蔣大維
江陰市星火電子科技有限公司
1、開合式電流互感器的結(jié)構(gòu)及作用
開合式電流互感器顧名思義就是可以在一次側(cè)線路(被測電流線路的一側(cè),通常為電纜或者母牌)上開合的電流互感器,通過感應(yīng)一次線路上的電流大小,從而為二次設(shè)備進(jìn)行測量或為繼電器進(jìn)行保護(hù)。
近年來,我國的配電網(wǎng)發(fā)展雖取得明顯改善,但城鄉(xiāng)區(qū)域發(fā)展不平衡,用電質(zhì)量有待改善,同時國家對能源管理不斷提出要求,在這樣的大環(huán)境下,我們急需對以前的電力線路進(jìn)行二次改造,在改造項目上就需要用到電流互感器來對線路進(jìn)行測量或者保護(hù),但是普通的電流互感器是一個完整封閉的結(jié)構(gòu),(見圖1)由于這種電流互感器是閉環(huán)結(jié)構(gòu)(見圖2),所以使用時必須要拆卸一次線路,再者拆卸一次線路,必須要先斷電,如果為了改造而斷上個幾天甚至半個月的電,對一些商場、超市、企業(yè)的損失是非常大的。所以開合式電流互感器就應(yīng)運而生了。(見圖3)開合式電流互感器的特點是:電流互感器一次側(cè)為開合式結(jié)構(gòu),(見圖4)無需拆卸一次線路,亦可帶電操作,不影響客戶使用,從而節(jié)省大量的人力、物力及財力,而且很大程度上提高了效率。
圖1:星火電子生產(chǎn)的環(huán)氧澆注式電流互感器,一次側(cè)閉合鐵心,無法打開,一次線路必須穿孔。
圖2:普通電流互感器的結(jié)構(gòu):是由漆包線的繞組和閉合的鐵心組成,由于電流互感器的鐵心是閉環(huán)結(jié)構(gòu),所以一次側(cè)電纜只能穿心使用。
圖3:星火電子生產(chǎn)的SCT系列開合式電流互感器,一次側(cè)開合式設(shè)計,即是鐵心經(jīng)過切割后安裝在外殼內(nèi),左為一次側(cè)閉合狀態(tài),右為一次側(cè)打開狀態(tài)。使用時打開上蓋,夾住一次電纜即可。
圖4:開合式電流互感器工作示意圖,鐵心采用開合式設(shè)計,從而開合式電流互感器可以夾住一次側(cè)線路。
2、開合式電流互感器的技術(shù)參數(shù)
開合式電流互感器的主要技術(shù)參數(shù)如下:
2.1、設(shè)備電壓,設(shè)備的工作電壓決定互感器的絕緣要求,閉合式的電流互感器可以做很高的絕緣,但是開合式電流互感器由于結(jié)構(gòu)的原因,正常只能使用于1KV以下的設(shè)備電壓。當(dāng)然如果一次側(cè)是由有可靠絕緣的電纜結(jié)構(gòu),那開合式電流互感器就可以使用于中壓,但一般設(shè)備電壓不能超過35KV。
2.2、輸入電流、輸出電流,這個和普通的閉合式電流互感器一樣,例如:600A/5A,就是把一次側(cè)600A的電流轉(zhuǎn)換為5A的二次電流。
2.3、準(zhǔn)確級,通俗叫做誤差,是互感器的重要性能參數(shù),例如0.1、0.2、0.5、0.2S、0.5S,數(shù)值越小,誤差要求越高,(見表1和表2)
當(dāng)然開合式電流互感器由于鐵心經(jīng)過切割,準(zhǔn)確級要比閉合式的電流互感器要低。
表1 :GB/T20840.1-2010中規(guī)定測量用電流互感器的準(zhǔn)確級的定義
表2:GB/T20840.1-2010中規(guī)定特殊使用的測量用互感器的準(zhǔn)確級
