CN111880138B - 一种基于铁磁特性的零序电流互感器测量精度优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于铁磁特性的零序电流互感器测量精度优化方法，通过将所选的铁磁材料置于恒温装置进行加热，并测量其长度的温度依赖性；将所选的材料的温度依赖性曲线进行公式拟合；将铁磁材料温度依赖性的公式得出的结果带入零序电流互感器的误差分析公式中进行推导，从而得出在不同温度情况下，铁磁材料温度特性对零序电流互感器精度的影响，从而选择具有逆温度依赖性的铁磁材料优化了零序电流互感器低温时精度较低，而故障情况下容易饱和的问题，适用于电力系统继电保护零序电流测量和配电网中保护测量装置。

Description

一种基于铁磁特性的零序电流互感器测量精度优化方法

技术领域

本发明涉及零序电流互感器测量精度优化领域，特别是一种基于铁磁特性的零序电流互感器测量精度优化方法。

背景技术

电流互感器是保证电力系统正常、安全和可靠运行的重要设备。电磁式电流互感器按照变压器原理，通过绕在导磁铁芯材料上的一次和二次绕组，按一定比例关系确定匝数，实现大电流向小电流的变换。主要用于电力系统中向二次测量及保护设备提供测量和保护信号，其电流测量的准确度是保证高、低压电气设备正常可靠运行(短路、过载等)的重要指标之一。

经过多年的发展，铁磁材料从最初的铁氧体发展到了如今的纳米晶和非晶材料。以往使用铁芯的测量用零序电流互感器，铁芯多为闭合铁芯结构，因而安装和拆卸都必须在停电的情况下进行。为实现便于安装的高压测量用零序电流互感器，开口型(零序)电流互感器被设计出来，典型的零序电流互感器如图2所示。但是，该种电流互感器准确度易受环境温度、一次侧导体温度等条件的影响。因此，有必要分析零序电磁互感器的温度特性，并寻找相应的提高精度以及拓展其适用场合的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于铁磁特性的零序电流互感器测量精度优化方法，优化了零序电流互感器低温时精度较低，而故障情况下大电流容易饱和的问题。

本发明采用以下方案实现：一种基于铁磁特性的零序电流互感器测量精度优化方法，包括以下步骤：

步骤S1：选取铁磁材料，将所选的铁磁材料置于恒温装置进行加热，通过激光测距仪实时测量不同温度下的铁磁材料长度变化；

步骤S2：将步骤S1中获得的长度变化数据代入MATLAB中的曲线拟合模块进行拟合，获得长度温度依赖性的拟合公式；

L_mag(T)＝a₁*exp(c₁-((T-b₁)/c₁)^2)+a₂*exp(c₂-((T-b₂)/c₂)^2)+...a_n*exp(c_n-((T-b_n)/c_n)^2)

其中，L_mag表示气隙磁芯的磁路长度，a₁,a₂,...a_n；b₁,b₂,...b_n；c₁,c₂...,c_n均表示公式系数，通过matlab仿真求得，n<＝5；

步骤S3：将步骤S2得到的拟合公式即气隙磁芯的磁路长度L_mag的温度依赖性带入零序电流互感器的误差分析公式中进行推导，从而得出在不同温度情况下，铁磁材料温度特性对零序电流互感器精度的影响。

进一步地，步骤S1中所述恒温装置进行加热，调温范围为-40℃～80℃。

进一步地，步骤S2中所述进行公式拟合所采用的方法包括高斯逼近、指数逼近或幂逼近进行温度依赖性曲线拟合。

进一步地，所述步骤S3的具体内容为：

将步骤S2所得公式的结果即L_mag的温度依赖性，代入零序电流传感器误差分析公式，所述误差分析公式的推导如下式所示：

闭合磁芯：

气隙磁芯：

通常情况下，由于气隙较小，漏磁小，因此B_gap＝B_mag＝B；

气隙磁芯：

因此，误差：

由于μ_mag＞μ₀

因此

其中，L_mag的变化会导致误差Δ的变化，L_mag越接近L则误差Δ就越小精度就越高，反之精度越低；

其中，n为电流互感器匝比，I为互感器二次侧感测到的电流，μ₀为空气磁导率，为常数4π×10-³Tm/A；μ_mag是铁磁材料的磁导率；L_mag是气隙磁芯的磁路长度；L是磁芯的闭合磁路长度；B是磁芯的磁感应强度；L_gap是气隙的长度；B_mag是磁芯的磁感应强度；B_gap是气隙的磁感应强度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明利用铁磁材料的温度依赖性来提高零序电流互感器的的测量精度，优化了零序电流互感器低温时精度较低，而故障情况下大电流容易饱和的情况，适用于电力系统继电保护零序电流测量和配电网中保护测量装置。考虑到实际的应用场合，在电流较大的情况，导线发热，导线散发出的热量导致气隙磁芯发热。因此仅需找到铁磁材料的长度温度依赖性是相同的材料即可。当温度较低的，铁磁材料的长度增大，即减少气隙长度从而减少误差。当温度较高即电流较大，发生短路接地故障时，铁磁材料的长度减少，即增大气隙长度从而避免因过饱和导致电流互感器烧毁的情况。因此，从推导结果得出选择具有逆温度依赖性的铁磁材料可以优化零序电流互感器低温时精度较低，而故障情况下容易饱和的问题。

