CN103632824A - 环形对称分流式电流互感器 - Google Patents

Abstract

一种采用环形对称结构的分流式电流互感器，采用分流方法把CT线圈上通过的主电流降低到一次额定电流的1/5或者更小，从而大大地减少CT线圈的体积，材料损耗及制造工艺，降低制造成本的效果显著。采用分流柱加装辅助CT的方法，通过调节R₂阻值大小，实现CT线圈输出电压角度可以调节的目的，攻克高精度电流互感器输出电压角度不可调整的难关，为简化工艺，低成本批量生产高精度电流互感器开拓一个新的途径。通过调节CT线圈输出电阻R₁，可以调节CT线圈输出电压的幅值且可以微调输出电压的角度。反复调节R₁，R₂电阻的大小，可以达到CT线圈的输出电压幅值和角度都达到0.1级精度的设计目标。分流式电流互感器是对上百年来使用的传统电磁式电流互感器一次结构设计、调节手段及制造工艺上的一次创新。

Description

环形对称分流式电流互感器

技术领域

本发明是对传统电磁式电流互感器结构设计，制造工艺，实验手段进行全面的创新。所推出的分流式电流互感器，是一种新型高精度电子式电流互感器。 

背景技术

电流互感器在电力系统中应用非常广泛，是电厂、变电站必备的设备之一，它用于各种电压等级中的电流测量，为电网的正常运行及故障时提供可靠的模拟量或数据信息。 

目前，电力系统中常见的电流互感器的主要有几类： 

第一类是电磁式电流互感器，其优点是：传统电磁感应原理，制造工艺成熟，运行实践丰富，电力系统中电流互感器的精度等级及指标就是在该类电流互感器的基础上制定的。但在高压及超高压等级的电流互感器，需要大量的绝缘材料来解决CT线圈绝缘以及对地绝缘的问题，尤其是采用变压器油绝缘时，高压电流互感器体积大，绝缘油要占设备重量的1/3。国产110KV电流互感器重量可达500kg。高压设备一旦引入变压器油绝缘介质，必然导致运行维护复杂，设备故障率高，成为电力系统安全运行最薄弱的环节。 

第二类是电子式电流互感器。高电压环境下，把大电流信号转换为采样用电压信号的方法有二种： 

·带铁芯的微型电流互感器，它本质上还是传统的电磁式电流互感器，只是把CT线圈的输出功率从传统的几十瓦降低到几瓦，从而可以做到体积小且测量范围广的设计指标。 

·独立式空心线圈(罗戈夫斯基线圈)传感器，空心线圈的二次绕在非磁性管架上。由于非磁性骨架使这种传感器线性度极好，不会出现饱和也无磁滞现象，因此具有良好的稳定性和暂态响应。 

由于罗戈夫斯基线圈输出信号弱，机械机构的温度变化对输出信号影响大，易受电磁干扰等诸多原因，其研制产品一直以来都处于商业试运行阶段。 

电子式电流互感器最大的优点是其大电流信号的转换及信号采集过程都处于高电位环境中完成，然后把采集到的电磁信号通过数字光纤送至地面，实现高低电位的隔离，因此电子式电流互感器绝缘要求大大降低，设备可以大大的缩小，从而实现低耗材，高可靠的目标。 

第三类是光电式电流互感器，它通常采法拉第效应原理。其产品特点是：无饱和，高精度，体积小，重量轻，可靠性和安全性高等。但长期以来，基于光电效应和电流互互感器的温度稳定性和抗干扰性相对比较差，又很难解决光纤的诱导性双折射问题等诸多原因，几十年的研制成果一直难以形成工业化产品，广泛推广应用。 

本发明的目的是以电磁式电流互感器为研制对象，提出一种环形对称分流式电流互感器，既解决大电流互感器体积大，耗材多的问题，又从根本上解决电流互感器设计、制造中输出角差无法调整的问题，从而实现高精度电流互感器在设计、制造工艺领域的一个重大创新。 

