CN102820127B - 一种抗直流电流互感器磁芯形成的电流互感器制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗直流电流互感器磁芯形成的电流互感器制备方法，所述磁芯设置有一未贯穿整个磁芯截面的气隙，使得磁芯可视为由带气隙的磁芯与不带气隙的磁芯叠加形成，利用不开气隙的部分满足常规条件下的精度要求，利用开有气隙的部分满足互感器在施加直流分量条件下的精度要求。本发明所述的制备方法所制备的抗直流电流互感器磁芯不仅抗饱和能力大大提高，也保持良好的磁导率，有效满足行业测量精度的要求，且所述抗直流电流互感器磁芯及相应的电流互感器制造简便、成本低，易于推广。

Description

一种抗直流电流互感器磁芯形成的电流互感器制备方法

技术领域

本发明涉及电器元件技术领域，特别是一种抗直流电流互感器磁芯及其形成的电流互感器制备方法。

背景技术

电流互感器是电力生产和家用电表用电计量、保护的关键设备。由于大量整流、变频和开关电源设备的应用，电路中的直流分量已不可忽视。在额定情况下，电压互感器是运行在拐点附近，这样做的目的是保证电压互感器最大效率的应用，而这一部分的直流电流就会在电压互感器中产生一定量的直流磁场，这个直流磁场和原来电压互感器中的建立磁场的交流磁场叠加，就会使电压互感器的工作点上移，工作点上移超过了拐点，电压互感器就是工作在饱和状态，严重时电压互感器工作在严重饱和状态，从而引起一次侧励磁电流畸变、高次谐波成分增加、绝缘老化、振动严重、噪声夹具、铁心高度饱和、局部过热等情况，导致电压系统谐波增加，大量电容器退出运行，系统电压波动，失去大量负荷。因此，为了使互感器在含有较大直流分量的情况下仍能够正常工作，必须保证互感器铁芯在交直流叠加磁化时不饱和。

市场上现有的抗直流电流互感器主要是通过优化铁芯材料来提高铁芯的饱和磁感应强度。例如，美国专利申请US20030151483公开了用铁基非晶合金制造的互感器铁芯，其饱和磁感应强度可达到1.5T以上；中国专利ZL200510077418.3则公开了一种由高导磁合金的磁芯和抗饱和合金的磁芯复合而成的双磁芯，综合了高导磁合金和抗饱和合金的特点，同时达到高饱和磁感应强度及高磁导率、低铁损。

上述改进都是针对铁芯材料进行的，但从铁芯结构方面改进电流互感器性能的并不多见；而且上述改进方式对于闭合式互感器比较容易实现，不过由于工艺上的难度，对于开合式电流互感器则很难采样优化铁芯材料来获得较好的抗直流特性及测量精度。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种抗直流电流互感器磁芯及其形成的电流互感器制备方法，从结构上解决现有电流互感器抗直流特性及测量精度差的问题。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种抗直流电流互感器磁芯，所述磁芯设置有一未贯穿整个磁芯截面的气隙。

进一步的，所述气隙沿磁芯截面的轴向长度l_g为0.01毫米至2.5毫米。

进一步的，所述磁芯为三角型或矩形或圆形的环状结构。

进一步的，所述磁芯的材料为坡莫合金、硅钢或铁氧体材料。

进一步的，所述磁芯为超微晶或非晶材料形成。

一种抗直流电流互感器磁芯形成的电流互感器制备方法，包括如下步骤：提供一电流互感器，获取所述电流互感器次级线圈感抗Z_L、次级线圈的阻抗Z₂、初级线圈的匝数N₁、次级线圈的匝数N₂，磁芯的等效磁路长度l，磁芯的相对磁导率μ_r；确定常规条件下允许的比差f₁和角差δ₁，根据公式：和计算获得不开气隙部分的截面积S₁，其中α为阻抗角，为铁损角，a的取值范围为：0.0001≤a≤0.05，I₂为次级电流，I₁为初级电流，μ₀为真空磁导率；

确定在抗直流条件下允许的比差f₂和角差δ₂，根据公式：和计算获得开气隙部分的截面积S₂；根据S＝S₂+S₁确定所述电流互感器整体磁芯的截面积S；根据a＝l_g/l确定l_g；在所述电流互感器的磁芯截面上切割出截面积S₂、沿截面轴向长度为l_g的气隙，形成抗直流电流互感器。

