帶氣隙鐵心電流互感器的頻率響應特性

宋道軍，劉 成，黎 曦

(1.重慶市電力公司璧山供電局，重慶402760;2.中國煤炭科工集團重慶設計研究院，重慶400016;3.重慶水利電力職業(yè)技術學院，重慶402160)

0 引言

電流互感器(CT)是電力系統(tǒng)測量電流波形或電流大小的設備［1-3］。開啟式CT是一種簡單、廉價且被廣泛應用的電流互感器，如日本共立儀器MDOEL-4200、美國FLUKE F375/381和德國SONEL CMP-1006。基于電磁感應原理的CT，還有實現(xiàn)一次側和二次側間電氣隔離作用。電力系統(tǒng)中，理想的電流為50Hz正弦波形，但CT一次側電流常因各種原因發(fā)生畸變，并含有大量諧波［4-5］。這些諧波會影響二次側電流測量精度，甚至會導致連接于CT二次側的設備誤動作。

因此，為確保氣隙CT能將一次側電流準確地傳變至其二次側，基于氣隙鐵心的勵磁特性建立了CT電流傳遞函數(shù)，并對氣隙CT的頻率響應范圍和階躍響應特性進行了分析。

1 帶氣隙鐵心的磁化特性

傳統(tǒng)CT的鐵心多為閉環(huán)結構，但為測量方便，目前測量用CT多采用可開啟式的結構設計。可開啟式的結構在鐵心中引入氣隙，改變了鐵心的勵磁特性［6-7］，見圖 1。

圖1 閉環(huán)鐵心和氣隙鐵心的勵磁特性

因氣隙寬度遠遠小于鐵心的平均磁路長度，可不計引入氣隙造成的邊緣效應［8］，即認為鐵心的有效截面與氣隙有效截面相等，從而鐵心中的磁感應強度與氣隙中的磁感應強度相等。基于上述假設，若已知鐵心平均磁路長度、氣隙寬度等參數(shù)，則帶氣隙鐵心的等效相對磁導率［9］可表示為

其中，μFe是鐵心的相對磁導率;δ是鐵心中氣隙的寬度;l是鐵心的平均磁路長度。

2 帶氣隙CT的傳遞函數(shù)

CT的電路結構可等效為如圖2所示。其中，i1(t)表示輸入信號，iR(t)為輸出信號。

圖2 CT電路的結構

若CT等效電路是線性時不變網(wǎng)絡，則可復頻域內(nèi)定義電流傳遞Ac(s)，如下:

低頻條件下，可忽略CT繞組漏感和雜散電容。CT的截止頻率主要由二次繞組的阻抗和負載阻抗的比值決定，所有參數(shù)歸算至二次側后，CT的等值電路［10］見圖 3。

其中，i1是一次側電流，n是變比;im是勵磁側電流，Lm和Rm分別是歸算至二次側后勵磁支路的勵磁電感和勵磁電阻;R2是二次側繞組的電阻，iR是二次側

圖3 CT低頻等值電路

負載電阻支路的電流，uR是二次側負載電阻上的電壓。

由式(3)可得Ac(s)，即CT的電流傳遞函數(shù)的表達式:

將s=jω代入式(4)，CT的傳遞函數(shù)并化簡可得下式:

顯然，ωL就是-3dB截止角頻率，對應的截止頻率

CT工作在低頻條件下時，通常Rm?R+R2，因此CT的傳遞函數(shù)，即式(4)可簡化為

3 帶氣隙CT的頻率響應特性

歸算至二次側的勵磁電感可表示為

其中，μeq是氣隙鐵心的相對磁導率;μ0是真空磁導率;S是鐵心截面的有效面積。

將式(1)代入式(7)，可得鐵心帶氣隙CT勵磁電感的表達式

為驗證計及鐵心氣隙時CT傳遞函數(shù)的有效性，建立了與文獻［11］相同的模型。不同氣隙寬度條件下，CT的幅頻特性和相頻特性分別如圖4(a)和圖4(b)所示。此外，由式(8)可知，CT等值電路中的勵磁電感與鐵心氣隙寬度有關，且氣隙越寬，勵磁電感越小。不同氣隙寬度對應的勵磁電感，見表1。

圖4 CT的頻率響應特性

表1 氣隙對截止頻率的影響

由圖4(a)和表1可知，在低頻條件下，鐵心氣隙的引入和增加會降低CT勵磁支路的勵磁電感，同時使-3dB截止頻率fL增大，從而減小CT的頻率響應范圍。同時，由圖4(b)可知，隨著氣隙寬度的增加，CT的相角在0°和90°附近變化愈慢，在45°附近變化愈快。

此外，CT各參數(shù)對其-3dB截止頻率的影響情況，見表2。

表2 CT參數(shù)對截止頻率的影響

4 帶氣隙CT的階躍響應特性

若氣隙CT一次電流為階躍信號，則一次電流i1(t)可表示為

其中，Im為階躍電流的強度，ε(t)為單位階躍函數(shù)，當 t＜0時，ε(t)=0;當 t＞0時，ε(t)=1。

將式(9)變化到復頻域，有

將式(10)代入式(3)，可得復頻域內(nèi)氣隙CT的階躍響應電流

同理，由Rm?R+R2，式(11)可簡化為

將式(12)中氣隙CT二次電流從復頻域變換至時域

由圖5可知，隨著氣隙寬度的增加，CT階躍響應衰減愈快，即階躍響應衰減的時間常數(shù)減小。

圖5 CT的階躍響應特性

5 結論

本文通過推導計及鐵心氣隙的電流傳遞函數(shù)，分析了不同氣隙寬度條件下CT的幅頻特性和相頻特性，同時給出了不同氣隙寬度下CT的階躍響應特性。分析表明:

①與閉環(huán)鐵心相比，鐵心中氣隙的引入使-3dB截止頻率fL增大，從而減小CT的頻率響應范圍。此外，可通過選擇 CT 參數(shù)，如 S，l，n，μeq等，調(diào)節(jié)-3dB截止頻率。

②隨著鐵心氣隙寬度的增加，CT的相角在0°和90°附近變化愈慢，在45°附近變化愈快。

③隨著鐵心氣隙寬度的增加，階躍響應衰減的時間常數(shù)減小，階躍響應衰減愈快。

鐵心中的氣隙通過影響勵磁電感改變低頻截止頻率fL，從而改變開啟式電流互感器的通帶特性和測量精度。因此，在設計、制造和使用開啟式電流互感器過程中，應合理的引入氣隙，提高測量精度。

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