附图说明

图1为本发明实施例的测量铁磁材料的温度依赖性的实验装置，其中，1为恒温加热装置，2为铁磁材料，3为激光测距仪。

图2为本发明实施例的典型的零序电流互感器，其中10为零序一次侧导线，20为气隙磁环，30为空气隙，40为二次侧导线。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本实施例提供一种基于铁磁特性的零序电流互感器测量精度优化方法，具体来说是通过铁磁材料的本身的温度依赖性来拓展零序电流互感器的应用场景和测量范围，包括以下步骤：

步骤S1：选取铁磁材料，将所选的铁磁材料置于恒温装置进行加热，通过激光测距仪实时测量不同温度下的铁磁材料长度变化；

步骤S2：将步骤S1中获得的长度变化数据代入MATLAB中的曲线拟合模块进行拟合，获得长度温度依赖性的拟合公式；

L_mag(T)＝a₁*exp(c₁-((T-b₁)/c₁)^2)+a₂*exp(c₂-((T-b₂)/c₂)^2)+...a_n*exp(c_n-((T-b_n)/c_n)^2)

其中，L_mag表示气隙磁芯的磁路长度，a₁,a₂,...a_n；b₁,b₂,...b_n；c₁,c₂...,c_n均表示公式系数，通过matlab仿真求得，n<＝5；

步骤S3：将步骤S2得到的拟合公式即气隙磁芯的磁路长度L_mag的温度依赖性带入零序电流互感器的误差分析公式中进行推导，从而得出在不同温度情况下，铁磁材料温度特性对零序电流互感器精度的影响。

在本实施例中，步骤S1中所述恒温装置1进行加热，调温范围为-40℃～80℃，也可以扩大缩小调温范围。

在本实施例中，步骤S2中所述进行公式拟合所采用的方法包括高斯逼近、指数逼近或幂逼近进行温度依赖性曲线拟合。

在本实施例中，所述步骤S3的具体内容为：

将步骤S2所得公式的结果即L_mag的温度依赖性，代入零序电流传感器误差分析公式，所述误差分析公式的推导如下式所示：

闭合磁芯：

气隙磁芯：

通常情况下，由于气隙较小，漏磁小，因此B_gap＝B_mag＝B；

气隙磁芯：

因此，误差：

由于μ_mag＞μ₀

因此

其中，L_mag的变化会导致误差Δ的变化，L_mag越接近L则误差Δ就越小精度就越高，反之精度越低；其中，n为电流互感器匝比，I为互感器二次侧感测到的电流，μ₀为空气磁导率，为常数4π×10-³Tm/A；μ_mag是铁磁材料2的磁导率；L_mag是气隙磁芯的磁路长度；L是磁芯的闭合磁路长度；B是磁芯的磁感应强度；L_gap是气隙的长度；B_mag是磁芯的磁感应强度；B_gap是气隙的磁感应强度。

因此只要巧妙的利用温度对Lmag的影响，就可以在特殊的情况下提高零序电流互感器的精度，如选择具有逆温度依赖性(当温度升高时，铁磁材料的长度变短)的铁磁材料可以优化零序电流互感器低温时(低温时，铁磁材料长度变长，气隙变小，误差被减小)精度较低的问题，而系统故障情况(大电流导致温度高，气隙被增大，导致漏磁变多，不易饱和)下，可以解决磁芯容易饱和的问题。因此，从推导结果得出选择具有逆温度依赖性的铁磁材料可以优化零序电流互感器低温时精度较低，而故障情况下容易饱和的问题。

实施例：

本实施例通过将所选的铁磁材料2置于恒温装置1进行加热，并测量其长度的温度依赖性；将所选的材料的温度依赖性曲线进行公式拟合；将铁磁材料2温度依赖性的公式得出的结果带入零序电流互感器的误差分析公式中进行推导，从而得出在不同温度情况下，铁磁材料2温度特性对零序电流互感器精度的影响，从而优化了零序电流互感器低温时精度较低，而故障情况下容易饱和的情况，适用于电力系统继电保护零序电流测量和配电网中保护测量装置。