进一步的，所述a为0.0005。

进一步的，所述l_g为0.01毫米至2.5毫米。

进一步的，所述l_g为0.01毫米。

进一步的，所述气隙为矩形结构。

与现有技术相比，本发明技术方案的优点在于：

通过在磁芯上设置有一未贯穿整个磁芯截面的气隙，使得磁芯可视为由带气隙的磁芯与不带气隙的磁芯叠加形成，利用不开气隙的部分满足常规条件下的精度要求，利用开有气隙的部分满足互感器在施加直流分量条件下的精度要求。进一步的，本发明还提供了所述抗直流电流互感器磁芯形成的电流互感器制备方法。本发明所述的抗直流电流互感器磁芯不仅抗饱和能力大大提高，也保持良好的磁导率，有效满足行业测量精度的要求，且所述抗直流电流互感器磁芯及相应的电流互感器制造简便、成本低，易于推广。

附图说明

图1为本发明具体实施例流程示意图。

图2为带有气隙的电流互感器磁芯示意图。

图3为硅钢环型磁芯带气隙与不带气隙的B-H曲线图。

图4为本发明的制备方法形成的电流互感器示意图。

图5为本发明的制备方法形成的另一电流互感器示意图。

具体实施方式

本发明的发明人发现现有的具有抗直流特性的电流互感器，其铁芯大多采用非晶类磁芯或者复合磁芯来达到抗直流的作用，但由于非晶类材料经过退火处理后变脆，很难进行切割加工；因此，对于开合式互感器而言，利用非晶类材料制作其铁芯是很难的，成本也很高。

针对上述问题，发明人通过仔细研究，提出了本发明的方案，一种抗直流电流互感器磁芯，所述磁芯设置有一未贯穿整个磁芯截面的气隙。

发明人提供的技术方案，在磁芯设置有一未贯穿整个磁芯截面的气隙，使得磁芯可视为由带气隙的磁芯与不带气隙的磁芯叠加形成，利用不开气隙的部分满足常规条件下的精度要求，利用开有气隙的部分满足互感器在施加直流分量条件下的精度要求。进一步的，本发明还提供了所述抗直流电流互感器磁芯形成的电流互感器制备方法。本发明所述的抗直流电流互感器磁芯不仅抗饱和能力大大提高，也保持良好的磁导率，有效满足行业测量精度的要求，且所述抗直流电流互感器磁芯及相应的电流互感器制造简便、成本低，易于推广。

发明人还提供了一种制备上述抗直流电流互感器磁芯形成的电流互感器制备方法，具体如图1所示：执行步骤S11：提供一电流互感器，获取所述电流互感器次级线圈感抗Z_L、次级线圈的阻抗Z₂、初级线圈的匝数N₁、次级线圈的匝数N₂，磁芯的等效磁路长度l，磁芯的相对磁导率μ_r；

执行步骤S12：确定常规条件下允许的比差f₁和角差δ₁，根据公式：和计算获得不开气隙部分的截面积S₁，其中α为阻抗角，为铁损角，a的取值范围为：0.0001≤a≤0.05，I₂为次级电流，I₁为初级电流，μ₀为真空磁导率；

执行步骤S13：确定在抗直流条件下允许的比差f₂和角差δ₂，根据公式：和计算获得开气隙部分的截面积S₂；

执行步骤S14：根据S＝S₂+S₁确定所述电流互感器整体磁芯的截面积S；

执行步骤S15：根据a＝l_g/l确定l_g；

执行步骤S16：在所述电流互感器的磁芯截面上切割出截面积S₂、沿截面轴向长度为l_g的气隙，形成抗直流电流互感器。

发明人提供的方案是先根据电流互感器实际使用时的精度要求，利用经验公式计算出在常规条件下磁芯所需的截面积S₁与在抗直流条件下磁芯所需开设气隙的截面积S₂，从而由S＝S₂+S₁确定电流互感器整体磁芯的截面面积S，然后通过切割工艺在截面积为S的磁芯上形成截面积为S₂、长度为l_g的气隙，使得所述电流互感器的抗直流性能增强，并且保证足够的测量精度。

