基于坡莫合金磁芯的电流互感器宽量程实现

谌洪江, 江智军, 靳绍平, 刘　见

(1. 南昌大学 信息工程学院, 江西 南昌　330031；2.国网江西省电力科学研究院,江西 南昌　330096)



基于坡莫合金磁芯的电流互感器宽量程实现

谌洪江1, 江智军1, 靳绍平2, 刘见2

(1. 南昌大学 信息工程学院, 江西 南昌330031；2.国网江西省电力科学研究院,江西 南昌330096)

针对JJG1021-2007《电力互感器检定规程》规定的磁饱和裕度的直接测量方法存在标准电流互感器过电流问题,通过对影响电流互感器误差的参数进行分析,确定了用坡莫合金磁芯以及适当增加电流互感器二次绕组的导线截面积、磁芯截面积来实现标准电流互感器宽量程,测量准确度等级较原设计提高了一个等级,测量精度达到0.02级,解决了电流互感器磁饱和裕度的直接测量中标准电流互感器过电流的问题。

电流互感器； 坡莫合金； 磁饱和裕度； 宽量程; 比差

随着电力行业体制改革的进行和不断深入,传统检定电流互感器所采用的检定规程JJG313《测量用电流互感器检定规程》已无法满足电力用电流互感器的检定需求[1]。2007年国家高电压计量站等单位起草的JJG1021—2007《电力互感器检定规程》的实施很大程度上规范了电力互感器的检定工作。

电流互感器的检定方法最早有“测导纳法”[2],后来有“外推法”[3]和“间接法”[4]等。JJG1021—2007新增了电流互感器的磁饱和裕度检测项目[5],要求“电流互感器铁芯磁通密度在相当于额定电流和额定负荷状态下的1.5倍时,误差应不大于额定电流和额定负荷下误差限值的1.5倍。”电流互感器的磁饱和裕度需要在150%的额定电流下测量,通常使用的标准电流互感器一般不能过载到150%[6]，因此按照检定规程要求的磁饱和裕度直接测量方法不能实现。

关于计量用电流互感器TA宽量程的实现方法前人也做了大量的研究工作,文献[7]提出基于有源补偿原理的双极TA方案,通过电路与磁路构成闭环测量系统,利用自适应控制器实时补偿量的幅值增益系数,达到拓宽量程的目标。文献[8]通过Bang-Bang控制互感器的误差曲线进行平滑改造,该方法利用Bang-Bang控制的快速响应特性,可以有效提高互感器的准确度,拓宽互感器的量程。本文通过对影响TA误差的各种因素进行分析,提出选用好的铁芯材料——坡莫合金材料,适当增加二次绕组的导线截面积、磁芯截面积可以实现标准电流互感器宽量程。通过0.02级TA的设计实例分析证明了该方法的有效性,通过对比试验证明测量精度为0.02级。

1　TA常用铁芯材料对比

测量用TA是电力仪器仪表最前端的取样器件,其性能直接影响电力仪器仪表的测量精度[9]。由于互感器的测量精度有不同的等级要求,故可以选用不同的软磁材料作为磁芯材料。磁芯材料磁导率越高,互感器的测量误差就越小,精确度就越高。目前,TA磁芯采用的软磁材料主要有冷轧硅钢片、坡莫合金、超微晶3种,其中用量最大的磁芯材料是冷轧硅钢片,主要用来制造0.5级的TA磁芯；其次是坡莫合金及超微晶,主要用来制造高等级(如0.5S级、0.2级、0.1级)的TA磁芯[10]。

近年来由于TA国际市场竞争的加剧以及TA国家标准的不断更新,对于传统的采用冷轧硅钢片作磁芯的TA多数已经达不到测量精度的要求。超微晶合金和坡莫合金具有比冷轧硅钢片更高的磁导率,可以满足更高测量精度的要求。对于软磁材料而言，其饱和磁感应强度越高、静态特性越高、动态磁特性越好、电阻率越高,则材料性能越好。近年来国内电力计量领域对精度要求越来越高,对坡莫合金磁芯TA的需求量越来越大。超微晶磁芯主要用来制造0.2级以下的TA磁芯,而坡莫合金可以用来制造更高等级的TA,包括0.02级标准TA。硅钢片、坡莫合金和超微晶3种常用软磁磁芯材料磁性能及经济技术指标等典型参数比较见表1。

