一种开合式微型电流互感器的设计与实验分析

董文华，李春来，兰 雄

（1. 河源职业技术学院 电子与信息工系，广东 河源 517000；2. 广东雅达电子股份有限公司，广东 河源 517000）

随着智能电网的应用与发展，电流互感器在电力系统的测量、保护和监测时使用非常普遍，其精度和稳定性能得到了很大的提高，而在一些不方便断电拆线或者拆卸时间较长而又不方便长时间停电的场合，常规的电流互感器不合适使用，而且要求电流互感器体积较小，因此，能够在线安装的开合式微型电流互感器的研究和使用尤为重要[1-2]. 虽然，铁芯切开后会降低铁芯磁导率，但微型电流互感器的精度并非仅由磁导率决定，其精度可以通过不同的结构以及不同的补偿方法来提高[3]. 本文从互感器结构和铁芯结构及磁性材料的选用上设计一种新型的开合式微型电流互感器并对其进行实验分析.

1 结构设计

根据开合式微型电流互感器的误差分析得出使其误差减少的办法，设计了型号为CTF16-100 A/40 mA的单匝开合式微型电流互感器.

1.1 结构设计

本次设计的开合式微型电流互感器(型号为CTF16)选择了铁氧体为铁芯材料，并出于生产工艺方面的考虑，选择了方形铁芯[4]，中空，长宽高尺寸为26.8 mm×15.9 mm×34 mm，厚度为5 mm，上下对半切割成2块，每块高为17 mm，两块大小一样，其中一块绕二次绕组，另外一块不用绕线(如图1所示)；而一次绕组为1匝，二次绕组匝数为2 500匝，全部绕在下面那块铁芯上，直流电阻约为205 Ω；CTF16总重量为160 g. CTF16电流互感器塑料外壳外形结构尺寸(如图2所示)，由于下边绕了二次绕组，所以外壳结构设计得大些，而上边铁芯不需要绕线，其外壳结构设计得要小些；为了用来固定安装放置不需要绕线铁芯的外壳，将安装放置绕线铁芯的塑料外壳一边用连接螺销固定上半部分外壳(用来放置不需要接线的铁芯)，可以旋转，而另一边用卡扣固定，测量时可将卡扣打开，放入需要测量的电流线，再把上下两部分合上，轻轻按压，卡扣就扣紧，使用非常方便.

使用这种开合式电流互感器时，先轻轻地打开卡扣，把所需要测量的电流的电线放入mm(如图2中标示)内孔中，按下卡扣扣紧，然后再用万用表测量电流互感器的电流，最后根据电流互感器的变比将测量的电流数据换算，就可以测得所需要测量电线的电流.

图1 开合式微型电流互感器CTF16铁芯结构图Fig.1 CTF16 Core Structure Diagram of the Open-close Micro Current Transformer

图2 CTF16外壳结构图Fig.2 CTF16 Casing Structure Diagram

1.2 材料选择

考虑到闭合铁芯切割后切面的情况[5]，由于铁氧体切割后切面平整，气隙比较小且导磁率较高，本次设计选择了铁氧体作为铁芯材料[6]，铁氧体型号为UU27/34 SNH12，密度为4.95 g/cm3，其初始磁导率为12000，矫顽力为4.5 A/m；选择的绕线为漆包线，规格为mm；采用塑料外壳，用环氧树脂封装.

2 误差分析

开合式微型电流互感器在正常工作时，一次绕组匝数n1为1，只考虑其接纯阻性负载时，根据开合式电流互感器的等效电路，列出其对应的状态方程，则可导出其传递函数模型如图3.

图3 传递函数模型Fig.3 Transfer Function

图3中，RL为二次负载，siron为铁芯面积，liron为铁芯磁路长度，n2为二次绕组匝数，λ为气隙比(即空气间隙的宽度[7])，μ为闭合铁芯磁导率，μ0为真空中的磁导率，I1(s)为一次电流，I2(s)为二次电流. 因此，根据开合式电流互感器传递函数模型，则其传递函数可表示为[8]:

因此，其复合误差传递函数为:

从公式(2)可看出，要使得电流互感器的误差减少的办法有：减小负载、增加绕组匝数、选用磁导率大的铁芯并减小气隙比、增大铁芯截面积、减少磁路长度等[9].

3 实验与数据分析

3.1 实验条件

实验使用的设备[10]:沈阳中川HESE型微型互感器检定装置，测量精度为0.005级. 实验环境:温度25 ℃，45%RH，实验环境周围没有与测试无关的电磁场.

3.2 实验方案

抽取5个开合式电流互感器CTF16样品，分不带负载(即0 Ω)、带负载20 Ω和带负载50 Ω3种情况，测量各个样品的比差、角差数据，任取一个样品的数据来分析，实验数据详见表1.

