CN104820128A - 半磁芯电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于高压电器领域，具体涉及一种应用于电子式电流互感器的半磁芯电流传感器，其特征在于包括环形半磁芯骨架、铜线圈、积分电阻、积分电容器、泄放电阻和泄放电感，磁性骨架段与非磁性骨架段交替相连紧固成环形半磁芯骨架，环形半磁芯骨架上绕有铜线圈，积分电阻与积分电容器串联成积分支路，铜线圈的两端接积分支路两端，泄放电阻与泄放电感串联成泄放支路，泄放支路的两端接积分电容器两端，积分电容器上的电压为输出信号。本发明没有铁芯线圈电流互感器的剩磁问题、没有磁饱和问题；与空芯线圈积分方案相比，尺寸减小、节省铜、提高感应电势以提高小电流测量能力，同时基本没有输出拖尾问题。

Description

半磁芯电流传感器

技术领域

本发明属于高压电器领域，具体涉及一种应用于电子式电流互感器的半磁芯电流传感器。

背景技术

随着电子技术的进步，近年来电子式电流互感器发展迅速。电子式电流互感器需要一次电流传感器，比如空心线圈、铁芯线圈、霍尔效应元件和/或光学装置。

国家推荐标准GB/T 20840.8-2007《互感器第8部分：电子式电流互感器》的附录D公开了一次电流传感器的两个方案，一个是铁芯线圈式低功率电流互感器(LPCT)方案，另一个是空心线圈(罗哥夫斯基线圈)方案。

铁芯线圈式低功率电流互感器(LPCT)方案是传统电磁感应原理电流互感器的一种演进，就是在电磁原理电流互感器(CT)的二次输出端接一个采样电阻，采样电阻上的电压与一次电流成正比，即为输出信号。原来的CT要带相当大的负荷，一方面是老式继电器动作需要一定功率来驱动，另外主要是二次电缆很长(从几十米到上千米)，因此高压CT负荷动辄几十伏安，甚至上百伏安。在电子互感器中，采样部分直接移到CT的二次线圈附近，二次电缆变得很短(几米甚至一米之内)，因此可以大幅度降低二次负荷；同时，由于CT的输出电流直接供给采样电阻，是设备内部的信号，不必按照原来5A或1A的标准值来设计，可以设计成毫安级别，这样就更可以大幅度降低CT二次负荷。这样演化后的LPCT与传统CT的最大区别是线圈输出功率由几十瓦(甚至上百瓦)降到毫瓦量级，因此在相同的铁芯截面积情况下，LPCT电子式电流互感器的测量范围比传统CT有明显提升。LPCT方案采用铁芯CT做传感器，因此准确度高，受温度等环境因素影响小，现在的电子式电流互感器常采用LPCT方案制作测量用电流互感器。

空芯线圈方案是利用罗哥夫斯基线圈原理制作一次电流传感器。所谓罗氏线圈原理就是空心线圈的电压输出与一次电流的导数成正比，因此把空心线圈的输出电压积分后就可以得到与一次电流成正比的信号。由于空心线圈没有磁饱和问题，也没有剩磁问题，动态范围广，因此现在的电子式电流互感器常采用空心线圈方案制作保护用电流互感器。

可以看出，铁芯线圈LPCT方案与空心线圈积分方案是完全不同的两个方案。LPCT方案采用变压器原理，由变压器的“T”形等值电路可以知道，一次电流(折合后的值)几乎全部流入二次回路，一次电流和二次电流的差值就是励磁电流，也就是LPCT的误差电流。由于铁芯的存在，励磁电流所占比例很小，即LPCT误差很小，并且二次电流越接近一次电流，误差越小。空心线圈积分方案则不同，空心线圈的输出是电压，即感应电势减去内阻压降，所以二次回路的电流越小，即与一次电流(折合后)的差值越大，误差越小。也可以从另一个角度理解：一次电流几乎全部用于空心线圈的励磁，使空心线圈两端产生足够高的感应电势，这个感应电势带动后续的积分支路，以得到与一次电流成正比(而不是与一次电流导数成正比)的输出电压，积分支路的阻抗越大电流越小，则空芯线圈里的内阻压降越小，最后得到的信号误差越小。鉴于这个原因，国家推荐标准GB/T 20840.8-2007中指出，空心线圈积分方案中的积分部分一般不在线圈本体进行，而是后移到继电器部分。而在现实中，通常是在A/D转换以后进行数字积分，这样有利于降低空芯线圈的负载电流，从而降低空芯线圈内阻压降，最终减小测量误差。

上述两个技术方案中，LPCT方案更适宜制作测量用电子式电流互感器，空心线圈积分方案更适宜制作保护用电子式电流互感器，也有用LPCT方案制作保护用电子式电流互感器的公开资料。上述两个方案都是可行的，当前也都有广泛应用。

但是，上述技术方案中也存在明显的不足，主要是：

1、LPCT方案用于保护互感器时，仍存在剩磁、饱和问题，虽然比传统互感器好了很多，但对于全偏移短路电流来说，在C-O-C-O循环重合闸时还是容易饱和，引起电流测量误差，造成继电保护装置误动作。

