一种线性电流互感器的设计

一种线性电流互感器的设计

0电子式电流监测技术分析电子表格器是现代电气系统中高压电器设备中最重要的设备之一，具有智能、模块化、小型化、多功能化和维护方向。它适用于监控和诊断系统运行状态。多年的实践表明,传统的电磁式电流互感器绝缘结构复杂,存在磁饱和、铁磁谐振现象,动态范围小,体积和重量大等固有的缺陷,测量式互感器和保护式互感器分开,使得线路上往往有一串电流互感器,浪费了很多材料和资源。而且,随着数字化变电站的迅猛发展,互感器的二次输出不再需要提供较大的功率。因此,世界各国目前都在大力发展新型的电子式互感器,在消除了电磁式互感器一些重大缺陷的同时,其小功率的二次输出也适应了数字化变电站的发展需求。互感器是保证电力系统正常、安全和可靠运行的重要设备,它用量多、使用面积广,且直接接在发电厂或变电站的输配电线上,或者接到变电室内,而且中压互感器可接电能计量系统,它的失效往往造成较大的损失。因此互感器必须具有非常高的运行可靠性。本文分析的电子式电流互感器主要应用在中压领域,其测量部分一般采用低功率电流互感器(LPCT)或者采用Rogowski线圈。目前LPCT作为一次部分,其准确度以及温度性能更好。但是采用LPCT存在一个问题,即电子式电流互感器保护线圈的设计。如果LPCT既作为测量部分又作为保护部分,由于要考虑其饱和问题,那么就要增大铁心的截面积。当然,可以采用Rogowski线圈做为保护线圈,那么设计时就需要两个线圈,一个作为测量线圈,另一个作为保护线圈,这样增大了互感器的体积而且浪费浇注材料。本文讨论使用具有非磁性气隙的铁心同时做为测量和保护线圈的情况,通过理论分析和试验来验证其是否可以同时具有闭合铁心和Rogowski线圈的优点。如果有非磁性气隙的铁心能够保证测量准确度以及20倍额定电流时不饱和,那么就可以同时作为电子式电流互感器的测量部分和保护部分。1通过电子电流传感器差的腔1.1对于电流组合的误差,有个人主义非线性励磁特性的电流互感器通常都是由闭合铁心制成的,不宜在过渡状态中工作。在大多数情况下,由于在过渡状态中铁心饱和,而使这种电流互感器变换一次电流的周期性分量产生的误差大大超过容许值。在大容量电力系统中,短路电流倍数很高,即使将电流互感器的二次绕组短路,实际误差往往达到70%或者更大。电流互感器的其它形式的误差也达到很大的数值。在此条件下,降低电流互感器的负荷并不能给减小误差带来多大的效果。总之,为使在上述严重条件下一次电流的变换有足够的准确度,采用特制的在过渡状态中实际上为线性特性的电流互感器是合适的。例如铁心带气隙的电流互感器。有气隙的电流互感器介于一般的闭合铁心和无铁心电流互感器之间。有气隙电流互感器与无铁心电流互感器相比,它能获得较大的容量,但是在误差给定的条件下容量要比闭合铁心电流互感器的小,而在容量已定的条件下误差将比闭合铁心电流互感器的大。采用有气隙铁心不会增加电流变换级,剩磁密实际上可以完全消除,而且在气隙和截面选择适当的条件下可保证电流互感器的误差不随一次电流而变化。在线路和结构不太复杂的条件下,这种电流互感器的误差可以做得很小,而且实际上不随负荷而变化。当然,铁心有气隙的电流互感器同样可以在正常状态下工作。但是,如不采取一些特殊方法限制误差,在这种状态下的工作准确度将比闭合铁心电流互感器低。在铁心有完整气隙的最简单的情况下,电流互感器的误差随着励磁电流的增大而加大。1.2有气隙的电流整体控制电路如图1所示,用一个传统的电磁式电流互感器(铁心TA)或Rogowski线圈将母线电流I转换成二次小电流,并由电阻R将二次电流转换为电压UAC,经过信号调制器将该电压信号转换成光信号,通过光纤传输到低压端,最后在低压侧将光信号解调还原成电信号,测量输出的电信号就可以间接测量母线电流的大小。有气隙的电流互感器就是把图1所示的铁心用有气隙的铁心代替,这样可以提高原闭合铁心的饱和点,使得电流互感器的能够在20倍额定电流时不发生饱和,很好地反映线路的电流情况。这样,电子式电流互感器使用一个线圈,既能够作为测量部分满足正常情况下线路电流的测量,也同时可以作为保护部分使用,即可以反映线路故障时的电流情况,大大改善了原传统式互感器的饱和以及铁磁谐振等问题。1.3铁心磁导和气隙的磁通密度电流互感器的铁心实际上可能有一个或几个气隙。假定铁心沿平均磁路长的横截面SM不变,而且气隙断面的各点上气隙的几何长度是相同的。