本发明技术方案的具体原理为：

通常，在电流互感器中，向初级绕组(线圈匝数为N₁)通入初级电流I₁产生磁场，使磁芯建立起磁通，该磁通作用到次级绕组(线圈匝数为N₂)产生次级电流I₂，从而实现初级电流I₁按匝比N₁/N₂变换为次级电流I₂，即在理想条件下实现I₁/I₂＝N₂/N₁的变换，而这一变换的精确程度则主要取决磁芯的材质和其结构特性。如图2所示，假设一个带有初级绕组的磁芯，磁芯的等效磁路长度为l(可简化地看作是磁芯的中轴长度，见图2中虚线)，初级绕组的线圈匝数为N，通有初级电流为I；磁芯开有一个长度为l_g的气隙(为清楚起见，图2中的气隙是放大了的)。假设气隙很小(l_g<<l)，则磁通和气隙的界面垂直(没有边缘效应)，并通过气隙保持连续(没有漏磁)，加上磁芯材料内部的磁感应强度和界面是正交的，则有下式：

B＝μ₀H_air＝μ₀μ_rH_core…………………………(1)

所以，H_air＝μ_rH_core…………………………(2)

其中，B为磁感应强度，H_air为气隙中的磁场强度，H_core为磁芯处的磁场强度，μ₀真空磁导率，μ_r为磁芯材料的相对磁导率。

同样，由安培定理得：HI＝H×磁路长度，则有：

NI＝H_airl_g+_rH_corel＝H_core(μ_rl_g+l) (l_g<<l)………(3)

令 $a=\frac{l_g}{l}$

则有， $\begin{array}{cc}{H}_{\mathrm{core}}=\frac{\mathrm{NI}}{l(1+{\mathrm{a\&mu;}}_r)}& (0<a<<1)\end{array}...\left(4\right)$

一、气隙对互感器抗饱和能力的影响

从上述(4)式可以看出，在同样初级电流下，开有气隙磁芯的磁场强度是没有开气隙磁芯的磁场强度的倍(无漏磁通的情况下)。由于磁芯材料已经决定饱和前可以忍受的磁场强度的大小，因此开有气隙磁芯达到饱和时可以忍受的初级电流是不开气隙磁芯的(1+aμ_r)倍。也就是说，同样的磁芯开有气隙比没有开的抗饱和能力增大了(1+aμ_r)倍，这是对互感器有利的一面。例如一种硅钢的环型磁芯，如图3所示，横轴为磁场强度H，纵轴为磁感应强度B，曲线①为磁芯开设有1毫米气隙时的B-H曲线(磁化曲线)；曲线②为没有开设气隙的B-H曲线。由图3中可见，当达到q点处的磁感应强度时所需要施加的磁场强度为开设有气隙的是没有开设气隙的40倍。而且，开设气隙后的B-H的线性度比没有开设气隙的要好很多，这也是有利于互感器得到比较好的伏安输出线性度。

对互感器有利的另一方面是，磁路开气隙有利于获得恒导磁特性。该特性有利于抗直流分量的条件下获得更好的电流精度。

二、气隙对互感器磁导率的影响

为便于理解，我们把开有气隙的磁芯看为磁导率均匀的一个等效磁芯，假设在安匝电流为NI的条件下，等效磁芯的磁场为H，磁导率为μ，则有：

B＝μH……………………………(5)

NI＝Hl……………………………(6)

由(1)式得， $H_{\mathrm{core}}=\frac{B}{{\mathrm{\&mu;}}_0{\mathrm{\&mu;}}_r}...\left(7\right)$

再根据(4)式有， $H_{\mathrm{core}}=\frac{\mathrm{NI}}{l(1+{\mathrm{a\&mu;}}_r)}=\frac{B}{{\mathrm{\&mu;}}_0{\mathrm{\&mu;}}_r}...\left(8\right)$

由(5)、(6)、(8)式合并可以得出，

$\begin{array}{cc}\mathrm{\&mu;}=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_0{\mathrm{\&mu;}}_r}{(1+{\mathrm{a\&mu;}}_r)}& (0<a<<1)\end{array}...\left(9\right)$

由(9)式可以看出，磁芯开有气隙后磁芯总的等效磁导率是没有开气隙的倍，这就是磁芯开有气隙对互感器不利的影响。

综上可知，磁芯开有气隙在提高抗直流电流互感器所需要的抗饱和能力的同时，也会使磁芯的磁导率降低，影响电流互感器的测量精度。为了在提高抗直流能力的同时保证电流互感器的测量精度，本发明采用切割方式在磁芯上切割出一个气隙，气隙所在的部分磁芯相当于带有气隙大小的气隙的磁芯。因此，带有气隙的磁芯可以看作由一个不开气隙和一个开有气隙的磁芯叠加形成，利用不开气隙的部分满足常规条件下的精度要求，利用开有气隙的部分满足互感器在施加直流分量条件下的精度要求。同时，切割形成的气隙，仅占磁芯截面的一部分，使得磁芯在气隙处仍保持良好的强度，从而使气隙的宽度能够保持稳定，保证了电流互感器的稳定性和可靠性。

