10 kV 电子式电流互感器探讨

程大鹏

（大连第一互感器有限责任公司，辽宁 大连 116200）

0 引 言

在各类先进技术的支持与推动下，电力系统自动化、智能化程度提高。传统电磁式电流互感器存在技术等方面的缺陷，无法适应系统运行需求，难以实现对系统的有效保护。因此，必须对电流互感器进行创新优化，以提升其技术水平，提高系统运行效率与效益。

1 性能优势

近年来，电子式电流互感器逐渐成为新的发展趋势。在国家颁布的相关标准中，电子式电流互感器被分为两大类型：一类是AOCT，即有源混合式电子式电流互感器；另一类是OCT，又称无源光学电子式电流互感器[1]。其中，有源混合式电子式电流互感器主要采用低功率电磁式电流互感器以及罗氏线圈作为主要的电流传感元件（见图1）。与传统技术手段下的电流传感元件相比，罗氏线圈具有诸多应用优势，如不饱和、动态范围宽等，可在一定程度上提升电流传输效率；但其也存在缺点，如抗干扰性低，外界磁场、环境中的温湿度变化等都会对其产生影响，且在人工绕制以及多层绕制过程中容易出现额外误差。在当前的多种类型电磁式电流互感器中，低功率电流互感器应用优势相对明显，不仅有相对成熟的技术体系，也有较为稳定的性能与较高的输出灵敏度，可进行批量生产，在电力系统中得到了相对广泛的应用[2]。

2 结构和工作原理

2.1 LPCT 结构与工作原理

LPCT 属于一种新型低功率输出特性的电磁式电流互感器，在GB/T 20840.8—2007 中，将LPCT 列为电子式电流互感器的一种实现形式[3]。作为电磁式电流互感器中的一个典型代表，LPCT 的性能质量正逐年完善，技术水平不断提高，应用前景十分广阔。LPCT 在电力系统中的应用具有如下特点：二次负载小；对测量的技术要求低。由于LPCT 所用材料为高导磁材料，如铁基超微晶合金材料等，因此较小的铁心尺寸就能满足测量要求，且测量结果的精准度也能得到有效保证。取样电阻RS、电磁式电流互感器及信号传输单元为LPCT 的主要构成，其主要运行原理具体如下。系统运行时，一次母线电流与二次小电流将实现转换，之后由LPCT 中的取样电阻将二次电流转换为正比于一次电流的小电压信号输出；而由连接端子以及双层屏蔽绞线构成的信号传输单元将互感器输出电压信号传递到智能电子设备IED，在完成信号传输的过程中实现对外界电磁场的有效屏蔽。

图1 电子式电流互感器结构示意图

2.2 罗氏线圈结构与工作原理

较之其他交流电流测量方式，罗氏线圈有着十分显著的应用优势，如有较好的线性度与较宽的频带，且不含铁芯，造价低重量轻体积小，便于安装与运维，更重要的是罗氏线圈不会产生磁滞与饱和现象，测量范围也相对宽泛，因而测量结果的全面性、科学性与准确性可得到保障。目前，对罗氏线圈应用广泛的一种方式是将软导线紧密且均匀地绕在非磁性骨架上，构成一种线圈，利用该线圈实现对系统电流的有效测量，具体结构如图2 所示[4]。在实际测量过程中，根据安培环路电流定律，磁场强度H 沿任意封闭轮廓的积分等于穿过该封闭轮廓所限定面的电流，且这一电流量可通过具体的公式计算出来。但实践表明，罗氏线圈还是存有一定缺陷。若想要获得十分标准的测量结果，就需保证每匝线圈的横截面都完全相等，且线圈均匀绕制。但在实际测量过程中，这两项要求往往难以精准化实现，一般的罗氏线圈并不具备每匝线圈横截面都相同的条件，导致测量结果受到影响，参数的一致性无法实现，罗氏线圈的稳定性能难得到保障。鉴于此，需要结合系统运行特点与实际运行需求，对罗氏线圈进行优化、改造，以提升其技术性能。如果在测量过程中采用印制电路板设计罗氏线圈，借助计算机技术、信息技术完成导线的布置工作，确保其能均匀布置于印制电路板之上，并借助数字加工技术对每匝线圈的横截面进行处理，确保各线圈横截面相等。分析以往经验发现，在实际测量中，经常会出现一些干扰因素，导致测量结果出现误差，因此，为全面提高电子式电流互感器的抗干扰性，最大程度减少外界磁场对测量活动带来的干扰，工作人员可采用绕向反向串联方式处理两个线圈，使线圈输出电压增大，纵向磁场功能被抵消，提高测量结果精度。经分析可知，经过改进后的新型PCB 罗氏线圈有效克服传统罗氏线圈抗干扰性低、测量结果不精准等缺陷，应用优势明显，且新型罗氏线圈结构更为简单，设计科学、制作精细，值得在电力系统中推广应用。

图2 罗氏线圈结构示意图

3 取样电阻和罗氏线圈内阻温度系数测试

3.1 LPCT 取样电阻温度系数测试

在实际测量中，经常会出现材料特性不一致、工艺技术不相同等情况。这些问题导致电阻阻值的一致性、统一性难以实现，导致阻值偏差出现，最终给整个测量结果造成影响。此外，电阻阻值会受环境因素尤其是温度因素影响而发生变化，会给电流互感器的比差带来严重影响。因此，可得到结论：PCB 罗氏线圈阻值与LPCT 取样阻值会受温度因素影响而发生变化，进而导致电子式电流互感器的准确度受到影响，使得电力系统的运行存在一定安全隐患。基于此，需要依据专业理论、采用科学合理的方法对PCB 罗氏线圈受温度影响的程度进行测试，并对取样电阻进行筛选，从而保证互感器满足设计精度要求。相关工作人员需根据罗氏线圈性能特征以及电力系统实际运行环境，设计一定的温度环境，并让PBC 罗氏线圈在不同的温度条件下运行，详细记录数据变化以及其他变化，分析判断温度对罗氏线圈产生的影响，然后在此基础上对设计方案、罗氏线圈结构进行优化改进，得出最佳设计方案，提高装置运行效率。

3.2 罗氏线圈的电阻温漂及比差测试

进行该项测试的主要目的在于了解PCB 罗氏线圈性能质量，掌握其在电力系统中的适用性。进行该项测试时，需要专门的恒温箱装置以及LCR 测试仪辅助完成，具体操作如下。首先，在恒温箱内放置PCB 罗氏线圈，之后利用LCR 测试仪以及电子式电流测试系统完成对罗氏线圈的电阻温漂以及比差测试工作，并获得准确的测试数据。为保证测试结果的科学性、有效性，在测试过程中需保证温度条件满足相关要求，且要将PCB 罗氏线圈放置于不同的温度条件下进行测试，通常采用的3 个温度为-50 ℃、250 ℃以及450 ℃。测试完成后，分析测试结果可知，PCB 内阻容易受温度影响发生阻值变化，然而温度不会对PCB 线圈的角差以及比差产生过大影响，因此可实现对电力系统的有效保护。

4 结 论

在电力系统中，电流互感器是重要组成设备，有着十分重要的保护与测量作用，电流互感器的性能质量直接影响电力系统的安全稳定运行，影响用户正常用电。因此，需加强对10 kV 电子式电流互感器的研究，为我国电力事业的健康稳定发展提供重要保障。