由于气隙边沿磁力线的凸出,铁心气隙总的计算长度l3与几何长度有区别。取气隙中平均磁力线的长度作为l3,这个l3是在假定不存在磁力线凸出和给定的气隙磁导率下的长度。显然,在这种条件下,每个气隙中磁通的横截面等于铁心的横截面SM,而且铁心中的磁通密度BTA与气隙中的磁通密度B3也是相等的,即BTA=B3=B,如图2所示。图2中μTA和μ3为气隙区以外铁心钢片的磁导和气隙本身的磁导。铁心钢片总的平均磁路长标为lTA,钢片中磁场强度为HTA,气隙中磁场强度为H3。电流互感器在任何工作状态下折算到一匝时的励磁电流为i0=HTAlTA+H3l3。i0=ΗΤAlΤA+Η3l3。式中,HTA为钢片中磁场强度;lTA为铁心钢片总的平均磁路长;H3为气隙中磁场强度;l3为气隙中平均磁力线的长度。钢片中的磁场强度与磁通密度由局部磁化曲线求得的HTA=f(B)关系曲线确定。而气隙中的磁场强度H3=B/μ0,式中μ0为空气磁导率。如果SM和l3分别以m2和m为单位,磁通密度以T为单位,磁场强度以A/m为单位,那么磁导率μ0=4π×10-7H/m,可以得出铁心单位励磁电流为i0l=i0/lTA=f(B)+BNp=F(B)。i0l=i0/lΤA=f(B)+BΝp=F(B)。式中,i0为铁心励磁电流;f(B)为闭合铁心的磁化曲线函数(见图3);B为铁心的磁通密度;Np=l3μ0lTA=l3×1074πlTAΝp=l3μ0lΤA=l3×1074πlΤA;为铁心的去磁系数。单位励磁电流与磁通密度的关系为i0l=F(B);是有气隙铁心的磁化曲线。这一关系可用图解法求得,通过曲线HTA=f(B)及直线H3(l3/μ0lTA)=BNp的横坐标相加得出。即对于同样的B,新的磁化曲线对应的H得到提高,提高了铁心饱和值,所以有完整气隙的铁心饱和点较完全闭合铁心饱和点得到了很大提高。最小允许气隙l3,是从实际上消除剩磁密Br3对电流互感器在过渡状态中工作准确度影响的这一条件来确定。为此必须使磁通密度Br3实际上不超过正常状态下的磁通密度。对于优质的冷轧电工钢片,可以取计算气隙l3/lTA≈0.001～0.002。2试验结果2.1tvs的测量单元基于以上的分析,本文研制出一种铁心带气隙的电子式电流互感器,基本原理图如图4所示。图4中测量通路和保护通路采用2个取样电阻R1和R2,其中R3的作用是限流,防止后面电路功率过大,TVS的作用就相当于给测量通路一个保安系数。当电压超过一定范围后TVS会动作,保护后面二次设备。而保护通路继续能够正常工作,输出正确的不饱和的信号。额定电流为100A,测量通道的传感单元采用LPCT原理。铁心材料为硅钢片,1、2次侧匝数电压比为5000:1。两个取样电阻均采用低温度系数高功率电阻,阻值均为2.0Ω。2.2铁心带气隙的电流传感线性度在实验室样机研制过程中,对带气隙铁心的电子式电流互感器做线性度试验,测试其饱和情况以及输出电压与所加额定电流的关系,数据见表1。经过计算可以得出2组数据的线性相关系数为0.9999,总体上铁心带气隙的电流互感器在20倍额定电流内有很好的线性特性,可以很好地反映出线路的电流特性。利用电流互感器的一次电流和二次输出数据,绘出电流互感器的线性度曲线,如图5所示。从曲线中可知,铁心带气隙互感器的线性度很好,而且在20倍额定电流的时候不会饱和。提高铁心饱和点的特性比纯闭合铁心的互感器饱和特性要好,所以这种互感器既可以利用做为保护互感器也同时可以做为测量互感器。2.3铁心带气隙的电子式电流控制器iec在样机研制过程中,对铁心带气隙的电子式电流互感器做了准确度试验,测量得到的数据见表2。根据表2得到的比差、角差数据可以做出此种材料的铁心带气隙电子式电流互感器的准确度曲线,如图6、7所示。其中,虚线为IEC规定0.2级标准的误差范围,这个试验说明,作为测量互感器,铁心带气隙的电子式电流互感器可以达到很高的准确度;而作为保护用互感器,铁心带气隙的电子式电流互感器也能够达到IEC标准规定的5P级。带气隙铁心的电子式电流互感器可以很好地代替原闭合铁心的电子式电流互感器,且具有很高的准确度。图6、7很好地反映出20倍额定电流内,铁心有完整开口气隙的电子式电流互感器能够满足IEC标准中电子式电流互感器0.2级的误差要求。而且作为保护互感器使用时,其准确度比Rogowski线圈测量的准确度要高,能比较真实地反映线路故障或者短路时电流的变化情况。