0.5級抗直流分量微型電流互感器的研究

羅坤明，湯曉宇，李春來，蘭 雄

(1.河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東河源 517000；2.廣東雅達(dá)電子股份有限公司，廣東河源 517000)

0 引言

電流互感器(TA)是電力儀表的采樣裝置，位于最前端，其性能對電力儀表的測量精度有直接影響。計(jì)量用TA要求具有高測量精度和良好的抗電磁干擾能力。當(dāng)TA的一次繞組中存在直流分量時，直流磁通和交流磁通疊加，與直流偏磁方向一致的半周鐵心飽和程度大幅增加，與直流偏磁方向一致的鐵心飽和程度減弱，因此勵磁電流呈現(xiàn)正負(fù)半周不對稱的形狀并產(chǎn)生大量諧波[1-2]，傳變特性變差，導(dǎo)致測量和電能計(jì)量的偏差。

為了解決這個問題，國內(nèi)外相繼開展了抗直流分量互感器的研究，抗直流分量電流互感器在一次電流含有直流分量的情況下，仍然具有較好的工作狀態(tài)。本文提出選用超微晶鐵心、硅鋼片鐵心雙鐵心材料設(shè)計(jì)電流互感器，在達(dá)到測量精度的前提下，顯著提高了抗直流分量的能力，經(jīng)測試能達(dá)到0.5級測量精度。

1 直流分量導(dǎo)致TA傳變特性變化的誤差分析

通常用比差fRE與角差β1來衡量TA的傳變特性，直流偏磁條件下TA的傳變特性與直流偏磁的定量數(shù)值關(guān)系如下[3]：

(1)

(2)

(3)

由式(1)～式(3)可知，當(dāng)直流偏磁變化時，直流磁通密度分量Bdc與X值相應(yīng)變化，隨著直流偏磁增加，比差fRE和角差β1均增大，比差、角差與直流偏磁是非線性關(guān)系。

2 抗直流分量微型電流互感器的設(shè)計(jì)

2.1 鐵心材料比較

表1比較了超微晶、硅鋼片的磁性能參數(shù)[4]。 由表1可以看出，超微晶的磁導(dǎo)率高，飽和磁密度一般，所以在一次電流含有直流分量下很容易飽和。硅鋼片的磁導(dǎo)率低，但在一次電流含有一定的直流分量條件下，仍然具有良好的工作曲線，而不進(jìn)入飽和區(qū)，即具有一定的抗直流分量能力，超微晶和硅鋼片磁性能方面具有互補(bǔ)性。

表1 超微晶和硅鋼片材料參數(shù)比較表

材料密度d/(g·cm-3)飽和磁密度Bs/T疊片厚度/mm矩形比Br/Bs超微晶7.201.250.03高、中、低硅鋼片7.652.000.23中、低

2.2 電流互感器設(shè)計(jì)

文中制作了單繞組雙鐵心結(jié)構(gòu)微型電流互感器5 A/2.5 mA。分別選用超微晶和硅鋼片組成雙鐵心，鐵心尺寸均為13 mm×17.5 mm×5 mm，導(dǎo)線規(guī)格Φ0.08 mm，直流電阻為210 Ω。

3 抗直流分量微型電流互感器試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)方案

采用精度為0.005級的HESE互感器校驗(yàn)裝置，為了定量分析超微晶硅鋼片雙鐵心TA的傳變特性，制作了2種雙鐵心材料(超微晶+硅鋼片鐵心、超微晶+超微晶鐵心)的TA進(jìn)行測試。

將互感器校驗(yàn)裝置輸出電流線穿過互感器一次孔形成閉環(huán)，將電流互感器輸出端分別接到互感器校驗(yàn)裝置的同名端[5]。

為了便于定量研究雙鐵心材料TA的傳變特性，按一次電流的比例測試5個測試點(diǎn)，測量TA的比差和角差，采集2種雙鐵心材料TA在直流偏磁作用下的比差、角差數(shù)據(jù)。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

選取5%IAC、20%IAC、50%IAC、100%IAC、120%IAC5個測試點(diǎn)的數(shù)據(jù)來分析，其中K=直流偏磁電流/一次電流(有效值)，見表2、表3。根據(jù)表2、表3繪制比差和角差曲線,如圖1、圖2、圖3、圖4所示。

根據(jù)表2、表3及圖1、圖2可得出以下2點(diǎn)。

(1)K≤0.01時，5個測試點(diǎn)的直流偏磁電流對比差影響均較??；K≥0.02時，除第1個測試點(diǎn)外，其他4個測試點(diǎn)直流偏磁電流對比差影響大。

(2)比差隨K值的增大向負(fù)方向變化，超微晶+硅鋼片鐵心對比超微晶+超微晶鐵心，前者在K值、一次電流相同時比差顯著小于后者，抗直流分量效果顯著。

表2 超微晶+硅鋼片鐵心TA的比差和角差表

表3 超微晶+超微晶鐵心TA的比差和角差表

圖1 超微晶+硅鋼片鐵心TA傳變特性的比差曲線

圖2 超微晶+超微晶鐵心TA傳變特性的比差曲線

圖3 超微晶+硅鋼片鐵心TA傳變特性的角差曲線

圖4 超微晶+超微晶鐵心TA傳變特性的角差曲線

根據(jù)圖3、圖4可得出以下2點(diǎn)。

(1)角差隨K值的增大而迅速增大。

(2)超微晶+硅鋼片鐵心對比超微晶+超微晶鐵心，前者在K值、一次電流相同時角差顯著小于后者。

4 抗直流分量微型電流互感器帶負(fù)載能力測試

通過帶負(fù)載測試(負(fù)載分別為0 Ω、20 Ω),超微晶+硅鋼片鐵心電流互感器比差和角差測試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 超微晶+硅鋼片鐵心TA在不同負(fù)載條件下的比差和角差表

由表4分析可得：

(1)負(fù)載為0 Ω、20 Ω時，最大比差分別為0.173%、0.165%，最大角差是分別38.3′、40.8′，未超出0.5級電流互感器比差、角差誤差限值。

(2)在一次電流相同情況下，比差隨負(fù)載的增大向負(fù)值偏移；角差為正值，角差隨負(fù)載的增大向正值偏移。

5 結(jié)論

選用超微晶、硅鋼片兩種材料作鐵心，采用單匝穿心式雙鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)微型電流互感器，比超微晶+超微晶鐵心抗直流分量效果好，比硅鋼片+硅鋼片鐵心(帶負(fù)載能力測試精度為2.0級)精度高，超微晶+硅鋼片雙鐵心微型電流互感器可應(yīng)用于抗直流分量要求較高的電力儀器儀表。