3.3 实验步骤与实验线路图

实验原理图如图4所示，电流互感器检测仪使用说明如下:先根据电流互感器选择一次和二次量程；再将标准电流互感器输出电流线(L-X)穿过被测试电流互感器形成闭环(L-X，5 A-5A)；然后将被测试电流互感器的K1、K2分别接到标准电流互感器的K1、K2端；最后通过调节标准电流互感器输出电流(按被测试电流互感器的量程的5%、20%、50%、100%、120%)，用互感器检测仪测出被测量电流互感器与标准电流互感器相比较的比差和角差，这个比差和角差是相对于标准电流互感器而言，标准电流互感器的精度越高，被测量的比差和角差误差就更小. (其中，L和5A，X和5A分别是标准电流互感器和电流电压发生器的4个接线柱).

图4 实验原理图Fig.4 Experimental Schematic Diagram

测试步骤如下:1. 将精密互感器的输出电流线(L-X)放入被测的开合式电流互感器中，输出电流调至100 A；2. 将精密电流互感器的输出端K1、K2分别接到被测电流互感器的K1、K2端[11](注意同名端，不要接反)；3. 将被测的电流互感器一次线圈的电流信号依次调至5 A、20 A、50 A、100 A、120 A，测量其传变特性，采集到其比差、角差数据，将测试数据填入表1中.

表1 3种不同负载情况下CTF16实验数据表Tab.1 CTF16 Experimental Data under Three Different Load Conditions

3.4 实验数据分析

根据表1数据画出开合式电流互感器CTF16在不同负载的情况下其比差曲线和角差曲线[12]，如图5和图6所示.

图5 3种不同负载情况下CTF16比差曲线Fig.5 CTF16 Ratio DifferenceCurves under Three Different Load Conditions

从微型电流互感器CTF16实验数据表1和其数据比差角差曲线图可以看出，采用这种结构的开合式电流互感器在没有采用任何补偿方法的情况下，根据国家标准GB20840-2010和微型电流互感器行业标准[13-14]，在负载不超过20 Ω时，其比差的测量精度可以达到0.2级；在负载为50 Ω时，其比差测量精度可达到0.5级；这种结构的开合式电流互感器的角差比较大，在带载20 Ω以内，其角差测量精度为1级，但是，不管其所带负载为0 Ω、20 Ω还是50 Ω，其角差的线性度都非常好[15](如图6所示)，使用时可以进行修正.

图6 3种不同负载情况下CTF16角差曲线Fig.6 CTF16 Angular Difference Curves under Three Different Load Conditions

3.5 温升的数据分析

在正常工作时，环境温度为23 ℃，让开合式电流互感器CTF16在额定电流100 A、额定负载20 Ω下连续工作5小时，用红外测温仪测量其表面温度，直到每小时温升的变化不超过1 K，记录其温升情况如表2所示.

从表2可知，电流互感器CTF16在正常工作时其温升在9±1 ℃，符合微型互感器标准要求.

表2 CTF16温升情况的实验数据表Tab.2 Experimental Data for CTF16 Temperature Rises

3.6 漏磁对电子器件影响的数据分析

考虑到这种开合式电流互感器(以下简称B)与普通的电流互感器相比，其漏磁相对会较大，因此将其漏磁对其周围的电子器件影响做了实验. 在实验时，选择电流互感器(以下简称A，100 A/40 mA，闭环)为被影响的电子器件. 将测量单独放置的A的比差角差1和将正常工作的CTF16和A放置在一起然后测A的比差2和角差2，数据如表3所示.

表3 CTF16漏磁对电子器件影响情况的实验数据表Tab.3 Experimental Data for the Impact of CTF16 Magnetic Flux Leakage on Electronic Devices

从表3的数据中可以看出，这种开合式电流互感器CTF16在正常工作时其漏磁对互感器A存在着一定的影响，可这种影响比较小，在正常的误差范围内.

4 结论

本文设计的这种选用方形铁芯并采取一块铁芯绕线，而另一块铁芯不用绕线，然后将这两块铁芯合在一起使用的开合式微型电流互感器，具有外形结构简单小巧、使用方便、比差精度较高的优点. 其角差线性度较好，正常工作时其温升符合微型互感器标准要求，其漏磁对周围电子器件影响较小，可用于测量不超过100 A的电流，不需要停电就可以安装操作. 这种开合式微型电流互感器可以满足精度不是特别高且不方便停电，或拆卸需要很长时间而又不方便长时间停电安装的使用场合，主要用于配套电表使用，可以做能耗监控.

这种开合式结构的微型电流互感器的精度较低的原因，有很大程度是受一次所测电流的摆放位置和上下两个外壳与铁芯配合紧密程度的影响. 要达到更高的精度，有几种方法:(1) 不改变这种铁芯的设计，但改变其绕线方式，如两边铁芯绕线再把其铁芯上的绕线串联，这种绕线方式会少受一次所测电流的摆放位置的影响，因此其比差角差就会减少，而受一次所测电流摆放位置的影响就会减小. (2) 采取一些补偿措施，如自我补偿励磁电流、外部提供励磁电流和提供二次电势补偿的方法，都会对这种开合式微型电流互感器的精度提高有效.