基于坡莫合金磁芯的電流互感器寬量程實現

諶洪江, 江智軍, 靳紹平, 劉　見

(1. 南昌大學 信息工程學院, 江西 南昌　330031；2.國網江西省電力科學研究院,江西 南昌　330096)

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基于坡莫合金磁芯的電流互感器寬量程實現

諶洪江1, 江智軍1, 靳紹平2, 劉見2

(1. 南昌大學 信息工程學院, 江西 南昌330031；2.國網江西省電力科學研究院,江西 南昌330096)

針對JJG1021-2007《電力互感器檢定規程》規定的磁飽和裕度的直接測量方法存在標準電流互感器過電流問題,通過對影響電流互感器誤差的參數進行分析,確定了用坡莫合金磁芯以及適當增加電流互感器二次繞組的導線截面積、磁芯截面積來實現標準電流互感器寬量程,測量準確度等級較原設計提高了一個等級,測量精度達到0.02級,解決了電流互感器磁飽和裕度的直接測量中標準電流互感器過電流的問題。

電流互感器； 坡莫合金； 磁飽和裕度； 寬量程; 比差

隨著電力行業體制改革的進行和不斷深入,傳統檢定電流互感器所采用的檢定規程JJG313《測量用電流互感器檢定規程》已無法滿足電力用電流互感器的檢定需求[1]。2007年國家高電壓計量站等單位起草的JJG1021—2007《電力互感器檢定規程》的實施很大程度上規范了電力互感器的檢定工作。

電流互感器的檢定方法最早有“測導納法”[2],后來有“外推法”[3]和“間接法”[4]等。JJG1021—2007新增了電流互感器的磁飽和裕度檢測項目[5],要求“電流互感器鐵芯磁通密度在相當于額定電流和額定負荷狀態下的1.5倍時,誤差應不大于額定電流和額定負荷下誤差限值的1.5倍。”電流互感器的磁飽和裕度需要在150%的額定電流下測量,通常使用的標準電流互感器一般不能過載到150%[6]，因此按照檢定規程要求的磁飽和裕度直接測量方法不能實現。

關于計量用電流互感器TA寬量程的實現方法前人也做了大量的研究工作,文獻[7]提出基于有源補償原理的雙極TA方案,通過電路與磁路構成閉環測量系統,利用自適應控制器實時補償量的幅值增益系數,達到拓寬量程的目標。文獻[8]通過Bang-Bang控制互感器的誤差曲線進行平滑改造,該方法利用Bang-Bang控制的快速響應特性,可以有效提高互感器的準確度,拓寬互感器的量程。本文通過對影響TA誤差的各種因素進行分析,提出選用好的鐵芯材料——坡莫合金材料,適當增加二次繞組的導線截面積、磁芯截面積可以實現標準電流互感器寬量程。通過0.02級TA的設計實例分析證明了該方法的有效性,通過對比試驗證明測量精度為0.02級。

1　TA常用鐵芯材料對比

測量用TA是電力儀器儀表最前端的取樣器件,其性能直接影響電力儀器儀表的測量精度[9]。由于互感器的測量精度有不同的等級要求,故可以選用不同的軟磁材料作為磁芯材料。磁芯材料磁導率越高,互感器的測量誤差就越小,精確度就越高。目前,TA磁芯采用的軟磁材料主要有冷軋硅鋼片、坡莫合金、超微晶3種,其中用量最大的磁芯材料是冷軋硅鋼片,主要用來制造0.5級的TA磁芯；其次是坡莫合金及超微晶,主要用來制造高等級(如0.5S級、0.2級、0.1級)的TA磁芯[10]。

近年來由于TA國際市場競爭的加劇以及TA國家標準的不斷更新,對于傳統的采用冷軋硅鋼片作磁芯的TA多數已經達不到測量精度的要求。超微晶合金和坡莫合金具有比冷軋硅鋼片更高的磁導率,可以滿足更高測量精度的要求。對于軟磁材料而言，其飽和磁感應強度越高、靜態特性越高、動態磁特性越好、電阻率越高,則材料性能越好。近年來國內電力計量領域對精度要求越來越高,對坡莫合金磁芯TA的需求量越來越大。超微晶磁芯主要用來制造0.2級以下的TA磁芯,而坡莫合金可以用來制造更高等級的TA,包括0.02級標準TA。硅鋼片、坡莫合金和超微晶3種常用軟磁磁芯材料磁性能及經濟技術指標等典型參數比較見表1。

