的互感器就没有误差。根据文献[2]，零磁通电流互感器就是铁芯没有磁通的互感器，在“零磁通”状态下无角差、比差，一次二次之间是严格的匝比关系；然而它是理想化的，实际上难于实现；无励磁电流，铁芯中就没有磁通，一、二次能量无法传递，电流互感器就不能正常工作。本项目采用微磁通原理、无源补偿误差方式、双铁芯双绕组结构制造高精度微型电流互感器。本项目设计的CT系列微型电流互感器测量精度达到0.02级（比差：≤±0.02%；角差：≤±0.6分，执行国家标准GB1208-2006）[3]。1电流互感器误差产生的理论分析单铁芯电流互感器中各主要电磁物理量间的相量关系如图1所示。为画图方便适当夸大了励磁电流I0和次级电流I2的幅值。其中：n：次级绕组匝数/初级绕组匝数；I1：初级绕组电流（A）；Ia：初级绕组电流在横坐标上的分量（A）；2Ib：初级绕组电流在纵轴上的分量（A）；I2：实际状态下的次级绕组电流（A）；nI2：折算到初级绕组的实际状态下次级绕组电流（A）；2I：理想状态下的次级绕组电流（A）；φ：电流互感器的工作磁通（Wb）；I0：励磁电流（A）；If：励磁电流在横坐标上的分量（A）；Ie：励磁电流在纵轴上的分量（A）；I0：折算到次级的励磁电流（A）；α：工作磁通φ与励磁电流I0之间的夹角（rad）；θ：次级感应电势与次级电流之间的夹角（rad）；E2：次级绕组感应电动势（V）。图1单铁芯电流互感器相量图Fig1PhasorDiagramofcurrenttransformerwithsinglecore如图有201InII。（1）1I、0I在坐标轴上的分量如图所示，可以看出Ia=If+nI2Sinθ，Ib=Ie+nI2cosθ,（2）I12=Ia2+Ib2（3）=(If+nI2Sinθ)2+(Ie+nI2cosθ)2=（I0cosα+nI2Sinθ)2+（I0Sinα+nI2cosθ)2=n2I22+2nI2I0Sin(α+θ)+I02≈n2I22+2nI2I0Sin(α+θ)(其中I02＜＜n2I22),近似有：I1=nI2+I0Sin(α+θ),（4）nSinIII)(012nSinInI)(01,（5）理想状态（无励磁电流，I0=0）：nII12,（6）实际状态：nSinInII)(012,（7）实际误差：I0=△I2=2I—2I=nSinI)(0（8）△I2是电流互感器的误差，折算到次级的励磁电流；次级绕组减少的电流，我们必须把它找到补回次级去，这是我们设计高精度微型电流互感器的构想。2微磁通无源补偿原理分析根据文献[4]，依据铁芯性能所测数据，目前中国最优秀的超微晶铁芯在匝数足够的前提下可以满足制作0.1级单铁芯双绕组结构精密电流互感器的需要。精度0.02级的微型电流互感器，采用单铁芯结构是根本无法实现的。如图2所示，本项目采用微磁通原理、无源补偿误差方式、双铁芯双绕组结构设计高精度电流互感器。微磁通区别于零磁通，零磁通实际上难于实现；采用电子有源补偿方式电路复杂、成本也高。在误差允许的范围采用微磁通有利于简化结构，主铁芯C1承担磁通的绝大部分，副铁芯C2采用高导磁率的铁芯承担微弱磁通检测任务；副绕组Nb以无源方式叠加主绕组N2以补偿主绕组产生的误差从而达到高测量精度。图2双铁芯双绕组微磁通无源补偿原理图Fig2Principlediagramofcurrenttransformerwithdouble-coreanddoublewindingmicrofluxpassivecompensation如图所示，另定义：n：N2绕组匝数/初级绕组匝数；I2：实际状态下次级N2绕组的电流（A）；I0：折算到N2绕组的励磁电流；I3：副绕组Nb的电流（A）；IL：负载RL的电流（A）；由图2可以看出：IL=I2+I3.（9）3由（8）式，当满足I3=nSinI)(0,（10）有IL=2I=nI1.（11）通常I0很小，次级绕组n一般几百或上千匝，可见补偿量I3是微弱的。我们采用优质超微晶材料做主铁芯C1，承担磁通的绝大部分；高导磁率的一等坡莫合金软导磁材料做副铁芯C2，承担微弱磁通检测任务。