2、设计实践表明，即使将铁芯线圈加开气隙，LPCT方案也很难满足互相矛盾的两方面要求：气隙太小(小于0.3％)，饱和问题无法彻底解决；气隙太大(大于1％)，励磁电流太大，误差超标。

3、空心线圈方案对于大电流测量有优势，比如几十千安的短路电流；但是对于额定电流以下小电流测量准确度很低，原因在于空芯线圈的电感值较小，感应电势低。要增加电感值就要增加铜线圈的匝数或者骨架的截面积，一方面增加成本，另一方面也大大增加设备体积，丧失了电子式互感器的一个主要优势。

4、空心线圈方案的一个很大缺点是积分环节造成的信号拖尾，即被测电流断开(为零)之后，互感器的输出电压不能及时归零，无论硬件积分还是数字积分，信号拖尾问题目前均未解决。严重的信号拖尾可能造成继电保护装置计算错误，引起误动作。

发明内容

本发明的目的是要克服现有技术的不足，发明一种半磁芯电流传感器，其用于电子式电流互感器的一次电流传感和/或转换，没有铁芯线圈电流互感器的剩磁问题、没有磁饱和问题；与空芯线圈积分方案相比，尺寸减小、节省铜、提高感应电势以提高小电流测量能力，同时基本没有输出拖尾问题。

本发明是通过如下技术方案来实现的：

即一种半磁芯电流传感器，其特征在于包括环形半磁芯骨架、铜线圈、积分电阻、积分电容器、泄放电阻和泄放电感，磁性骨架段与非磁性骨架段交替相连紧固成环形半磁芯骨架，环形半磁芯骨架上绕有铜线圈，积分电阻与积分电容器串联成积分支路，铜线圈的两端接积分支路两端，泄放电阻与泄放电感串联成泄放支路，泄放支路的两端接积分电容器两端，积分电容器上的电压为输出信号。

作为本发明的一个优选方案：环形半磁芯骨架的非磁率为1％至70％。

作为本发明的一个优选方案：泄放电阻的阻值不大于积分电容器通过泄放支路放电的临界电阻值。

作为本发明的一个优选方案：积分电阻值大于泄放支路阻抗值的10倍，泄放支路阻抗值大于积分电容器容抗值的10倍。

作为本发明的一个优选方案：泄放电感为非线性磁芯电感。

本发明首先将磁性材料的高相对磁导率和非磁性材料的不饱和特性结合起来，制造一个等值相对磁导率μ_ρ较高、又不易磁饱和的环形骨架，本发明称之为半磁芯环形骨架。本说明书中，把半磁芯环形骨架中非磁性材料占整个环形骨架周长的比例称为半磁芯骨架的非磁率。与传统CT的有气隙环形铁芯中气隙仅占0.1％左右比例不同，本发明的半磁芯骨架的非磁率要高很多，为1％至70％。带气隙铁芯CT中，铁芯气隙如果过大，测量误差很难满足标准要求；与之相反，本发明中半磁芯骨架的非磁率如果过小，测量误差反而容易超标，这是由于本发明的技术方案与铁芯线圈式互感器方案的原理不同造成的。铁芯线圈互感器方案的原理是：采样电阻上的电压与一次电流成正比；本发明的原理是：积分电容器上的电压与一次电流成正比。

制作好半磁芯环形骨架以后，在其上缠绕铜线圈，铜线圈的两端接积分电阻与积分电容器，积分电阻与积分电容器串联成积分支路，积分电容器上的电压为输出信号。为了解决拖尾问题，在积分电容器两端接泄放支路，泄放支路由泄放电阻与泄放电感串联而成。

本发明与现有的技术方案相比具有以下优点：

1、半磁芯环形骨架的剩磁系数小于1％，工程实际中可认为基本无剩磁；

2、与现有铁芯线圈式电流互感器相同尺寸情况下，可保证250kA全偏移暂态短路电流C-O-C-O循环中半磁芯骨架不饱和,这个范围涵盖了目前电力系统全部可能的短路电流；

3、半磁芯骨架的非磁性材料不影响测量误差；

4、比同样尺寸、同样匝数的空芯线圈的输出电压提高数倍至数十倍；

5、比同样输出电压、同样体积的空芯线圈节省铜材(是空芯线圈用铜量的几分之一甚至几十分之一)；

6、比同样输出电压、同样匝数的空芯线圈减小尺寸，从而减小互感器整体尺寸，降低制造成本。

附图说明

图1为半磁芯电流传感器示意图；

图2为有无泄放支路的输出电压对比。

如图中所示：1—磁性骨架，2—非磁性骨架，3—铜线圈，R_i—积分电阻，C—积分电容器，R_d—泄放电阻，L—泄放电感。

具体实施方式

如图1所示：磁性骨架段1与非磁性骨架段2交替相连紧固成环形半磁芯骨架，环形半磁芯骨架上绕有铜线圈3，积分电阻R_i与积分电容器C串联成积分支路，铜线圈3的两端接积分支路两端，泄放电阻R_d与泄放电感L串联成泄放支路，泄放支路的两端接积分电容器C两端，积分电容器C上的电压u_c(t)为输出信号。载有被测一次电流i₁(t)的导体从环形半磁芯骨架中穿过(可以单匝导体，也可以多匝导体)。