表1　TA常用三種軟磁磁芯典型參數比較

從TA測量精度以及降低成本的角度綜合考慮,本文選擇基于坡莫合金磁芯作為標準TA的磁芯。

2　TA傳變特性的誤差分析

2.1TA傳變特性數理關系

圖1　電流互感器的相量圖

TA的誤差是由提供磁通的交變勵磁電流產生的[11],TA的等值電路和變壓器等值電路相似,圖1是TA的相量圖。由相量圖可以看出，勵磁電流I0的存在導致TA的一次電流I1和二次電流I2不等,從而產生誤差,而TA的傳變特性用比值差f和相位差來衡量。電流互感器理論原理計算公式[12]:

(1)

(2)

2.2TA誤差影響的參數分析

2.2.1工作電流對誤差的影響

從公式(1)、(2)中看不出工作電流對TA誤差的影響,然而誤差和電流的大小是有關的。由于鐵芯的磁導率和損耗角隨著電流變化而變化的,當電流增大時,鐵芯磁密增加,導磁角和損耗角也增大,sin(+)增大,cos(+)減小,比值差和相位差都減小；但是當一次電流都超過額定電流的時候,鐵芯開始飽和,比值差和相位差都開始增大。

2.2.2線圈線徑和匝數N對誤差影響

二次繞組線徑增大使得其阻抗減小,從而減小誤差。由公式(1)、(2)可知,誤差與二次繞組匝數平方成反比,增加二次繞組匝數可以減小誤差,然而繞組阻抗也隨之增大,會限制誤差的下降,又加大繞組的用銅量,并且使得繞組的繞制工藝復雜。從節約用銅量出發,希望能繞制盡量少的匝數的繞組。

2.2.3磁芯平均磁回路長度l對誤差影響

2.2.4磁芯材料μ對誤差影響

從公式(1)、(2)可知，誤差隨著磁芯磁導率的增大而減小,鐵芯的磁性能越好,鐵芯的尺寸就會越小。由上節關于三種軟磁磁芯材料對比分析可知本文選用坡莫合金磁芯材料。

2.2.5二次負荷Zb對誤差影響

從公式(1)、(2)可知,誤差隨著二次負荷Zb的增大而增大，但不呈現線性關系。

2.2.6鐵芯截面積S對誤差的影響

S=(d1-d2)h/2,其中h為鐵芯厚度。由公式(1)、(2)可見,誤差隨著鐵芯截面積增大而減小,成反比關系。而鐵芯截面積與鐵芯內外徑以及厚度有關,增大鐵芯截面積必然會影響到內外徑，進而增大磁芯平均磁回路長度,進而在一定程度上抑制誤差的減小。

可見,影響TA互感器測量準確度的各種因素相互制約而又有聯系,每一個有利因素的無限擴大會影響到另一個因素。本文經過大量分析，選用坡莫合金磁芯,并增加導線截面積和鐵芯截面積(不改變鐵芯內外徑,只改變鐵芯厚度)以擴展TA量程。

3　0.02級標準TA寬量程設計

3.1TA互感器設計相關原理

TA的復合誤差ε可以用復數相量表示:

(3)

由于TA一次繞組的內阻抗很小,不影響計算結果,使得計算變得簡單。進一步計算時還需要使用以

下推導公式:

(4)

(5)

(6)

(7)

由以上公式可得

(8)

3.20.02級標準TA原設計

選用高磁導率、低矯頑力、價格適中的坡莫合金材料做鐵芯,已知原來互感器鐵芯外徑195mm,鐵芯內徑155mm,鐵芯高度20mm。

視在截面積S:(195-155)÷2×20=4×10-4m2;

平均磁路長l:3.14×(195+155)÷2=0.518m;

二次匝數N:750A÷5A=150 匝,其中50匝2×Φ1.25,100匝2×Φ1.0；

電阻率:0.018Ωmm2/m；

二次繞組每匝長度:(195-155)+2×20=80mm,取120mm；

二次繞組電阻:R2=6×0.018/[2×π(1.25/2)2]+ 12×0.018/[2×π(1.0/2)2]=0.182Ω

二次繞組電抗:X2=2F0N2S/l=6.8×10-3Ω

標準TA二次繞組額定電流In=5A,二次額定負載Sn=5VA,Zb=Sn/In2=0.2Ω,并查詢坡莫合金材料1J85的B-H和-H曲線,每一個B對應一個H和,分別計算出E、B、、、,并繪制成表2(其中Ip為TA二次繞組實際的二次電流)。

根據JJG313-2010《測量用電流互感器》檢定規程[13],對于0.02級的TA,測量電流按照1%、5%、20%、100%、120%的額定一次電流施加,TA比值差分別不超過0.04%、0.02%、0.02%、0.02%、0.02%；相位差分別不超過1.2′、0.6′、0.6′、0.6′、0.6′,而且測量電流在150%的額定電流處數據無法測得,觀察表2中比值差、相位差計算數據經補償措施后仍不能滿足檢定規程要求,需要改進設計。

表2　原標準TA計算結果(750 A/5 A,5 VA)