2.4、負(fù)荷,互感器二次側(cè)的負(fù)載的視在功率,單位VA,負(fù)荷要求越高,互感器的鐵心越大。
2.5、海拔,一般海拔不超過3KM,否則絕緣性能會遭到破壞,同時溫升會升高,影響互感器使用。
2.6、防護(hù)等級,由于開合式互感器屬于暴露裝置,故一般IP防護(hù)等級為IP20,如果要做到很高的防護(hù)等級,必須經(jīng)過特殊的設(shè)計及處理。
3、開合式電流互感器的設(shè)計原理及影響因素分析
電流互感器是一個電流信號變換的裝置,是基于電磁感應(yīng)原理而工作的,在電力回路中,將一次側(cè)大電流變換為便于儀表測量或者繼電器保護(hù)的二次側(cè)小電流信號,從而實現(xiàn)二次側(cè)與高壓電網(wǎng)的隔離,保證了二次側(cè)回路及人員的安全。
電流互感器的電磁感應(yīng)原理可以通過等效電路來建立其模型,將二次側(cè)電流折算到一次側(cè),畫出的等效模型。(見圖5)
圖5,電流互感器的等效電路模型
根據(jù)等效電流可知: I0N1=I1N1+I2N2;——公式1
I0=I1+I2。——公式2
畫出電流互感器的向量圖。(見圖6)
圖6,電流互感器的向量圖。
可知互感器一次電流與二次電流并非嚴(yán)格的等比例關(guān)系,關(guān)鍵在于勵磁電流I0,勵磁電流又是互感器工作的主要原因,所以互感器必然是有誤差的。
依據(jù)電流互感器的定義,其比差公式為:
F=(I2-I1)/I1≈-cb/I1=-(I0/I1)sin(α+φ)*100,%;——公式3
相位差公式為:
Δ≈sinΔ=ca/I1=I0/I1cos(α+φ)*3438′;——公式4
其復(fù)合誤差公式為:
ε=F+jΔ= 25.3 Z2L/ N2 ²μSk 。——公式5
式中 L為鐵心的平均磁路長度,單位 cm;
Z2 為互感器總阻抗,包含負(fù)荷阻抗及繞組阻抗,單位 ?;
μ 為鐵心磁導(dǎo)率,單位 T/Oe;
S為鐵心截面積,單位cm²;
K為鐵心的疊片系數(shù),根據(jù)不同材質(zhì)的鐵心,其疊片系數(shù)從0.8-0.95之間。
所以影響互感器準(zhǔn)確級的因素如下:
3.1、平均磁路長度L對互感器的誤差的影響
公式5表明,誤差與平均磁路長度成正比。鐵心的磁路長度,主要取決于鐵心窗口的面積,而鐵心窗口的大小,必須保證能裝下一次和二次繞組以及它們之間的絕緣。在滿足這個要求以后,應(yīng)該盡可能的縮小鐵心的窗口面積,縮短鐵心的磁路長度。很明顯,鐵心的磁路長度越小,越省鐵心材料,誤差也越小。
3.2、鐵心截面對互感器誤差的影響
從公式5看到,誤差與鐵心的截面S成反比。一般說來,增加鐵心截面可以減小誤差。但是,實際上伴隨著鐵心截面的增大,鐵心的平均磁路會隨著增長,二次繞組的內(nèi)阻抗也會增大。所有這些都限制了互感器誤差的減小,甚至在某些情況下,鐵心截面S的增大,反而使誤差增大。
3.3、繞組匝數(shù)對互感器誤差的影響
根據(jù)公式5,我們可以看到互感器的誤差與互感器二次繞組匝數(shù)的平方成正比,即是增加互感器二次繞組的匝數(shù)能夠大大的減小互感器的誤差。但是隨著二次繞組匝數(shù)的增多,二次繞組的內(nèi)阻抗也隨著增大,會限制互感器誤差的減小,同時增加二次繞組的匝數(shù),用銅量也會增加,增加了互感器的成本。
3.4、互感器一次電流對互感器誤差的影響