表1　TA常用三种软磁磁芯典型参数比较

从TA测量精度以及降低成本的角度综合考虑,本文选择基于坡莫合金磁芯作为标准TA的磁芯。

2　TA传变特性的误差分析

2.1TA传变特性数理关系

图1　电流互感器的相量图

TA的误差是由提供磁通的交变励磁电流产生的[11],TA的等值电路和变压器等值电路相似,图1是TA的相量图。由相量图可以看出，励磁电流I0的存在导致TA的一次电流I1和二次电流I2不等,从而产生误差,而TA的传变特性用比值差f和相位差来衡量。电流互感器理论原理计算公式[12]:

(1)

(2)

2.2TA误差影响的参数分析

2.2.1工作电流对误差的影响

从公式(1)、(2)中看不出工作电流对TA误差的影响,然而误差和电流的大小是有关的。由于铁芯的磁导率和损耗角随着电流变化而变化的,当电流增大时,铁芯磁密增加,导磁角和损耗角也增大,sin(+)增大,cos(+)减小,比值差和相位差都减小；但是当一次电流都超过额定电流的时候,铁芯开始饱和,比值差和相位差都开始增大。

2.2.2线圈线径和匝数N对误差影响

二次绕组线径增大使得其阻抗减小,从而减小误差。由公式(1)、(2)可知,误差与二次绕组匝数平方成反比,增加二次绕组匝数可以减小误差,然而绕组阻抗也随之增大,会限制误差的下降,又加大绕组的用铜量,并且使得绕组的绕制工艺复杂。从节约用铜量出发,希望能绕制尽量少的匝数的绕组。

2.2.3磁芯平均磁回路长度l对误差影响

2.2.4磁芯材料μ对误差影响

从公式(1)、(2)可知，误差随着磁芯磁导率的增大而减小,铁芯的磁性能越好,铁芯的尺寸就会越小。由上节关于三种软磁磁芯材料对比分析可知本文选用坡莫合金磁芯材料。

2.2.5二次负荷Zb对误差影响

从公式(1)、(2)可知,误差随着二次负荷Zb的增大而增大，但不呈现线性关系。

2.2.6铁芯截面积S对误差的影响

S=(d1-d2)h/2,其中h为铁芯厚度。由公式(1)、(2)可见,误差随着铁芯截面积增大而减小,成反比关系。而铁芯截面积与铁芯内外径以及厚度有关,增大铁芯截面积必然会影响到内外径，进而增大磁芯平均磁回路长度,进而在一定程度上抑制误差的减小。

可见,影响TA互感器测量准确度的各种因素相互制约而又有联系,每一个有利因素的无限扩大会影响到另一个因素。本文经过大量分析，选用坡莫合金磁芯,并增加导线截面积和铁芯截面积(不改变铁芯内外径,只改变铁芯厚度)以扩展TA量程。

3　0.02级标准TA宽量程设计

3.1TA互感器设计相关原理

TA的复合误差ε可以用复数相量表示:

(3)

由于TA一次绕组的内阻抗很小,不影响计算结果,使得计算变得简单。进一步计算时还需要使用以

下推导公式:

(4)

(5)

(6)

(7)

由以上公式可得

(8)

3.20.02级标准TA原设计

选用高磁导率、低矫顽力、价格适中的坡莫合金材料做铁芯,已知原来互感器铁芯外径195mm,铁芯内径155mm,铁芯高度20mm。

视在截面积S:(195-155)÷2×20=4×10-4m2;

平均磁路长l:3.14×(195+155)÷2=0.518m;

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

电阻率:0.018Ωmm2/m；

二次绕组每匝长度:(195-155)+2×20=80mm,取120mm；

二次绕组电阻:R2=6×0.018/[2×π(1.25/2)2]+ 12×0.018/[2×π(1.0/2)2]=0.182Ω

二次绕组电抗:X2=2F0N2S/l=6.8×10-3Ω

标准TA二次绕组额定电流In=5A,二次额定负载Sn=5VA,Zb=Sn/In2=0.2Ω,并查询坡莫合金材料1J85的B-H和-H曲线,每一个B对应一个H和,分别计算出E、B、、、,并绘制成表2(其中Ip为TA二次绕组实际的二次电流)。