超微晶、坡莫合金软导磁复合双铁芯材料具有高导磁率、低矫顽力、低损耗角的特点[5]，主励磁电流小于初级电流1‰，所以主铁芯磁通很小；副铁芯磁通更小，工作在微磁通状态。3微磁通电流互感器的设计根据上述微磁通无源补偿原理，我们设计了双铁芯双绕组单匝穿式电流互感器CT19-5A/5mA，互感器内径4mm，外径19mm，铁芯高度16mm，重量12g。为了测量mA级电流，希望次级匝数越少越好[6]。经实验,导线规格为Φ0.1mm，主绕组N2取1000T，副绕组Nb取1000T，双铁芯采用双层叠加。在检测微弱磁通情况下，为了实现空间杂散电场屏蔽和磁场屏蔽，外部可以使用磁导率与电导率都很高的1mm厚低碳钢板制成的屏蔽外壳[7]。4微磁通电流互感器的精度等级测试数据高精度电流互感器在检测方面存在难题，高精度电流互感器的检测装备难于实现。可以采用比较法：用一个0.005级超高精度的标准电流互感器（标准器应比被检电流互感器高两个准确等级；其实际误差应不超过被检电流互感器误差限值的1/5）与被检电流互感器并列，施加相同的标准正弦波电流信号，然后比较它们的输出差值即为绝对误差。额定初级电流为5A，初级电流范围为250～6000mA，次级负载1Ω，实验温度为室温26度，相对湿度46%，检定场所周围没有与检定工作无关的电磁场，山西互感器电测设备有限公司mA级互感器校验仪。抽样数：微磁通电流互感器CT19与CT04（单铁芯）各5个，取一组比差和角差测试数据详见表1，绘制的比差和角差曲线如图3、图4所示。表1CT19与CT04电流互感器测试数据表Tab1TestdatasheetofCT19andCT04currenttransformer一次电流(%)52050100120CT19比差(%)0.0290.0070.000-0.001-0.001角差(′)-1.3-0.6-0.30.00.1CT04比差(%)0.4800.3800.3000.2800.290角差(′)18.018.012.67.46.3图3电流互感器比差曲线Fig3Ratiodiaplacementcurvesofcurrenttransformers图4电流互感器角差曲线Fig4Phasedisplacementcurvesofcurrenttransformers对比微磁通电流互感器CT19与单铁芯电流互感器CT04测试数据与曲线图，可以看出，采用微磁通无源补偿后达到设计效果，测量精度大大提高，达到0.02级（比差：≤±0.02%；角差：≤±0.6分，执行国家标准GB1208-2006）[3]。5微磁通电流互感器的带负载能力测试通过带负载能力测试，绘制在不同负载下CT04-5/5和CT19-5/5的误差曲线，图5、图6所示。4图5电流互感器10Ω负载下误差曲线Fig5Errorcurveof10Ωloadcurrenttransformer图6电流互感器20Ω负载下误差曲线Fig6Errorcurveof20ΩloadcurrenttransformerCT19负载为10Ω时，最大比差﹣0.04%，最大角差为7.4′；负载为20Ω时，最大比差﹣0.078%，最大角差为12.6′，随着负载的增加测量精度相对变差。带负载能力测试比较结论：负载≤20Ω时，不同额定电流下CT19的角差明显小于CT04，相对线性好，CT19的比差线性好于CT04。6结论本项目采用微磁通无源补偿原理，成功研发了高精度电流互感器，专为高精度仪表设计的前级取样互感器，不需要电子补偿，精度高，数据长期稳定可靠，适用于关口电能表、电量变送器等仪器仪表。测试数据表明，高精度微磁通电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。具有体积小、结构简单、精度高、便于工程生产的优点，为企业节省大量高级技工装机后整体统调的工时成本[8]。参考文献:[1]冯继超,刘清,张丹红,高精度、小变比电流互感器的特殊设计[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2004（8）,554—556.[2]单平，罗勇芬，李彦明等,零磁通型高精度微电流传感器[J].高电压技术2002（5）,28—29.5[3]国家标准GB1208-2006，电流互感器