公式并沒有表明互感器一次電流對互感器誤差的影響,但是隨著互感器一次電流的增大,互感器鐵心的磁密會升高,(見圖7)在一定的范圍內(nèi),鐵心導(dǎo)磁率會上升,這樣互感器的誤差會隨著一次電流的升高而減小。(見圖8)
圖7:鐵心初始B-H磁化曲線,隨著一次電流上升,磁導(dǎo)率會逐漸增大,直至飽和。
圖8,星火電子開合式電流互感器SCT0016,隨著一次電流增大,誤差逐漸變小,直至飽和。
3.5、鐵心材料對互感器誤差的影響
從公式5看到,鐵心的磁導(dǎo)率越高,互感器的誤差越小,所以選取合適的互感器鐵心是提高互感器誤差的關(guān)鍵,互感器所用的鐵心屬于磁性材料,而磁性材料又有軟磁和硬磁材料之分,軟磁材料容易被磁化和被退磁,退磁所用的矯頑力又很小,而硬磁材料退磁所用的矯頑力很高,這就是兩者較明顯的差別,軟磁材料擁有較高的磁導(dǎo)率和很小的矯頑力,所以互感器鐵心使用軟磁材料。
軟磁材料的總類又有很多,有金屬軟磁和非金屬軟磁,晶態(tài)軟磁和非晶態(tài)軟磁,性能也各不相同,有的磁密高,有的磁導(dǎo)率高,有的頻率特性好,所以軟磁材料不同,性能也有所不同,我們給軟磁大致分類如下。(見圖9) 圖9,軟磁材料大致分類
4、鐵心材料對開合式互感器的影響分析
常用的鐵心材料做個介紹:
4.1、鐵氧體系列:主要分為鎳鋅和錳鋅,鎳鋅磁導(dǎo)率低、但頻率特性好,錳鋅磁導(dǎo)率導(dǎo)率相對較好,但頻率特性相對較差,鎳鋅通常使用于高頻電感,錳鋅用作于低頻濾波電感。開關(guān)電源用變壓器通常使用鐵氧體做為磁芯,只是根據(jù)頻率高低而采用不同材質(zhì)的鐵氧體。當(dāng)然鐵氧體由于價格便宜,容易成型也可以適用于開合式電流互感器,但是由于其導(dǎo)磁率和磁密都不是很高,所以互感器的過載、負(fù)荷及其誤差都不是較佳的狀態(tài)。
4.2、硅鋼片鐵心:硅鋼片是一種合金,在純鐵中加入少量的硅(一般在4.5%以下)形成的鐵硅系合金稱為硅鋼。該類鐵心具有較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值為2T;由于它們具有較好的磁電性能,又易于大批生產(chǎn),價格便宜,機(jī)械應(yīng)力影響小等優(yōu)點,在電力電子行業(yè)中獲得極為廣泛的應(yīng)用,特別是在低頻、大功率下適用。所以硅鋼鐵心是現(xiàn)在開合式互感器的主流使用材料。
4.3、坡莫合金:坡莫合金常指鐵鎳系合金,鎳含量在30~90%范圍內(nèi)。是應(yīng)用非常廣泛的軟磁合金。通過適當(dāng)?shù)墓に嚕梢杂行У乜刂拼判阅?,飽和磁感?yīng)強(qiáng)度比硅鋼稍低一些,但磁導(dǎo)率比硅鋼高幾十倍,鐵損也比硅鋼低2~3倍。由于其較高的初始磁導(dǎo)率,所以通常適用于零序電流互感。
4.4、納米晶:納米晶(1K107)是在非晶(1K101)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的,擁有很高的磁導(dǎo)率、較高的磁感應(yīng)強(qiáng)度(1.2T),可以說納米晶是磁性能綜合能力較好的磁性材料,也可以說適用于各項電磁轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品,對互感器、變壓器、電感、電抗來說都是不錯的選擇。它的缺點是物理特性較差,由于鐵心要切割,納米晶的機(jī)械應(yīng)力影響較大,所以目前為止,納米晶的開合式互感器并非主流。