3.30.02級標準TA改進設計

原2×Φ1.25導線截面積為2.45mm2,原鐵芯截面積為4×10-4m2,考慮到TA磁飽和裕度檢測時二次電流為7.5A,改進型設計時將二次繞組導線截面積加大到3.5mm2,同時將磁芯的高度加大到30mm,則相應的截面積加大到6×10-4m2。改進后具體參數如下:

視在截面積S:(195-155)÷2×30=6×10-4m2；

平均磁路長l:3.14×(195+155)÷2=0.518m；

二次匝數N:750A÷5A=150 匝,150匝2×Φ1.5導線；

電阻率:0.018Ωmm2/m；

二次繞組每匝長度:(195-155)+2×30=80mm,取130mm,總長度0.13×150=19.5m；

二次繞組電阻:R2=19.5×0.018/[2×π(1.5/2)2]=0.099Ω

二次繞組電抗:X2=2F0N2S/l=10.3×10-3Ω

并查詢坡莫合金材料1J85的B-H曲線和-H曲線，分別計算出E、B、、f、δ,繪制成表3。

表3　經改進設計后標準TA誤差計算結果(750 A/5 A,5 VA)

由表3中TA誤差計算數據可以看到,比差Ip/In為1%、5%、20%、100%、120%處均符合檢定規程要求,數據合格,而相位差經過無源補償后能達到檢定規程要求。

比較表2和表3中TA誤差計算數據可以看到,在未考慮補償的情況下,該標準TA在額定二次電流的1%～150%范圍內,準確度等級較原設計提高了一個等級,在符合TA檢定的條件下能夠滿足TA磁飽和裕度的測量,解決了TA磁飽和裕度的直接測量過程中標準TA過電流問題,并利用基于比例變化器的方法能實現對標準TA在額定二次電流的150%下的檢定,滿足檢定規程要求,解決了量程溯源問題。

4　電流互感器精度等級測試實驗

為了驗證改進設計后的TA達到了測量用電流互感器檢定規程的標準,采用比較法:用一個0.005級超高精度的標準TA分別與被檢0.02級原設計和改進設計的TA級聯,并施加相同的標準正弦波電流信號,然后比較它們的輸出差值即為絕對誤差,絕對誤差包含角差和比差。檢定場所周圍沒有與檢定工作有關的磁場,抽取兩種0.02級的TA各5個,隨機取一組比差和角差測試數據,測試數據見表4,根據測試數據做出的比差、角差曲線分別如圖2和圖3所示。

表4　0.02級TA測試數據表

圖2　0.02級TA比差曲線

圖3　0.02級TA角差曲線

等級測試數據表明,采用坡莫合金磁芯的TA經補償后達到設計效果,達到0.02級標準(比差:≤±0.02%；角差:≤±0.6＇)。

5　結論

通過對影響TA的各種參數分析以及運用新型的TA設計技術,選擇坡莫合金磁芯,盡可能減小勵磁電流,并適當增加導線截面積和鐵芯截面積(不改變鐵芯內外徑,只改變鐵芯厚度)來擴展標準TA的量程。該方法可以保證標準TA在額定二次電流的1%～150%范圍內,TA準確度等級較原設計提高一個等級。經過補償后,誤差能達到0.02級標準TA設計要求,實現了標準TA寬量程。

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RealizationofawiderangemeasurementofcurrenttransformerbasedonPermalloycores

ChenHongjiang1,JiangZhijun1,JinShaoping2,LiuJian2

(1.SchoolofInformationEngineering,NanchangUniversity,Nanchang330031,China;2.StateGridJiangxiElectricPowerResearchInstitute,Nanchang330096,China)

ThisarticleintroducesthestandardcurrenttransformerovercurrentproblemsofmagneticsaturationmargindirectmeasuringmethodbasedonJJG1021-2007“powertransformerverificationprocedures.”Byanalyzingtheparametersofthecurrenttransformererror,themethodofanappropriateincreaseinthesecondarywindingwirecross-sectionalareaandthecorecross-sectionalareawithusingpermalloycoresisdeterminedtoachievestandardcurrenttransformerwiderange.Theaccuracyratingimprovesonelevelcomparedwiththeoriginaldesignandtheprecisionofthemeasuringis0.02level.Theovercurrentproblemissolvedforthecurrenttransformermagneticsaturationmarginmeasurement.

currenttransformer;Permalloy;magneticsaturationmargin;widerange;ratioerror

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.011

2016-01-21

國家電網公司2015年科技項目(521820140021)

諶洪江(1990—)，男，江西宜春，學士，在讀碩士生，研究方向為電能量研究及工業自動化技術

江智軍(1963—)，男，江西宜豐，學士，教授，研究生導師，研究方向為電能計量研究以及工業自動化技術.

TM452

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1002-4956(2016)7-0043-05