CN107403683A - 一种采用啮齿状开口铁芯的可开合电流互感器 - Google Patents

一种采用啮齿状开口铁芯的可开合电流互感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种采用啮齿状开口铁芯的可开合电流互感器，包括啮齿状开口铁芯，啮齿状开口铁芯包括由铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅰ和铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅱ组成的啮齿状开口铁芯主体，铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅰ和铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅱ通过啮齿状开口Ⅰ和啮齿状开口Ⅱ接合，铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅰ和铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅱ上分别附有绕组Ⅰ和绕组Ⅱ，绕组Ⅰ和绕组Ⅱ绕向相同、匝数相等、电气并联，啮齿状开口铁芯通过骨架固定，啮齿状开口铁芯内侧设置电线自适应固定装置，骨架外侧设置磁屏蔽层和外壳。本发明在保证较大动态测量范围的前提下，针对不同线径的电线，减小安装位置偏差带来的误差，实现测量准确度的提高。

Description

一种采用啮齿状开口铁芯的可开合电流互感器
技术领域
本发明属于电流测量、传感技术领域，具体涉及采用啮齿状开口铁芯的可开合电流互感器设计及针对其安装位置偏差的误差消减方法，用于便携式高精度电流测量、监测等。
背景技术
电流测量技术是电网运行安全及电能计量准确的重要保证，同时为线损查验及反窃电检测提供重要的技术支撑。在电力系统中，常用的电流测量设备是电磁式电流互感器(简称CT)，其因使用了闭合高磁导率铁芯而具有极高的精度，但是闭合铁芯在大电流或直流电流情况下易发生磁饱和，从而引起保护拒动或误动及电能计量严重超差，并且闭合铁芯安装不便、难以拆卸、不便于维护。由此，可开合CT采用开口型铁芯代替闭合铁芯，一方面通过铁芯开口降低铁芯磁导率而提高了测量的动态范围，另一方面通过可开合结构设计实现安装、维护、拆卸的便利。然而，铁芯开口较大时，磁路中磁阻太大，导致磁导率太低，电流测量的精度太低而达不到国标GB1208-2006中关于保护、计量的准确度要求；因此，CT闭合时铁芯开口尺寸必须很小才能保证CT同时满足测量准确度和动态测量范围的要求。当前可开合CT常用矩形状开口铁芯，一方面开口两端面的平行度要求高，平行度不佳的两端面在铁芯闭合时易形成较大的开口，大大降低测量准确度；另一方面铁芯开口采用机械加工(如切削等)而形成冷作硬化层，增加了铁芯的剩磁，降低了磁导率，从而导致测量准确度的下降及动态测量范围的缩减。此外，当前可开合CT安装时往往只能保证单一尺寸电线固定在铁芯的中心位置，且电线偏离铁芯中心时会产生测量误差。
因而，如何有效减小铁芯开口端面平行度不佳、冷作硬化层、安装位置偏差对测量的不利影响，是亟待突破的难题。
发明内容
基于现有技术的上述状况，本发明公开一种采用啮齿状开口铁芯的可开合电流互感器及针对安装位置偏差的误差消减方法，在保证较大动态测量范围的前提下，针对不同线径的电线，减小安装位置偏差带来的误差，实现测量准确度的提高。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种采用啮齿状开口铁芯的可开合电流互感器，包括啮齿状开口铁芯，啮齿状开口铁芯包括由铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅰ和铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅱ组成的啮齿状开口铁芯主体，铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅰ和铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅱ通过啮齿状开口Ⅰ和啮齿状开口Ⅱ接合，铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅰ和铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅱ上分别附有绕组Ⅰ和绕组Ⅱ，绕组Ⅰ和绕组Ⅱ绕向相同、匝数相等、电气并联。
作为优选技术方案，啮齿状开口铁芯主体采用高磁导率的微晶合金叠片堆，利用电火花线切割工艺对称性切割出两块啮齿状开口的半圆环铁芯，从而形成铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅰ和铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅱ、啮齿状开口Ⅰ和啮齿状开口Ⅱ。
