一種線性電流互感器的設(shè)計

一種線性電流互感器的設(shè)計

0電子式電流監(jiān)測技術(shù)分析電子表格器是現(xiàn)代電氣系統(tǒng)中高壓電器設(shè)備中最重要的設(shè)備之一，具有智能、模塊化、小型化、多功能化和維護方向。它適用于監(jiān)控和診斷系統(tǒng)運行狀態(tài)。多年的實踐表明,傳統(tǒng)的電磁式電流互感器絕緣結(jié)構(gòu)復雜,存在磁飽和、鐵磁諧振現(xiàn)象,動態(tài)范圍小,體積和重量大等固有的缺陷,測量式互感器和保護式互感器分開,使得線路上往往有一串電流互感器,浪費了很多材料和資源。而且,隨著數(shù)字化變電站的迅猛發(fā)展,互感器的二次輸出不再需要提供較大的功率。因此,世界各國目前都在大力發(fā)展新型的電子式互感器,在消除了電磁式互感器一些重大缺陷的同時,其小功率的二次輸出也適應(yīng)了數(shù)字化變電站的發(fā)展需求?；ジ衅魇潜ＷC電力系統(tǒng)正常、安全和可靠運行的重要設(shè)備,它用量多、使用面積廣,且直接接在發(fā)電廠或變電站的輸配電線上,或者接到變電室內(nèi),而且中壓互感器可接電能計量系統(tǒng),它的失效往往造成較大的損失。因此互感器必須具有非常高的運行可靠性。本文分析的電子式電流互感器主要應(yīng)用在中壓領(lǐng)域,其測量部分一般采用低功率電流互感器(LPCT)或者采用Rogowski線圈。目前LPCT作為一次部分,其準確度以及溫度性能更好。但是采用LPCT存在一個問題,即電子式電流互感器保護線圈的設(shè)計。如果LPCT既作為測量部分又作為保護部分,由于要考慮其飽和問題,那么就要增大鐵心的截面積。當然,可以采用Rogowski線圈做為保護線圈,那么設(shè)計時就需要兩個線圈,一個作為測量線圈,另一個作為保護線圈,這樣增大了互感器的體積而且浪費澆注材料。本文討論使用具有非磁性氣隙的鐵心同時做為測量和保護線圈的情況,通過理論分析和試驗來驗證其是否可以同時具有閉合鐵心和Rogowski線圈的優(yōu)點。如果有非磁性氣隙的鐵心能夠保證測量準確度以及20倍額定電流時不飽和,那么就可以同時作為電子式電流互感器的測量部分和保護部分。1通過電子電流傳感器差的腔1.1對于電流組合的誤差,有個人主義非線性勵磁特性的電流互感器通常都是由閉合鐵心制成的,不宜在過渡狀態(tài)中工作。在大多數(shù)情況下,由于在過渡狀態(tài)中鐵心飽和,而使這種電流互感器變換一次電流的周期性分量產(chǎn)生的誤差大大超過容許值。在大容量電力系統(tǒng)中,短路電流倍數(shù)很高,即使將電流互感器的二次繞組短路,實際誤差往往達到70%或者更大。電流互感器的其它形式的誤差也達到很大的數(shù)值。在此條件下,降低電流互感器的負荷并不能給減小誤差帶來多大的效果?？傊?為使在上述嚴重條件下一次電流的變換有足夠的準確度,采用特制的在過渡狀態(tài)中實際上為線性特性的電流互感器是合適的。例如鐵心帶氣隙的電流互感器。有氣隙的電流互感器介于一般的閉合鐵心和無鐵心電流互感器之間。有氣隙電流互感器與無鐵心電流互感器相比,它能獲得較大的容量,但是在誤差給定的條件下容量要比閉合鐵心電流互感器的小,而在容量已定的條件下誤差將比閉合鐵心電流互感器的大。采用有氣隙鐵心不會增加電流變換級,剩磁密實際上可以完全消除,而且在氣隙和截面選擇適當?shù)臈l件下可保證電流互感器的誤差不隨一次電流而變化。在線路和結(jié)構(gòu)不太復雜的條件下,這種電流互感器的誤差可以做得很小,而且實際上不隨負荷而變化。當然,鐵心有氣隙的電流互感器同樣可以在正常狀態(tài)下工作。