下面我先列出互感器使用常見的磁性材料(見下表3)。
參數(shù) | 納米晶 | 鐵氧體 | 坡莫合金 | 冷軋硅鋼 |
磁感應(yīng)強(qiáng)度 | 1.2T | 0.5T | 0.9T | 2.0T |
初始磁導(dǎo)率 | 4-8104 | 1-4104 | 5-8104 | 1000 |
使用頻率 | 50HZ-100KHZ | 50HZ-5MHZ | 50HZ-8KHZ | 50HZ-400HZ |
損耗 | 較低 | 一般 | 很低 | 高 |
價格 | 較高 | 很低 | 很貴 | 一般 |
機(jī)械應(yīng)力 | 差 | 一般 | 一般 | 較好 |
表3:互感器常見磁性材料對比
所以根據(jù)上表,納米晶是制作普通電流互感器較好的材料,它可以制作準(zhǔn)確級高同時有一定負(fù)荷的互感器。但考慮到價格,納米晶的價格遠(yuǎn)高于硅鋼,同時在互感器的工藝處理上要難于硅鋼,所以現(xiàn)在常規(guī)的一次互感器(輸出5A/1A)使用硅鋼鐵心。準(zhǔn)確級要求很高,則采用納米晶。對于二次互感器(輸出ma級電流),由于其準(zhǔn)確級要求較高,一般采用納米晶制作。對于準(zhǔn)確級要求及負(fù)荷要求不高的互感器,考慮到成本,也可以采用錳鋅鐵氧體的磁芯。
但如果是開合式電流互感器,這就要考慮到鐵心切割時的應(yīng)力,由于納米晶機(jī)械應(yīng)力較差,所以正常切割完,其性能會明顯下降,磁導(dǎo)率甚至降到比硅鋼鐵心還要低,本來納米晶的特點就是高磁導(dǎo)率,比硅鋼還要低了,那么就不再適用于開合式電流互感器。所以現(xiàn)在多數(shù)開合式電流互感器(輸出5A/1A)使用硅鋼的切割鐵心。對于準(zhǔn)確級要求及負(fù)荷要求不高的互感器,考慮到成本,也可以采用錳鋅鐵氧體的磁芯。
綜上所述,開合式電流互感器的鐵心主流還是使用硅鋼的切割鐵心,當(dāng)然,目前很多廠家都在研究納米晶的切割工藝,相信不久就會有所突破。
5、氣隙對開合式互感器的影響
那么硅鋼切割的鐵心與常規(guī)未切割的電流互感器相比有哪些變化呢。見圖10。
圖10:氣隙鐵心仿真的磁滯回線。
從圖10當(dāng)中可以看出,鐵心在開了氣隙后,磁性能發(fā)生了明顯的變化,變化點如下:
5.1、氣隙是鐵心磁導(dǎo)率變小
從仿真磁滯回線可以看出,鐵心切割后會產(chǎn)生明顯的氣隙,從而導(dǎo)致磁導(dǎo)率明顯的下降,可以推斷出,氣隙越大,磁導(dǎo)率越低,所以氣隙會影響開合式的誤差,這也是開合式電流互感器的準(zhǔn)確級達(dá)不到普通電流互感器準(zhǔn)確級的原因。
5.2、氣隙使互感器的線性度變好
從仿真磁滯回線可以看出,增加氣隙后,互感器的B-H曲線斜率變好,從而磁導(dǎo)率不再是隨著電流的增大而增大,變的較為線性,這樣互感器的勵磁電流會相對恒定,從而互感器的誤差不再隨著一次電流的增大而變化,這樣互感器的線性也就會變好。
5.3、氣隙增強(qiáng)了互感器的負(fù)載能力,增加了互感器的過載能力
增強(qiáng)了互感器的負(fù)載能力,增加了互感器的過載能力,這兩點都關(guān)乎于互感器的磁密B有關(guān),從仿真磁滯回線可以看出,鐵心加入氣隙后,飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度增大,剩磁減小,這樣互感器的負(fù)載能力及過載能力都會有明顯的改善。