发明内容

1.通用结构的电磁式电流互感器在设计、制造的各个环节都可能引入角差。如图1所示。 

·方案1：端盖用绝缘材料，密封筒用铝管。 

方案2：端盖用铝盘，密封筒用绝缘管。 

二个方案中的CT线圈均采用指定精度等级的电流互感器。 

·灌封前：对CT线圈总成进行精度测试，输出电压U的幅值能满足线性度要求，输出电压U的角度比输入电流i的角度超前0.2～0.5°，方案2的角差还会更大些。 

据分析，该结构具有一定的电容特性，是引起角度超前的根本原因。 

·灌封后，还会引起0.02～0.05°左右的超前角差，这是由于CT总成内导电介质变化所引起结构电容微小变化而引起的。 

·对于可能发生的角差，传统方法是对CT结构进行各种补偿如采用整数匝式分数匝补偿，双铁芯或铁芯穿孔分数匝补偿以及磁分路补偿方法。这些方法难以实现批量化生产，因此0.1％～0.05％级的电流互感器产品成本与价格会同步上升。 

2.本发明设计一种环形对称的分流式电流互感器结构如图2所示。 

·母排流入的电流i分为主电流i₁与旁路电流i₂₁，i₂₂，i₂₃组成。 

主电流i1所产生的磁通Φ₁全部通过电流互感器线图(以后简称CT线圈)。旁路电流i₂₁，i₂₂，i₂₃所产生的磁通Φ₂₁，Φ₂₂，Φ₂₃在一定距离后也通过CT线圈。如果该结构设计和制造完全对称，且各分流柱的阻抗完全相同，则所通过的旁路电流i₂₁，i₂₂，i₂₃也完全相等。理论上可以证明在中心点0点，所叠加的磁通矢量和 

Φ₂₁+Φ₂₂+Φ₂₃≈0 

这就是说旁路电流所叠加的磁通对线圈CT影响最小，即所引入的角差也最小。 

从制造的角度分析，由于加工过程分流柱分布不可能完全对称，各分流柱的接触电阻也不可能完全相同，CT线圈也不可能处于完全几何中心等诸多原因，该结构分流式电流互感器中，通过CT线圈的旁路磁通矢量和Φ₂₁+Φ₂₂+Φ₂₃≠0，肯定会对CT线圈的角差产生影响，只能说该结构的分流器是引起角差最小的一种结构方式。 

上面的三根分流柱的环形对称结构，来分析它的磁场特性，可以推论只要符合n*3个分流住的环形结构都能满足旁路磁通矢量和最小的目标。n的大小影响分流效果，与一次额定电流的大小有关。 

·实际上，这种结构的分流式电流互感器是容性的。这是由于结构设计中两个导流盘之间形成的电容所产生的。由于二个导流盘之间基本上是等电位的，因此所产生的电容量也非常微小。正确设计导流盘大小，导流盘之间的距离以及选择主电柱与分流柱之间的距离，优化设计方案后可以实现CT线圈输出电流与母排电流i之间的超前角差不超过2～3°范围内。 

·上述结论又启发我们，若能够改变某一旁路电流的大小，有意识的产生Φ₂₁+Φ₂₂+Φ₂₃＝ΔΦ的效果，就可以对CT线圈的输出电流实施相位调整了。 

我们在其中一个分流柱上加装一个辅助CT(微型电流互感器)，并在辅助CT的输出端接上一个0～100Ω的可调电阻R₂。见图3，事实上加装的辅助CT相当于在结构中引入一个感性元件有利于对原结构呈容性的一种补偿。 

我们调节R₂电阻的大小，相当于改变安装在分流柱上辅助CT的感抗大小，可以起到改变i₂₁，i₂₂，i₂₃的电流不平衡的目的，从而调节Φ₂₁+Φ₂₂+Φ₂₃＝ΔΦ的大小。实验证明，此方法调节CT线圈输出电流与母排电流i之间的角差效果十分显著。这种用简捷手段调整CT线圈输出电流角度的方法，为制造高精度电流互感器探索出一条新的工艺途径，将可能引发高精度电流互感器在生产、制造领域的一次重大技术创新。 