但是,如不采取一些特殊方法限制誤差,在這種狀態(tài)下的工作準確度將比閉合鐵心電流互感器低。在鐵心有完整氣隙的最簡單的情況下,電流互感器的誤差隨著勵磁電流的增大而加大。1.2有氣隙的電流整體控制電路如圖1所示,用一個傳統(tǒng)的電磁式電流互感器(鐵心TA)或Rogowski線圈將母線電流I轉(zhuǎn)換成二次小電流,并由電阻R將二次電流轉(zhuǎn)換為電壓UAC,經(jīng)過信號調(diào)制器將該電壓信號轉(zhuǎn)換成光信號,通過光纖傳輸?shù)降蛪憾?最后在低壓側(cè)將光信號解調(diào)還原成電信號,測量輸出的電信號就可以間接測量母線電流的大小。有氣隙的電流互感器就是把圖1所示的鐵心用有氣隙的鐵心代替,這樣可以提高原閉合鐵心的飽和點,使得電流互感器的能夠在20倍額定電流時不發(fā)生飽和,很好地反映線路的電流情況。這樣,電子式電流互感器使用一個線圈,既能夠作為測量部分滿足正常情況下線路電流的測量,也同時可以作為保護部分使用,即可以反映線路故障時的電流情況,大大改善了原傳統(tǒng)式互感器的飽和以及鐵磁諧振等問題。1.3鐵心磁導和氣隙的磁通密度電流互感器的鐵心實際上可能有一個或幾個氣隙。假定鐵心沿平均磁路長的橫截面SM不變,而且氣隙斷面的各點上氣隙的幾何長度是相同的。由于氣隙邊沿磁力線的凸出,鐵心氣隙總的計算長度l3與幾何長度有區(qū)別。取氣隙中平均磁力線的長度作為l3,這個l3是在假定不存在磁力線凸出和給定的氣隙磁導率下的長度。顯然,在這種條件下,每個氣隙中磁通的橫截面等于鐵心的橫截面SM,而且鐵心中的磁通密度BTA與氣隙中的磁通密度B3也是相等的,即BTA=B3=B,如圖2所示。圖2中μTA和μ3為氣隙區(qū)以外鐵心鋼片的磁導和氣隙本身的磁導。鐵心鋼片總的平均磁路長標為lTA,鋼片中磁場強度為HTA,氣隙中磁場強度為H3。電流互感器在任何工作狀態(tài)下折算到一匝時的勵磁電流為i0=HTAlTA+H3l3。i0=ΗΤAlΤA+Η3l3。式中,HTA為鋼片中磁場強度;lTA為鐵心鋼片總的平均磁路長;H3為氣隙中磁場強度;l3為氣隙中平均磁力線的長度。鋼片中的磁場強度與磁通密度由局部磁化曲線求得的HTA=f(B)關(guān)系曲線確定。而氣隙中的磁場強度H3=B/μ0,式中μ0為空氣磁導率。如果SM和l3分別以m2和m為單位,磁通密度以T為單位,磁場強度以A/m為單位,那么磁導率μ0=4π×10-7H/m,可以得出鐵心單位勵磁電流為i0l=i0/lTA=f(B)+BNp=F(B)。i0l=i0/lΤA=f(B)+BΝp=F(B)。式中,i0為鐵心勵磁電流;f(B)為閉合鐵心的磁化曲線函數(shù)(見圖3);B為鐵心的磁通密度;Np=l3μ0lTA=l3×1074πl(wèi)TAΝp=l3μ0lΤA=l3×1074πl(wèi)ΤA;為鐵心的去磁系數(shù)。單位勵磁電流與磁通密度的關(guān)系為i0l=F(B);是有氣隙鐵心的磁化曲線。這一關(guān)系可用圖解法求得,通過曲線HTA=f(B)及直線H3(l3/μ0lTA)=BNp的橫坐標相加得出。即對于同樣的B,新的磁化曲線對應(yīng)的H得到提高,提高了鐵心飽和值,所以有完整氣隙的鐵心飽和點較完全閉合鐵心飽和點得到了很大提高。最小允許氣隙l3,是從實際上消除剩磁密Br3對電流互感器在過渡狀態(tài)中工作準確度影響的這一條件來確定。為此必須使磁通密度Br3實際上不超過正常狀態(tài)下的磁通密度。對于優(yōu)質(zhì)的冷軋電工鋼片,可以取計算氣隙l3/lTA≈0.001～0.002。