根据JJG313-2010《测量用电流互感器》检定规程[13],对于0.02级的TA,测量电流按照1%、5%、20%、100%、120%的额定一次电流施加,TA比值差分别不超过0.04%、0.02%、0.02%、0.02%、0.02%；相位差分别不超过1.2′、0.6′、0.6′、0.6′、0.6′,而且测量电流在150%的额定电流处数据无法测得,观察表2中比值差、相位差计算数据经补偿措施后仍不能满足检定规程要求,需要改进设计。

表2　原标准TA计算结果(750 A/5 A,5 VA)

3.30.02级标准TA改进设计

原2×Φ1.25导线截面积为2.45mm2,原铁芯截面积为4×10-4m2,考虑到TA磁饱和裕度检测时二次电流为7.5A,改进型设计时将二次绕组导线截面积加大到3.5mm2,同时将磁芯的高度加大到30mm,则相应的截面积加大到6×10-4m2。改进后具体参数如下:

视在截面积S:(195-155)÷2×30=6×10-4m2；

平均磁路长l:3.14×(195+155)÷2=0.518m；

二次匝数N:750A÷5A=150 匝,150匝2×Φ1.5导线；

电阻率:0.018Ωmm2/m；

二次绕组每匝长度:(195-155)+2×30=80mm,取130mm,总长度0.13×150=19.5m；

二次绕组电阻:R2=19.5×0.018/[2×π(1.5/2)2]=0.099Ω

二次绕组电抗:X2=2F0N2S/l=10.3×10-3Ω

并查询坡莫合金材料1J85的B-H曲线和-H曲线，分别计算出E、B、、f、δ,绘制成表3。

表3　经改进设计后标准TA误差计算结果(750 A/5 A,5 VA)

由表3中TA误差计算数据可以看到,比差Ip/In为1%、5%、20%、100%、120%处均符合检定规程要求,数据合格,而相位差经过无源补偿后能达到检定规程要求。

比较表2和表3中TA误差计算数据可以看到,在未考虑补偿的情况下,该标准TA在额定二次电流的1%～150%范围内,准确度等级较原设计提高了一个等级,在符合TA检定的条件下能够满足TA磁饱和裕度的测量,解决了TA磁饱和裕度的直接测量过程中标准TA过电流问题,并利用基于比例变化器的方法能实现对标准TA在额定二次电流的150%下的检定,满足检定规程要求,解决了量程溯源问题。

4　电流互感器精度等级测试实验

为了验证改进设计后的TA达到了测量用电流互感器检定规程的标准,采用比较法:用一个0.005级超高精度的标准TA分别与被检0.02级原设计和改进设计的TA级联,并施加相同的标准正弦波电流信号,然后比较它们的输出差值即为绝对误差,绝对误差包含角差和比差。检定场所周围没有与检定工作有关的磁场,抽取两种0.02级的TA各5个,随机取一组比差和角差测试数据,测试数据见表4,根据测试数据做出的比差、角差曲线分别如图2和图3所示。

表4　0.02级TA测试数据表

图2　0.02级TA比差曲线

图3　0.02级TA角差曲线

等级测试数据表明,采用坡莫合金磁芯的TA经补偿后达到设计效果,达到0.02级标准(比差:≤±0.02%；角差:≤±0.6＇)。

5　结论

通过对影响TA的各种参数分析以及运用新型的TA设计技术,选择坡莫合金磁芯,尽可能减小励磁电流,并适当增加导线截面积和铁芯截面积(不改变铁芯内外径,只改变铁芯厚度)来扩展标准TA的量程。该方法可以保证标准TA在额定二次电流的1%～150%范围内,TA准确度等级较原设计提高一个等级。经过补偿后,误差能达到0.02级标准TA设计要求,实现了标准TA宽量程。

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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

国家电网公司2015年科技项目(521820140021)

谌洪江(1990—)，男，江西宜春，学士，在读硕士生，研究方向为电能量研究及工业自动化技术

江智军(1963—)，男，江西宜丰，学士，教授，研究生导师，研究方向为电能计量研究以及工业自动化技术.

TM452

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1002-4956(2016)7-0043-05