·为了调整CT线圈输出电压的幅值，以供不同原理的设备作为采样电压输入，在CT线圈的输出端也接入一个可调电阻R₁，调节R₁的大小，可以改变CT线圈的输出电压，同时也会引起CT线圈输出电压角度的微小变化。反复调节R₁，R₂可以达到CT线圈的输出电压幅值和相角都达到0.1级设计指标的要求。 

3.分流式电流互感器的样机制作及试验结果 

i)分流式电流互感器的样机结构如图3所示，样机实拍外型图如图4所示。 

·全部导电材料用铝棒或铝筒，以保证整个结构的良好导电性以及温度变化时，电阻率变化趋势一致； 

·铝排尺寸为100×10mm或110×10mm，容许通过一次电流为1400安培左右； 

·主导电柱直径为φ30^-0.2，估算可以通过一次电流大约为900安培； 

分流柱直径为φ20^0.3，估算可以通过一次电流大约为450安培； 

一根主导电柱和三根分流柱总导电能力估算可以达到1800～2200安培左右，样机设计为一次额定电流为1000安培的分流式电流互感器。 

·测量CT线圈的铁芯材料用超微晶或硅钢片，保护用CT线圈的铁芯材料用硅钢片或制成有开口间隙的环形铁芯。 

二种线圈的铁芯尺寸为φ50×φ90×φ30，匝数均为1000匝。 

·辅助CT铁芯材料为硅钢片，铁芯尺寸为φ30×φ45×φ20，匝数为300～500匝。 

ii)样机设计的指标要求，见表1，表2，表3 

表1 测量用电流互感器的误差限值 

表2 3级和5级电流互感器的误差限值 

表3 保护用电流互感器的误差限值 

iii)样机的测试结果 

·保护侧只装一个辅助CT，经过调整R₁，R₂电阻，就可以完成幅值与角差同时满足设计要求的目标。 

·若测量侧只装一个辅助CT，CT线圈的输出电流小，输出电压幅值不满足设计要求。测量侧一般需再加装一个辅助CT(可以出口短按)，同样经过调整R₁，R₂的阻值就可以完成幅值与角差同时满足设计要求的目标。 

·应该指出R₁，R₂的阻值变化对CT线圈的输出电压的幅值与角度影响是很敏感的，因此，必须用精密电桥测量可调电位器R₁，R₂的阻值，用温度变化稳定的电阻丝制成固定电阻取代调试中使用的可调电阻，以满足分流式互感器长期运行的要求。 

·图5为一次额定电流为1000安培，测量CT线圈和保护CT线圈匝数为1000匝时的检测结果。 

其中图5a为测量CT的幅值线性度变化曲线； 

图5b为测量CT与保护CT的角度变化曲线。 

幅值线性度变化曲线表明，测量CT的输出电压完全可以达到0.1％精度要求。今后数字化输出能否达到0.1％精度则要与配套的测量装置中选择的A/D位数有关，以目前国内的硬件水平达到0.1％测量精度是容易做到的。 

测量CT的角度是在全量程的范围内测定的，可以看出在一次额定电流的10％～120％的量程范围内，角度波动平稳，角差不超过±0.1°(±6’)，符合0.1级精度电流互感器的角差指标。 

保护CT在额定电流的量程内角度变化也是达标。而在20～30倍故障电流下角差能否达标则需要新的试验办法来验证。 

4.结论及推广意义 

i)分流式电流互感器采用对一次电流分流的方法，把通过CT线圈套的电流降到一次额定电流的1/5或者更多。(检测后推算出流过CT线圈的电流大约为200安培左右)从而大大地减少CT线圈的体积，材料损耗及制造工艺，降低制造成本的效果显著。该技术一旦完成产品化及批量推广，能为生产厂家的节能减排、创造经济效益做出重大贡献。 

ii)分流式电流互感器找到一种调整CT线圈输出电压幅值和角度的方法，该方法原理简单、方法简捷易行，适宜于批量化生产。 

该方法避开高精度电流互感器设计和制造过程中许多繁杂的补偿工艺手段，从而为批量生产高精度电流互感器实现一个重大的技术和工艺创新。 

iii)分流式电流互感器仍然采用传统电磁感应原理，只要CT线圈的铁芯，线圈匝数设计合理，结构设计进一步优化，各种额定电流级别的分流式电流互感器生产都很容易达到0.1～0.2级精度。具有生产及推广的普遍性，一次额定电流越高，节能减排效果越显著，创造经济效益越大。 