2試驗結(jié)果2.1tvs的測量單元基于以上的分析,本文研制出一種鐵心帶氣隙的電子式電流互感器,基本原理圖如圖4所示。圖4中測量通路和保護通路采用2個取樣電阻R1和R2,其中R3的作用是限流,防止后面電路功率過大,TVS的作用就相當于給測量通路一個保安系數(shù)。當電壓超過一定范圍后TVS會動作,保護后面二次設(shè)備。而保護通路繼續(xù)能夠正常工作,輸出正確的不飽和的信號。額定電流為100A,測量通道的傳感單元采用LPCT原理。鐵心材料為硅鋼片,1、2次側(cè)匝數(shù)電壓比為5000:1。兩個取樣電阻均采用低溫度系數(shù)高功率電阻,阻值均為2.0Ω。2.2鐵心帶氣隙的電流傳感線性度在實驗室樣機研制過程中,對帶氣隙鐵心的電子式電流互感器做線性度試驗,測試其飽和情況以及輸出電壓與所加額定電流的關(guān)系,數(shù)據(jù)見表1。經(jīng)過計算可以得出2組數(shù)據(jù)的線性相關(guān)系數(shù)為0.9999,總體上鐵心帶氣隙的電流互感器在20倍額定電流內(nèi)有很好的線性特性,可以很好地反映出線路的電流特性。利用電流互感器的一次電流和二次輸出數(shù)據(jù),繪出電流互感器的線性度曲線,如圖5所示。從曲線中可知,鐵心帶氣隙互感器的線性度很好,而且在20倍額定電流的時候不會飽和。提高鐵心飽和點的特性比純閉合鐵心的互感器飽和特性要好,所以這種互感器既可以利用做為保護互感器也同時可以做為測量互感器。2.3鐵心帶氣隙的電子式電流控制器iec在樣機研制過程中,對鐵心帶氣隙的電子式電流互感器做了準確度試驗,測量得到的數(shù)據(jù)見表2。根據(jù)表2得到的比差、角差數(shù)據(jù)可以做出此種材料的鐵心帶氣隙電子式電流互感器的準確度曲線,如圖6、7所示。其中,虛線為IEC規(guī)定0.2級標準的誤差范圍,這個試驗說明,作為測量互感器,鐵心帶氣隙的電子式電流互感器可以達到很高的準確度;而作為保護用互感器,鐵心帶氣隙的電子式電流互感器也能夠達到IEC標準規(guī)定的5P級。帶氣隙鐵心的電子式電流互感器可以很好地代替原閉合鐵心的電子式電流互感器,且具有很高的準確度。圖6、7很好地反映出20倍額定電流內(nèi),鐵心有完整開口氣隙的電子式電流互感器能夠滿足IEC標準中電子式電流互感器0.2級的誤差要求。而且作為保護互感器使用時,其準確度比Rogowski線圈測量的準確度要高,能比較真實地反映線路故障或者短路時電流的變化情況。2.4取樣電阻隨溫度變化的特性對于上面設(shè)計的鐵心帶氣隙電子式電流互感器,溫度特性很重要,因為以往不采用帶氣隙的鐵心,主要是因為在溫度條件不好的情況下,電子式電流互感器的準確度會出現(xiàn)問題。首先分析取樣電阻溫度系數(shù)對鐵心帶氣隙的電子式電流互感器的影響,把試驗得到的數(shù)據(jù)去除取樣電阻的溫度特性影響,從而得到一個比較準確的鐵心帶氣隙互感器的溫度特性數(shù)據(jù)。首先分析互感器取樣電阻的溫度特性。1個額定電流為100A的電子式電流互感器,1、2次側(cè)匝數(shù)電壓比為5000:1,假設(shè)用一個阻值2.0Ω的取樣電阻,沒有任何誤差,并且電流一次和二次端的轉(zhuǎn)換是精確沒有誤差的,這樣得到的二次電壓值在常溫下為40.0mV。這樣假設(shè)可以認為系統(tǒng)本身誤差引起的電子式電流互感器誤差變化為0,只分析取樣電阻隨溫度變化對互感器準確度的影響。電阻的溫度系數(shù)為20×10-6°C-1,還假定常溫為25°C,這樣溫度變化1K,電阻阻值變化為4×10-5Ω,這樣得到的二次電壓值為39.999～40.001V,這樣溫度變化1K,引起的電子式電流互感器比差變化最大為:±0.002%。