在环形半磁芯骨架中，各段非磁性骨架2的长度之和占环形半磁芯骨架周长的比例(即非磁率)不能太高或太低，应在1％至70％之间。环形半磁芯骨架的等值相对磁导率μ_ρ大致是这个比例的倒数，可以根据互感器的具体参数要求，在上述范围内调整环形骨架的非磁率。

泄放电阻R_d的阻值应不大于积分电容器C通过泄放支路R_d-L放电的临界电阻值：

$R_d\≤2\sqrt{L/C}---\left(1\right)$

即R_d-L-C回路应为临界阻尼或欠阻尼状态。

另外，还应当满足：

R_i>>Z_d>>(ωC)^-1         (2)

这里“>>”表示至少十倍以上，Z_d是R_d与ωL的总阻抗。也就是：积分电阻值R_i大于泄放支路阻抗值Z_d的10倍，泄放支路阻抗值Z_d大于积分电容器容抗值(ωC)^-1的10倍。满足此条件情况下，由于增加泄放支路造成的输出电压u_c(t)与被测电流i₁(t)的相位差不大，可以在后续电子电路中校正或者在A/D转换以后再行调整。u_c(t)的幅值与被测电流i₁(t)的幅值的比例系数需要用标准电流互感器来标定，因此，由于增加泄放支路造成的输出电压u_c(t)的幅值变化可以不必考虑，统一包含在最终标定的比例系数中。

根据式(1)和式(2)选择元件参数，当泄放电感L值较大时应采用磁芯电感以减小电感元件的尺寸,并宜采用磁导率较大的非线性磁芯。

图2是有无泄放支路的输出电压对比。可以看出，合适的泄放电阻R_d和泄放电感L能够将积分电容器C上的残压很快泄放掉，基本解决了拖尾问题。

下面结合具体实例进一步说明本发明的实施方式。

半磁芯环型骨架尺寸Φ170/Φ230-40(Φ170为内径，Φ230为外径，40为厚度)，磁性骨架部分采用冷轧硅钢片，非磁性骨架部分采用玻璃钢，非磁率10％；磁性骨架段与非磁性骨架段交替粘接成环形，并用非磁性不锈钢带箍紧扎牢。用Φ0.55聚酯铜线在半磁芯环形骨架上绕制铜线圈2500匝；其余元件参数为：R_i＝1MΩ，C＝1μF；R_d＝15kΩ，L＝120H。电感元件的磁芯为硅钢片环形铁芯。额定一次电流1000A，额定准确等级为5TPE，额定对称短路电流倍数Kssc＝30，一次回路时间常数0.1s，工作循环C(0.11s)—O(0.5s)—C(0.1s)—O，短路初相角为0(即：短路电流全偏移)；额定输出电压0.0575V。图2是有无泄放支路的输出电压对比，t＝0.11s时一次电流断开，如果没有泄放支路，输出电压由峰值缓慢衰减，拖尾严重，至预定的0.5s后重合闸时(即图2中0.61s时刻)，积分电容器C上残压约1.9V，将不能正确测量重合闸的暂态短路电流(将出现截顶失真)；本具体实施实例选择的泄放电阻R_d＝15kΩ，和泄放电感L＝120H能够在大约0.18s时(即经过大约0.07s后)将积分电容器上的残压泄放到1％以下，基本解决了拖尾问题。到预定的重合闸时刻(即图2中0.61s时刻)，积分电容器C上的电压已经为0，能够正确测量短路电流。

在额定状态下标定幅值，角差若不校正，其值为0.18°＝10.8’，那么稳态短路时输出电压幅值为0.0575*30*1.414＝2.439V，计算比差为0，角差为10.8’，复合误差＝0.314％，符合标准要求。暂态下，计算得输出电压峰值4.6V，最大峰值瞬时误差为6.2％，符合标准要求。

Claims (5)

1.一种半磁芯电流传感器，其特征在于包括环形半磁芯骨架、铜线圈、积分电阻、积分电容器、泄放电阻和泄放电感，磁性骨架段与非磁性骨架段交替相连紧固成环形半磁芯骨架，环形半磁芯骨架上绕有铜线圈，积分电阻与积分电容器串联成积分支路，铜线圈的两端接积分支路两端，泄放电阻与泄放电感串联成泄放支路，泄放支路的两端接积分电容器两端，积分电容器上的电压为输出信号。

2.根据权利要求1所述的半磁芯电流传感器，其特征在于环形半磁芯骨架的非磁率为1％至70％。

3.如权利要求1所述的半磁芯电流传感器，其特征在于泄放电阻的阻值不大于积分电容器通过泄放支路放电的临界电阻值。

4.如权利要求1所述的半磁芯电流传感器，其特征在于积分电阻值大于泄放支路阻抗值的10倍，泄放支路阻抗值大于积分电容器容抗值的10倍。

5.如权利要求1所述的半磁芯电流传感器，其特征在于泄放电感为非线性磁芯电感。