该方法所设计和制造的电流互感器，从原理，方法及实验结论容易得到电力系统运行单位的认可，为产品今后开拓市场创造有利条件。 

iv)分流式电流互感器设计的输出功率适中，输出电压信号强度很容易与现有电子式电流互感器配套，取代原配套的罗克夫斯基线圈或低功耗电流互感器，从而大大地降低电子式电流互感器的制造成本，且大大地提高运行的可靠性。分流式电流互感器配套的广泛性容易取代各种电流互感器，成为电流互感器的通 用产品。 

v)分流式电流互感器与传统电磁式互感器一样，CT线圈都是处于一个很强的电磁场环境中工作。传统电磁式电流互感器的CT线圈则是在穿心-匝的大电流所产生磁场中工作，分流式电流互感器的CT线圈则是在穿心-匝主电流与三根分流柱的旁路电流所产生混合大电流磁场中工作。实验证明，这种混合大电流磁场的强度比周围的电磁场干扰强度大得多，因此分流式电流互感器的输出稳定，抗外界电磁干扰能力强，从某种意义上又继承和发扬了传统电磁式电流互感器的这一优点。 

附图说明：

图1是通用结构的电磁式电流互感器图；图2是环形对称的分流式电流互感器分流结构图；图3是环形对称的分流式电流互感器构成图；图4是环形对称的分流式电流互感器实物图；图5a是测量CT的幅值线性度变化曲线；图5b是测量CT和保护CT的角度变化曲线(其中黑色线为保护曲线，灰色线为测量曲线) 。

Claims (3)

1.采用环形对称的分流式电流互感器结构，是对传统电磁式电流互感器结构设计、电磁场分布以及制造工艺上的一次重大的创新；

分流式电流互感器的CT线圈的输出电压有较大的角差，环形对称分布的分流方式，则是对CT线圈的输出电压产生最小角差的一种分布方式；

CT线圈在主电流i₁所产生磁通Φ₁，旁路电流i₂₁，i₂₂，i₂₃所产生的旁路磁通Φ₂₁，Φ₂₂，Φ₂₃的共同作用下产生的感应电流及输出电压，如果在设计和制造上，尽可能实现Φ₂₁+Φ₂₂+Φ₂₃的矢量和接近于零，我们就能实现CT线圈输出电压与母排电流i₁之间角差较小的目的，为今后提出角差可调整方法创造有利的条件；

此结论推广到环形对称结构中，对称分布的分流柱个数为n*3时都是适用的。

2.在一个或者多个分流柱上加装辅助CT(微型电流互感器)，并在辅助CT的输出端接上一个可调电阻R₂，调节R₂电阻大小就可以调整CT线圈输出电压的角度，而且调节效果十分灵敏；

调节电阻R₂的大小，相当于改变安装在分流柱上辅助CT的感抗大小，起到改变i₂₁，i₂₂，i₂₃电流不平衡的目的，从而调节Φ₂₁+Φ₂₂+Φ₂₃＝ΔΦ的大小，达到CT线圈输出电压角度调节的目的；

用最简单的电子元件，最简捷的方法实现CT线圈输出电压的角度调节，是高精度电流互感器在设计、制造工艺上一个重大的技术突破，为批量化，低成本生产高精度电流互感器铺平了道路。

3.在CT线圈的输出端也接入一个可调电阻R₁，调节电阻R₁的大小，可以改变CT线圈的输出电压幅值，同时也会引输出电压角度的微小变化，反复调节R₁，R₂的大小，可以达到CT线圈的输出幅值与角度都达到0.1级精度的设计指标。 

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