2.4取样电阻随温度变化的特性对于上面设计的铁心带气隙电子式电流互感器,温度特性很重要,因为以往不采用带气隙的铁心,主要是因为在温度条件不好的情况下,电子式电流互感器的准确度会出现问题。首先分析取样电阻温度系数对铁心带气隙的电子式电流互感器的影响,把试验得到的数据去除取样电阻的温度特性影响,从而得到一个比较准确的铁心带气隙互感器的温度特性数据。首先分析互感器取样电阻的温度特性。1个额定电流为100A的电子式电流互感器,1、2次侧匝数电压比为5000:1,假设用一个阻值2.0Ω的取样电阻,没有任何误差,并且电流一次和二次端的转换是精确没有误差的,这样得到的二次电压值在常温下为40.0mV。这样假设可以认为系统本身误差引起的电子式电流互感器误差变化为0,只分析取样电阻随温度变化对互感器准确度的影响。电阻的温度系数为20×10-6°C-1,还假定常温为25°C,这样温度变化1K,电阻阻值变化为4×10-5Ω,这样得到的二次电压值为39.999～40.001V,这样温度变化1K,引起的电子式电流互感器比差变化最大为:±0.002%。如果试验中要求从高温60°C变化到低温-25°C,一共变化85K,所以电子式电流互感器比差变化为:±0.002%×85=±0.17%。同样,如果取样电阻的温度系数为10×10-6,还认为常温为25°C,这样温度变化1K,引起的电子式电流互感器比差最大变化为:±0.001%。如果试验中要求从高温60°C变化到低温-25°C,一共变化85K,所以整体的的电子式电流互感器比差变化为:±0.001%×85=±0.085%。所以,取样电阻的温度特性对电子式互感器的准确度有很大的影响,要选择低温度系数的取样电阻。在样机研制过程中,对铁心带气隙的电子式电流互感器做了温度循环试验。由于电子式互感器的铁心体积很小,所以基本上在高温(60°C)或者低温(-30°C)上保持3h就可以稳定下来。根据表3中的电子式电流互感器的比差和角差的数据做出比差、角差随温度变化曲线,如图8、9所示,两图中的虚线为IEC标准规定的0.2级电子式电流互感器的误差边界,而两条曲线分别代表的是重复两次温度循环试验得到的结果。可以看出对于IEC标准规定的0.2级的测量线圈,铁心带完整气隙的电子式电流互感器基本上满足要求。角差在-25～40°C内能够很好的满足比差和角差的要求。但是随着温度的继续升高或者降低,电子式电流互感器的角差逐渐变大,这个问题是后面工作需要重点研究的内容,即如何改进带气隙的铁心,使它的角差能够在温度恶劣的环境下不会超标,仍然能够很好地满足要求。3电流测试结果为了减小电流互感器在正常状态下的误差,有时候采用的铁心不是有完整气隙而是有局部气隙的电流互感器是合适的。在结构上局部气隙可在铁心上切出细缝或者钻出小孔的方法来实现,如图10所示。显然,有局部气隙铁心的磁导为μ0Σ=μTA(μ′TA+μ3)μTA+μ′TA+μ3。μ0Σ=μΤA(μ′ΤA+μ3)μΤA+μ′ΤA+μ3。式中,μTA、μ′TA和μ3分别为气隙区以外铁心钢片的磁导、气隙区与气隙并联的铁心钢片的磁导和气隙本身的磁导,磁导实际都是通过测量相应的磁通实验确定的;L′TA、L3分别为气隙区与气隙并联的铁心钢片的电感值和气隙本身的电感值;i0TA、i′0分别为通过气隙区与气隙并联的铁心钢片的励磁电流和通过气隙本身的励磁电流。在正常工作状态下,电流互感器的磁通几乎全部通过磁导μ′TA,此时电感L′TA≫L3,励磁电流i0TA≫i′0,因而电流互感器大致和普通的闭合铁心的电流互感器一样,具有很小的误差。当一次短路电流倍数相当大而且是在过渡过程中时,相应于μ′TA的铁心区显著饱和,几乎全部磁通都通过气隙(L3≫L′TA、L3<LTA、i′0>i0TA)。在这种条件下,电流互感器大致和有完整气隙的电流互感器一样工作着,电流的周期性分量的误差别限制在一定的范围内。以上互感器在理论上可以减小电流互感器在正常状态下的误差,而且从分析中可以看出,在正常情况下,如果开口很小的话可以和完整铁心电流互感器的精度非常接近。针对角差比较大的问题,有可能是材料中开口对温度影响的变化比较大,上面样机的铁心是硅钢片材料。由于全封闭的铁心硅钢材料的温度性能比开口的铁心要好,所以可以判断出铁心带不完整气隙的电子式电流互感器的温度特性中角差部分可以得到一定的改善。4温度特性的确定本文讨论了铁心有非磁性气隙的电子式电流互感器