綜上所述,我們可以分析出開合式電流互感器相較普通的電流互感器的優(yōu)點是:1、量程寬:由于磁密增加,剩磁減小,所以開合式電流互感器的量程更寬;2、負(fù)載能力強(qiáng):同樣由于磁密增加,剩磁減小,開合式電流互感器相較普通電流互感器負(fù)載能力更強(qiáng);3、無侵入:當(dāng)然考慮到開合式結(jié)構(gòu),它能夠直接夾在被測電纜上,進(jìn)行非侵入式測量。
6、如何進(jìn)一步補(bǔ)償開合式互感器的精度
開合式電流互感器與普通電流互感器的性能差別就是準(zhǔn)確級不夠好,除了在磁導(dǎo)率、阻抗、平均磁路長度、鐵心截面積等硬件方面來改善互感器的準(zhǔn)確級,還有沒有其他的方法來提高開合式電流互感器的準(zhǔn)確級呢?
我們知道互感器的誤差主要是由于勵磁電流的存在,所以互感器的補(bǔ)償方法核心思想就是有效的處理互感器的勵磁電流。所以可以進(jìn)行開合式電流互感器有源補(bǔ)償法,處理的方法有兩種思路:
6.1、自身提取勵磁電流法:通過對開合式鐵心的氣隙控制以及使用磁導(dǎo)率線性度較好的鐵心材料,這樣開合式電流互感器的勵磁電流會相對恒定,從而將勵磁電流提取注入到二次負(fù)載,即而達(dá)到消滅誤差,從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。(見圖11)
圖11、自身提取勵磁電流法
6.2、外部注入勵磁電流法:勵磁電流不能完全消除,那么可以從外部提供電路來提供勵磁電流,從而是互感器沒有誤差,從而達(dá)到補(bǔ)償目的。
圖12、外部提供勵磁電流法
當(dāng)然有源補(bǔ)償法還涉及到安全及性價比,作者僅做個初步探討,具體實踐還需要大家去開拓、發(fā)展。
7、開合式電流互感器及電子式互感器的發(fā)展
作者在《開合式電流互感器的應(yīng)用及其發(fā)展》中提到過,開合式電流互感器未來的發(fā)展方向:1、小型化;2、一致化;3、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化。有人肯定要反駁,開合式電流互感器未必有未來,因為現(xiàn)在國家要搞智能電網(wǎng),需要使用電子式電流互感器,普通的開合式電流互感器要被淘汰,其實不然,電子式電流互感器也許代表的是未來,如果作為保護(hù)用,在一定的范圍內(nèi)是可以的,但如果用作測量、計量用,那么它的準(zhǔn)確級還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不達(dá)標(biāo),這也是電子式電流互感器(無論是有源型還是無源型)未來發(fā)展中急需要解決的問題。
所以在未來補(bǔ)償技術(shù)不斷提高、磁性材料不斷發(fā)展的情況下,開合式電流互感器的準(zhǔn)確級只會越來越高,使用也會越來越廣泛。
參考文獻(xiàn)
1、《電流互感器手冊》 作者:不詳
2、《高精度開合式電流互感器的分析》 作者:胡書紅
3、《互感器原理與設(shè)計基礎(chǔ)》 作者:肖耀榮、高祖綿
4、《互感器第1部分:互感器通用技術(shù)要求,代號:GB/T20840.1》
5、《互感器第2部分:電流互感器補(bǔ)充技術(shù)要求,代號:GB/T20840.2》
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