本发明所述的气隙，其大小可以根据电流互感器的误差公式来计算确定。

其中，电流互感器的误差公式为：

式中I₂为电流互感器次级电流的大小、Z_L为次级线圈的感抗、Z₂为次级线圈的阻抗、N₂为次级线圈匝数，S磁芯的横截面积，I₁为电流互感器的初级电流的大小，N₁为初级线圈的匝数，f为比差，δ为角差。

(10)式是电流互感器的比差公式，(11)式是角差公式，把(9)式代入，得：

利用(4)、(12)和(13)式，并结合电流互感器在具体使用中常规条件下和施加抗直流分量条件下实际的精度要求，可以确定出磁芯最合适的不开气隙部分的尺寸和开气隙部分的尺寸，也即确定出磁芯的整体尺寸和气隙大小。

具体计算气隙尺寸的，基本思路如下：

从(12)和(13)式我们知道，与互感器精度有关的参量可以分成3类，第一类是与工作电流有关的参量(I₁，I₂)，第二类是与线圈有关的参量(N₁，N₂，Z_L，Z₂)，第三类与磁芯有关的参量(μ_r，a，l，S)。第一类和第二类参量根据电流互感器的用途可以确定，剩下的是如何确定与磁芯有关的参量。首先μ_r由所选用的磁芯材质确定，l则由电流互感器的尺寸大小确定(也即由电流互感器所需要的内径尺寸决定)。

现在，只剩下就只有a和S两个参量了。首先要确定是a参量，确定了a也就知道了开气隙的间隙l_g。前面已经阐述了开气隙的作用，根据开气隙的利弊，为使磁芯获得较好的恒导磁特性，又要保证有一定的磁导率，根据对磁性材料磁导率特性的研究，我们确定a为0.0001至0.005(0.0001≤a≤0.005)范围内为佳。常用的电流互感器的磁芯等效磁路长度l一般是50毫米至500毫米，因此l_g为0.01毫米至2.5毫米。为便于磁芯的加工，l_g一般选取0.2毫米。a确定后，除S外的参量都已经确定，因此可以根据(12)和(13)算出磁芯截面S的大小。计算的时候分两步，首先根据常规条件下精度的要求算出满足常规精度要求时磁芯截面S₁，再根据抗直流条件下的精度要求算出满足抗直流条件下的磁芯截面S₂，其中，S₂即为待开气隙的截面积，再根据l_g的大小，则确定了电流互感器所需要的整体磁芯截面大小及要开设的气隙的尺寸大小。

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作详细说明。

图4为本发明的制备方法形成的电流互感器示意图。如图4所示，一种抗直流电流互感器，包括绝缘外壳1(上半部的绝缘外壳未示出)和置于其内的环形铁芯2，所述环形铁芯2上设置有气隙3，所述气隙3沿环形铁芯2截面轴向方向的长度为l_g，气隙与长度方向垂直的截面面积为S₂，即所述气隙宽度d与气隙高度k的乘积。

所述气隙的长度l_g为0.01毫米至2.5毫米，优选为0.2毫米。在一具体实施例中，所述环形铁芯高度h为50.4毫米，宽度b为15.1毫米，长度c为41毫米，所述气隙长度l_g为0.2毫米，宽度d为5毫米，高度k为6.4毫米，所述环形铁芯初级绕组为3000匝，则电流互感器在常规条件下精度可达到0.5％以内，在施加120A的直流分量的条件下精度可达到1.7％以内。

图5为本发明的制备方法形成的另一电流互感器示意图。如图5所示，一种抗直流电流互感器，所述抗直流电流互感器为开合式互感器，由上下两部分组成，包括绝缘外壳31(上半部绝缘外壳未示出)和置于其内的环形铁芯32，环形铁芯32分为上半环铁芯321和下半环铁芯322；所述气隙33设置在上半环铁芯321的中部，所述气隙33沿所述环形铁芯32截面轴向方向的长度为l_g’，气隙与长度方向垂直的截面面积为S₂，即所述气隙宽度d’与气隙高度k’的乘积。

