0.5级抗直流分量微型电流互感器的研究

罗坤明，汤晓宇，李春来，兰 雄

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

0 引言

电流互感器(TA)是电力仪表的采样装置，位于最前端，其性能对电力仪表的测量精度有直接影响。计量用TA要求具有高测量精度和良好的抗电磁干扰能力。当TA的一次绕组中存在直流分量时，直流磁通和交流磁通叠加，与直流偏磁方向一致的半周铁心饱和程度大幅增加，与直流偏磁方向一致的铁心饱和程度减弱，因此励磁电流呈现正负半周不对称的形状并产生大量谐波[1-2]，传变特性变差，导致测量和电能计量的偏差。

为了解决这个问题，国内外相继开展了抗直流分量互感器的研究，抗直流分量电流互感器在一次电流含有直流分量的情况下，仍然具有较好的工作状态。本文提出选用超微晶铁心、硅钢片铁心双铁心材料设计电流互感器，在达到测量精度的前提下，显著提高了抗直流分量的能力，经测试能达到0.5级测量精度。

1 直流分量导致TA传变特性变化的误差分析

通常用比差fRE与角差β1来衡量TA的传变特性，直流偏磁条件下TA的传变特性与直流偏磁的定量数值关系如下[3]：

(1)

(2)

(3)

由式(1)～式(3)可知，当直流偏磁变化时，直流磁通密度分量Bdc与X值相应变化，随着直流偏磁增加，比差fRE和角差β1均增大，比差、角差与直流偏磁是非线性关系。

2 抗直流分量微型电流互感器的设计

2.1 铁心材料比较

表1比较了超微晶、硅钢片的磁性能参数[4]。 由表1可以看出，超微晶的磁导率高，饱和磁密度一般，所以在一次电流含有直流分量下很容易饱和。硅钢片的磁导率低，但在一次电流含有一定的直流分量条件下，仍然具有良好的工作曲线，而不进入饱和区，即具有一定的抗直流分量能力，超微晶和硅钢片磁性能方面具有互补性。

表1 超微晶和硅钢片材料参数比较表

材料密度d/(g·cm-3)饱和磁密度Bs/T叠片厚度/mm矩形比Br/Bs超微晶7.201.250.03高、中、低硅钢片7.652.000.23中、低

2.2 电流互感器设计

文中制作了单绕组双铁心结构微型电流互感器5 A/2.5 mA。分别选用超微晶和硅钢片组成双铁心，铁心尺寸均为13 mm×17.5 mm×5 mm，导线规格Φ0.08 mm，直流电阻为210 Ω。

3 抗直流分量微型电流互感器试验与数据分析

3.1 试验方案

采用精度为0.005级的HESE互感器校验装置，为了定量分析超微晶硅钢片双铁心TA的传变特性，制作了2种双铁心材料(超微晶+硅钢片铁心、超微晶+超微晶铁心)的TA进行测试。

将互感器校验装置输出电流线穿过互感器一次孔形成闭环，将电流互感器输出端分别接到互感器校验装置的同名端[5]。

为了便于定量研究双铁心材料TA的传变特性，按一次电流的比例测试5个测试点，测量TA的比差和角差，采集2种双铁心材料TA在直流偏磁作用下的比差、角差数据。

3.2 试验数据及分析

选取5%IAC、20%IAC、50%IAC、100%IAC、120%IAC5个测试点的数据来分析，其中K=直流偏磁电流/一次电流(有效值)，见表2、表3。根据表2、表3绘制比差和角差曲线,如图1、图2、图3、图4所示。

根据表2、表3及图1、图2可得出以下2点。

(1)K≤0.01时，5个测试点的直流偏磁电流对比差影响均较小；K≥0.02时，除第1个测试点外，其他4个测试点直流偏磁电流对比差影响大。

(2)比差随K值的增大向负方向变化，超微晶+硅钢片铁心对比超微晶+超微晶铁心，前者在K值、一次电流相同时比差显著小于后者，抗直流分量效果显著。

表2 超微晶+硅钢片铁心TA的比差和角差表

表3 超微晶+超微晶铁心TA的比差和角差表

图1 超微晶+硅钢片铁心TA传变特性的比差曲线

图2 超微晶+超微晶铁心TA传变特性的比差曲线

图3 超微晶+硅钢片铁心TA传变特性的角差曲线

图4 超微晶+超微晶铁心TA传变特性的角差曲线

根据图3、图4可得出以下2点。

(1)角差随K值的增大而迅速增大。

(2)超微晶+硅钢片铁心对比超微晶+超微晶铁心，前者在K值、一次电流相同时角差显著小于后者。

4 抗直流分量微型电流互感器带负载能力测试

通过带负载测试(负载分别为0 Ω、20 Ω),超微晶+硅钢片铁心电流互感器比差和角差测试数据如表4所示。

表4 超微晶+硅钢片铁心TA在不同负载条件下的比差和角差表

由表4分析可得：

(1)负载为0 Ω、20 Ω时，最大比差分别为0.173%、0.165%，最大角差是分别38.3′、40.8′，未超出0.5级电流互感器比差、角差误差限值。

(2)在一次电流相同情况下，比差随负载的增大向负值偏移；角差为正值，角差随负载的增大向正值偏移。

5 结论

选用超微晶、硅钢片两种材料作铁心，采用单匝穿心式双铁心结构设计微型电流互感器，比超微晶+超微晶铁心抗直流分量效果好，比硅钢片+硅钢片铁心(带负载能力测试精度为2.0级)精度高，超微晶+硅钢片双铁心微型电流互感器可应用于抗直流分量要求较高的电力仪器仪表。