如果試驗中要求從高溫60°C變化到低溫-25°C,一共變化85K,所以電子式電流互感器比差變化為:±0.002%×85=±0.17%。同樣,如果取樣電阻的溫度系數(shù)為10×10-6,還認為常溫為25°C,這樣溫度變化1K,引起的電子式電流互感器比差最大變化為:±0.001%。如果試驗中要求從高溫60°C變化到低溫-25°C,一共變化85K,所以整體的的電子式電流互感器比差變化為:±0.001%×85=±0.085%。所以,取樣電阻的溫度特性對電子式互感器的準確度有很大的影響,要選擇低溫度系數(shù)的取樣電阻。在樣機研制過程中,對鐵心帶氣隙的電子式電流互感器做了溫度循環(huán)試驗。由于電子式互感器的鐵心體積很小,所以基本上在高溫(60°C)或者低溫(-30°C)上保持3h就可以穩(wěn)定下來。根據(jù)表3中的電子式電流互感器的比差和角差的數(shù)據(jù)做出比差、角差隨溫度變化曲線,如圖8、9所示,兩圖中的虛線為IEC標準規(guī)定的0.2級電子式電流互感器的誤差邊界,而兩條曲線分別代表的是重復兩次溫度循環(huán)試驗得到的結(jié)果。可以看出對于IEC標準規(guī)定的0.2級的測量線圈,鐵心帶完整氣隙的電子式電流互感器基本上滿足要求。角差在-25～40°C內(nèi)能夠很好的滿足比差和角差的要求。但是隨著溫度的繼續(xù)升高或者降低,電子式電流互感器的角差逐漸變大,這個問題是后面工作需要重點研究的內(nèi)容,即如何改進帶氣隙的鐵心,使它的角差能夠在溫度惡劣的環(huán)境下不會超標,仍然能夠很好地滿足要求。3電流測試結(jié)果為了減小電流互感器在正常狀態(tài)下的誤差,有時候采用的鐵心不是有完整氣隙而是有局部氣隙的電流互感器是合適的。在結(jié)構(gòu)上局部氣隙可在鐵心上切出細縫或者鉆出小孔的方法來實現(xiàn),如圖10所示。顯然,有局部氣隙鐵心的磁導為μ0Σ=μTA(μ′TA+μ3)μTA+μ′TA+μ3。μ0Σ=μΤA(μ′ΤA+μ3)μΤA+μ′ΤA+μ3。式中,μTA、μ′TA和μ3分別為氣隙區(qū)以外鐵心鋼片的磁導、氣隙區(qū)與氣隙并聯(lián)的鐵心鋼片的磁導和氣隙本身的磁導,磁導實際都是通過測量相應(yīng)的磁通實驗確定的;L′TA、L3分別為氣隙區(qū)與氣隙并聯(lián)的鐵心鋼片的電感值和氣隙本身的電感值;i0TA、i′0分別為通過氣隙區(qū)與氣隙并聯(lián)的鐵心鋼片的勵磁電流和通過氣隙本身的勵磁電流。在正常工作狀態(tài)下,電流互感器的磁通幾乎全部通過磁導μ′TA,此時電感L′TA?L3,勵磁電流i0TA?i′0,因而電流互感器大致和普通的閉合鐵心的電流互感器一樣,具有很小的誤差。當一次短路電流倍數(shù)相當大而且是在過渡過程中時,相應(yīng)于μ′TA的鐵心區(qū)顯著飽和,幾乎全部磁通都通過氣隙(L3?L′TA、L3<LTA、i′0>i0TA)。在這種條件下,電流互感器大致和有完整氣隙的電流互感器一樣工作著,電流的周期性分量的誤差別限制在一定的范圍內(nèi)。以上互感器在理論上可以減小電流互感器在正常狀態(tài)下的誤差,而且從分析中可以看出,在正常情況下,如果開口很小的話可以和完整鐵心電流互感器的精度非常接近。針對角差比較大的問題,有可能是材料中開口對溫度影響的變化比較大,上面樣機的鐵心是硅鋼片材料。由于全封閉的鐵心硅鋼材料的溫度性能比開口的鐵心要好,所以可以判斷出鐵心帶不完整氣隙的電子式電流互感器的溫度特性中角差部分可以得到一定的改善。4溫度特性的確定本文討論了鐵心有非磁性氣隙的電子式電流互感器