所述气隙的长度l_g为0.01毫米至2.5毫米，优选为0.2毫米。在一具体实施例中，所述气隙长度l_g’为0.2毫米，宽度d’为5毫米，高度k’为6.4毫米，所述环形铁芯初级绕组为3000匝，则电流互感器在常规条件下精度可达到0.5％以内，在施加120A的直流分量的条件下精度可达到1.7％以内。

现以一圆形铁氧体磁芯的抗直流电流互感器为例，说明气隙大小的计算过程。该磁芯的外径和内径分别为0.07米和0.05米，则磁芯的等效磁路长度l为0.1884米，初级线圈感抗Z_L为10欧姆，次级线圈的阻抗Z₂为260.70欧姆，初级线圈的匝数N₁为1，次级线圈的匝数N₂为2857(考虑到次级线圈本身的电阻，实际匝数比理论的匝数要少)，实际要求初级电流I₁为200安培，次级电流I₂为0.06667安培，即电流比为1:3000；磁芯的相对磁导率μ_r为1585.325，真空磁导率μ₀为1.26×10^-6，阻抗角α为0.1278π，铁损角为0.0833π；

取常规条件下允许的比差f₁为0.04，角差δ₁为176.1’(角差根据比差即可得到，二者相互确定)，根据公式：和计算获得不开气隙部分的截面积S₁为0.0002平方米；

取抗直流条件下允许的比差f₂为0.05，角差δ₂为220.1’，根据公式：和其中a取0.0001计算获得开气隙部分的截面积S₂为0.0003平方米；

根据公式：S＝S₂=S₁获得磁芯截面积S为0.0005平方米；

根据a＝l_g/l确定l_g为0.02毫米；

最后，在所述电流互感器的磁芯截面上切割出截面积S₂、沿截面轴向长度为l_g的气隙，形成抗直流电流互感器。

当然，考虑到实际情况中，开气隙部分与不开气隙部分之间会相互影响，上述计算获得的数据，并不是最好的结果，但是该数据与实际效果优良的数据是接近的，因此，可以根据上述计算获得的数据，通过实验在该数据的附近获得优良的实验数据，并获得实际产品。

本发明具体实施例所述的抗直流电流互感器，通过在环形铁芯上设置气隙，所述气隙由环形铁芯环外延伸至环内，使得环形铁芯的抗饱和能力提高并且测量精度也达到行业要求。该技术方案简单、实用，具有很好的应用前景。

本发明所述的抗直流电流互感器的制备方法，首先根据电流互感器的参数计算在相应精度要求下所需磁芯及磁芯需开气隙的尺寸大小，然后采用切割方式在磁性上形成相应气隙，制备方法简单易行且制备成本低。进一步的，本发明还提供了所述制备方法形成的电流互感器，所述电流互感器的环形铁芯上设置有气隙，所述气隙由环形铁芯环外延伸至环内，使得环形铁芯得到恒磁导率，并且在抗饱和能力提高的同时也保证了测量精度达到行业要求。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种抗直流电流互感器磁芯形成的电流互感器制备方法，所述磁芯设置有一未贯穿整个磁芯截面的气隙，其特征在于，包括如下步骤：

提供一电流互感器，获取所述电流互感器次级线圈感抗Z_L、次级线圈的阻抗Z₂、初级线圈的匝数N₁、次级线圈的匝数N₂，磁芯的等效磁路长度l，磁芯的相对磁导率μ_γ；

确定常规条件下允许的比差f₁和角差δ₁，根据公式：和其中α为阻抗角，为铁损角，I₂为次级电流，I₁为初级电流，μ₀为真空磁导率,计算获得不开气隙部分的截面积S₁；

确定在抗直流条件下允许的比差f₂和角差δ₂，根据公式：

和其中a的取值范围为：0.0001≤a≤0.005，计算获得开气隙部分的截面积S₂；

根据S＝S₂+S₁确定所述电流互感器整体磁芯的截面积S；

根据a＝l_g/l确定l_g；

在所述电流互感器的磁芯截面上切割出截面积S₂、沿截面轴向长度为l_g的气隙，形成抗直流电流互感器。

2.根据权利要求1所述的电流互感器制备方法，其特征在于，所述a为0.0001。

3.根据权利要求1所述的电流互感器制备方法，其特征在于，所述l_g为0.01毫米至2.5毫米。

4.根据权利要求1所述的电流互感器制备方法，其特征在于，所述l_g为0.01毫米。

5.根据权利要求1所述的电流互感器制备方法，其特征在于，所述气隙为矩形结构。