作为优选技术方案，铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅰ和铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅱ的啮齿状开口Ⅰ和啮齿状开口Ⅱ处通过分别通过铁芯紧固装置连接。
作为优选技术方案，铁芯紧固装置由外壳附件Ⅰ和外壳附件Ⅱ、螺栓、螺母组成。外壳附件Ⅰ与铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅰ固定在一起，外壳附件Ⅱ与铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅱ固定在一起，通过螺栓和螺母连接外壳附件Ⅰ和外壳附件Ⅱ。铁芯紧固装置中部件材料采用铝。铁芯紧固装置用于固定铁芯，保证铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅰ和铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅱ的良好啮合。
作为优选技术方案，还包括骨架，骨架采用硬塑材料，包裹啮齿状开口铁芯外围，起到绝缘、保护铁芯的作用。
作为优选技术方案，还包括磁屏蔽层，磁屏蔽层处于骨架的外层，利用磁性材料的磁屏蔽效应有效地消除外界磁场干扰带来的测量误差。磁屏蔽层材料采用坡莫合金。
作为优选技术方案，还包括外壳，外壳采用环氧树脂浇注，设置在电流互感器的最外层，用于在物理和电气上同时保护电流互感器整体。
作为优选技术方案，还包括电线自适应固定装置，电线自适应固定装置采用若干强力弹簧组合，设置在啮齿状开口铁芯的内侧，减少电流互感器安装时电线的中心偏差，适用于多种线径电线的场合。
作为优选技术方案，所述电线自适应固定装置由可伸缩壳体A、可伸缩壳体B和若干强力弹簧组成，可伸缩壳体A内安装若干强力弹簧，可伸缩壳体B内安装若干强力弹簧，可伸缩壳体A、可伸缩壳体B合围所形成的可伸缩壳体中心留有供电线穿过的电线孔，强力弹簧的两端分别位于可伸缩壳体A或可伸缩壳体B底部和顶部。
本发明的技术核心主要是通过铁芯啮齿状开口的独特结构设计和加工制造工艺改进来有效提高测量的准确度，减少铁芯开口端面平行度不佳、冷作硬化层带来的测量误差。
首先，考虑铁芯啮齿状开口的独特结构设计，其基本工作原理为：当穿心电线内存在电流时，交变穿心电流在其周围产生涡旋磁场，根据磁路定理，磁场磁力线沿着磁阻极小的铁芯形成闭环磁路。当铁芯存在开口时，铁芯磁路总磁阻就等于铁芯磁阻加开口磁阻，因开口处一般是空气而开口磁阻极大，导致铁芯磁路磁阻极大增加，有效磁导率下降，但是铁芯线性工作范围大大增加，电流互感器的动态测量范围随之得到扩展。因为磁阻与磁力线通过的磁路长度成正比，而与通过的磁路横截面面积及材料磁导率成反比，所以为了保证测量准确度，铁芯的开口宽度应该远小于铁芯长度。当铁芯采用啮齿状开口(选择三角形端面)时，根据磁场的折射定律，入射端面法线的夹角与材料磁导率成正比，所以磁力线从铁芯入射到开口端面后几乎沿着法线方向经过开口，磁力线经过的磁路横截面面积正比于啮齿型端面的边长。因此，与相同宽度的矩形开口相比，啮齿状开口的磁阻因磁力线实际穿透的横截面面积更大而更小；从而啮齿状开口铁芯有效磁导率更大，其电流互感器测量准确度更高。此外，矩形铁芯开口处两端面的加工平行度不一致及闭合错位易导致开口宽度及磁阻的极大程度的增大，而啮齿状开口可以通过闭合调整保证同一方向的啮齿边界良好接触，使得磁阻的增加很小，测量准确度变化很小。
其次，考虑铁芯啮齿状开口的加工制造工艺：传统采用机械加工的方式导致冷作硬化层的形成，增加了铁芯的剩磁，降低了磁导率，从而导致测量准确度的下降及动态测量范围的缩减；本发明采用电火花线切割加工工艺有效地避免了冷作硬化层的生成，从而保证了测量的准确度和动态范围。
针对CT安装时电线中心偏差带来的测量误差，采用对称绕组并联法来消减。具体方案是在铁芯上对称性绕制两组绕向相同、匝数相等、电气并联的绕组，当电线偏离电流互感器中心时，铁芯内磁通量产生差异，两绕组输出电流同向但幅度有差异；通过两绕组并联可以得到一个总的电流输出，从而消减了两绕组电流输出的差异造成的测量误差，最终消减了安装偏差带来的测量误差。另一方面，为了满足电线不同线径时的电流互感器适用性，本发明设计了电线自适应固定装置，该装置由若干相同的对称强力弹簧组合和可伸缩壳体构成。弹簧的静止长度设计满足较小的电线线径。当电线线径变化时，强力弹簧受迫压缩而产生反向回复力；由于每对弹簧为两两对称安装，因此它们产生的反向回复力在电流互感器中心位置刚好抵消，从而最大限度保证电线处于电流互感器的中心位置，减小位置偏差带来的测量误差。
本发明一种实施方式中，铁芯开口形状可以另选为等腰梯形、圆弧形等。
本发明一种实施方式中，铁芯形状可以另选为矩形环等。
本发明一种实施方式中，铁芯材料可以另选为非晶合金、坡莫合金等。
本发明一种实施方式中，骨架材料可以另选为铝、铜等。
本发明一种实施方式中，绕组数量可以另选为四组、八组等。
本发明的特点及优势在于：
(1)铁芯采用啮齿状开口，减小了开口磁阻，提高了铁芯有效磁导率；当开口端面平行度不佳时，开口磁阻变化不明显。与采用矩形开口铁芯电流互感器相比，提出的可开合电流互感器具有更高的测量准确度和更好的端面平行度自适应性。
(2)铁芯开口加工采用电火花线切割工艺，避免因传统机械加工而生成的冷作硬化层带来的测量准确度和动态范围下降问题，保证测量准确度不受加工的不利影响。
(3)采用多组对称绕组电气并联，有效地消减电流互感器安装位置偏差带来的测量误差；选择性连接若干绕组，实现电流互感器匝数比的可调性。
(4)采用特制的电线自适应固定装置，满足电流互感器针对不同线径电线的强大适用性，同时最大化减小安装时电线对电流互感器的中心偏差。
根据上述特点，它可以应用于高精度、大动态范围电流测量及变换。
附图说明
图1是本发明结构二维示意图。
图2是本发明啮齿状开口铁芯二维结构示意图。
图3是本发明铁芯紧固装置二维结构示意图。
图4是本发明电线自适应固定装置二维结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细阐明本发明。
如图1所示，本发明中采用啮齿状开口铁芯的可开合电流互感器主要由啮齿状开口铁芯1、骨架2、磁屏蔽层3、外壳4、铁芯紧固装置5、电线自适应固定装置6组成。如图2所示，啮齿状开口铁芯1包括由铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅰ1-1和铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅱ1-2组成的啮齿状开口铁芯主体，铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅰ1-1和铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅱ1-2通过啮齿状开口Ⅰ1-3和啮齿状开口Ⅱ1-4接合，铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅰ1-1和铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅱ1-2上分别附有绕组Ⅰ1-5和绕组Ⅱ1-6，绕组Ⅰ1-5和绕组Ⅱ1-6绕向相同、匝数相等、电气并联；
啮齿状开口铁芯主体采用高磁导率的微晶合金叠片堆，对称性切割出两块啮齿状开口的半圆环铁芯，从而形成铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅰ1-1和铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅱ1-2、啮齿状开口Ⅰ1-3和啮齿状开口Ⅱ1-4，绕组Ⅰ1-5和绕组Ⅱ1-6用于一、二次电流变换及位置偏差补偿。绕组Ⅰ1-5和绕组Ⅱ1-6采用漆包铜线绕制。
铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅰ1-1和铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅱ1-2的啮齿状开口Ⅰ1-3和啮齿状开口Ⅱ1-4处通过分别通过铁芯紧固装置5连接。如图3所示，铁芯紧固装置5主要由外壳附件Ⅰ5-1和外壳附件Ⅱ5-2、螺栓5-3、螺母5-4组成。外壳附件Ⅰ5-1与铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅰ1-1固定在一起，外壳附件Ⅱ5-2与铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅱ1-2固定在一起，通过螺栓5-3和螺母5-4连接外壳附件Ⅰ5-1和外壳附件Ⅱ5-2。铁芯紧固装置5中部件材料采用铝。
骨架2采用硬塑材料，包裹啮齿状开口铁芯1外围，起到绝缘、保护铁芯的作用。磁屏蔽层3处于铁芯保护绝缘层(骨架2)的外层，利用磁性材料的磁屏蔽效应有效地消除外界磁场干扰带来的测量误差；外壳4采用环氧树脂浇注，成型在最外层，用于在物理和电气上同时保护电流互感器整体；铁芯紧固装置5用于固定铁芯，保证铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅰ1-1和铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅱ1-2的良好啮合；电线自适应固定装置6采用若干强力弹簧组合，设置在啮齿状开口铁芯1的内侧，减少电流互感器安装时电线的中心偏差，适用于多种线径电线的场合。骨架2、外壳4均采用环氧树脂材料,磁屏蔽层3材料采用坡莫合金。
如图4所示，电线自适应固定装置6主要由可伸缩壳体A6-1、可伸缩壳体B6-2和强力弹簧A6-3、强力弹簧B6-4、强力弹簧C6-5、强力弹簧D6-6、强力弹簧E6-7、强力弹簧E6-8组成，可伸缩壳体A6-1内安装强力弹簧D6-6、强力弹簧E6-7、强力弹簧E6-8，可伸缩壳体B6-2内安装强力弹簧A6-3、强力弹簧B6-4、强力弹簧C6-5。其中，可伸缩壳体A6-1、可伸缩壳体B6-2均采用环氧树脂材料，强力弹簧A6-3、强力弹簧B6-4、强力弹簧C6-5、强力弹簧D6-6、强力弹簧E6-7的材料采用青铜丝Qsi-3。可伸缩壳体A6-1、可伸缩壳体B6-2合围所形成的可伸缩壳体中心留有供电线穿过的电线孔，强力弹簧的两端分别位于可伸缩壳体A6-1或可伸缩壳体B6-2底部和顶部。
实际装配过程中，在安装可开合电流互感器时，将可开合电流互感器打开套在电线上面，接着对准啮合端面拧紧铁芯紧固装置5，此时电线自适应固定装置6通过内部弹簧组合的反向回复力抵消作用自动把电线固定在可开合电流互感器的中心位置。当可开合电流互感器进行电流测量时，通电电线产生的交变磁场及磁通被啮齿状开口铁芯1汇聚其中，啮齿状开口设计使得磁力线经过的有效横截面面积大大增加，从而减少了磁路总磁阻，提高了啮齿状开口铁芯1的有效磁导率和电流互感器的电流测量准确度。若啮齿状开口两端面平行度不吻合，则测量时啮齿状开口铁芯1内部产生的磁力自吸引能够保证啮齿端面同向边界的良好接触，从而最大限度地减少开口端面平行度不吻合带来的磁阻增加程度，最终消除对测量准确度的不利影响。当电线自适应固定装置6内部弹簧组合发生故障不能完全保证电线在电流互感器的中心位置时，绕组Ⅰ1-5和绕组Ⅱ1-6通过并联连接输出电流和的方式有效地消减电线位置偏差带来的测量误差。因此，采用啮齿状开口铁芯1的可开合电流互感器可以应用于高精度、大动态范围电流测量及变换。

Claims (10)

1.一种采用啮齿状开口铁芯的可开合电流互感器，包括啮齿状开口铁芯，其特征是：啮齿状开口铁芯包括由铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅰ和铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅱ组成的啮齿状开口铁芯主体，铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅰ和铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅱ通过啮齿状开口Ⅰ和啮齿状开口Ⅱ接合，铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅰ和铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅱ上分别附有绕组Ⅰ和绕组Ⅱ，绕组Ⅰ和绕组Ⅱ绕向相同、匝数相等、电气并联。
2.根据权利要求1所述的采用啮齿状开口铁芯的可开合电流互感器，其特征是：啮齿状开口铁芯主体采用高磁导率的微晶合金叠片堆，并利用电火花线切割工艺对称性切割出两块啮齿状开口且开口端面无冷作硬化层的半圆环铁芯，从而形成铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅰ和铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅱ、啮齿状开口Ⅰ和啮齿状开口Ⅱ。
3.根据权利要求1所述的采用啮齿状开口铁芯的可开合电流互感器，其特征是：铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅰ和铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅱ的啮齿状开口Ⅰ和啮齿状开口Ⅱ处通过分别通过铁芯紧固装置连接。
4.根据权利要求3所述的采用啮齿状开口铁芯的可开合电流互感器，其特征是：铁芯紧固装置由外壳附件Ⅰ和外壳附件Ⅱ、螺栓、螺母组成；外壳附件Ⅰ与铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅰ固定在一起，外壳附件Ⅱ与铁芯高磁导率半圆环铁芯Ⅱ固定在一起，通过螺栓和螺母连接外壳附件Ⅰ和外壳附件Ⅱ。
5.根据权利要求1所述的采用啮齿状开口铁芯的可开合电流互感器，其特征是：还包括骨架，骨架采用硬塑材料，包裹啮齿状开口铁芯外围。
6.根据权利要求1所述的采用啮齿状开口铁芯的可开合电流互感器，其特征是：还包括磁屏蔽层，磁屏蔽层处于骨架的外层。
7.根据权利要求6所述的采用啮齿状开口铁芯的可开合电流互感器，其特征是：磁屏蔽层材料采用坡莫合金。
8.根据权利要求1所述的采用啮齿状开口铁芯的可开合电流互感器，其特征是：还包括外壳，外壳采用环氧树脂浇注，设置在电流互感器的最外层。
9.根据权利要求1所述的采用啮齿状开口铁芯的可开合电流互感器，其特征是：还包括电线自适应固定装置，电线自适应固定装置采用若干强力弹簧组合，设置在啮齿状开口铁芯的内侧。
10.根据权利要求9所述的采用啮齿状开口铁芯的可开合电流互感器，其特征是：所述电线自适应固定装置由可伸缩壳体A、可伸缩壳体B和若干强力弹簧组成，可伸缩壳体A内安装若干强力弹簧，可伸缩壳体B内安装若干强力弹簧，可伸缩壳体A、可伸缩壳体B合围所形成的可伸缩壳体中心留有供电线穿过的电线孔，强力弹簧的两端分别位于可伸缩壳体A或可伸缩壳体B的顶部和底部。
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