步骤S1：通过将所选的铁磁材料2置于恒温装置1进行加热，并测量其长度的温度依赖性。利用恒温装置1进行调温，并通过激光测距仪3实时测量不同温度下的铁磁材料2长度变化,示例如图1所示。

步骤S2：通过将步骤S1获取的温度和长度数据代入软件中进行拟合，本实施例采用MATLAB进行拟合，可利用高斯逼近、指数逼近或幂逼近进行温度依赖性曲线拟合，获得拟合公式：

L_mag(T)＝a₁*exp(c₁-((T-b₁)/c₁)^2)+a₂*exp(c₂-((T-b₂)/c₂)^2)+...a_n*exp(c_n-((T-b_n)/c_n)^2)

其中，L_mag表示气隙磁芯的磁路长度，a₁,a₂,...a_n；b₁,b₂,...b_n；c₁,c₂...,c_n均表示公式系数，通过matlab仿真求得，n<＝5；

以硅钢片(硅含量为0.4％，铝含量为0.3％)为例，L_mag在298K时，长度为20cm，将温度范围设定为233-353K，其存在正温度依赖性，硅钢片长度随温度增高而增长，此时公式为：

L_mag(T)＝a₁*exp(c₁-((T-b₁)/c₁)^2)+a₂*exp(-((T-b₂)/c₂)^2)+a₃*exp(-((T-b₃)/c₃)^2)，系数为a₁＝0.039；b₁＝381.5；c₁＝34.16；a₂＝0.006951；b₂＝336；c₂＝25.06；a₃＝0.0328；b₃＝318.6；c₃＝75.53。

以非晶合金(硅含量为0.5％，镍含量为0.08％)，L_mag在298K时，长度为20cm，将温度范围设定为233-353K，其存在逆温度依赖性，非晶合金长度随温度增高而缩小，此时公式为：

L_mag(T)＝a₁*exp(-((T-b₁)/c₁)^2)+a₂*exp(-((T-b₂)/c₂)^2)，系数为a₁＝0.02523；b₁＝97.56；c₁＝-25.5；a₂＝0.01969；b₂＝300.4；c₂＝87.15。

步骤S3通过将步骤S2中的曲线带入气隙电流互感器误差公式中进行分析，误差公式的推导如下所示：

其中，μ₀为空气磁导率，通常被认为是常数(4π×10^-3Tm/A)；L_mag是气隙磁芯的磁路长度；L是磁芯的闭合磁路长度；B是磁芯的磁感应强度。

考虑到实际的应用场合，在电流较大的情况，导线发热，导线散发出的热量导致气隙磁芯发热。因此仅需找到铁磁材料2的长度温度依赖性是相同的材料即可。当温度较低的，铁磁材料2的长度增大，即减少气隙长度从而减少误差。当温度较高(电流较大，发生短路接地故障时)，铁磁材料2的长度减少，即增大气隙长度从而避免因过饱和导致电流互感器烧毁的情况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种基于铁磁特性的零序电流互感器测量精度优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：选取铁磁材料，将所选的铁磁材料置于恒温装置进行加热，通过激光测距仪实时测量不同温度下的铁磁材料长度变化；

步骤S2：将步骤S1中获得的长度变化数据代入MATLAB中的曲线拟合模块进行拟合，获得长度温度依赖性的拟合公式；

L_mag(T)＝a₁*exp(c₁-((T-b₁)/c₁)^2)+a₂*exp(c₂-((T-b₂)/c₂)^2)+...a_n*exp(c_n-((T-b_n)/c_n)^2)

其中，L_mag表示气隙磁芯的磁路长度，a₁,a₂,...a_n；b₁,b₂,...b_n；c₁,c₂...,c_n均表示公式系数，通过matlab仿真求得，n<＝5；

步骤S3：将步骤S2得到的拟合公式即气隙磁芯的磁路长度L_mag的温度依赖性带入零序电流互感器的误差分析公式中进行推导，从而得出在不同温度情况下，铁磁材料温度特性对零序电流互感器精度的影响；

所述步骤S3的具体内容为：

将步骤S2所得公式的结果即L_mag的温度依赖性，代入零序电流传感器误差分析公式，所述误差分析公式的推导如下式所示：

闭合磁芯：

气隙磁芯：

通常情况下，由于气隙较小，漏磁小，因此B_gap＝B_mag＝B；

气隙磁芯：

因此，误差：

由于μ_mag＞＞μ₀

因此

其中，L_mag的变化会导致误差Δ的变化，L_mag越接近L则误差Δ就越小精度就越高，反之精度越低；

其中，n为电流互感器匝比，I为互感器二次侧感测到的电流，μ₀为空气磁导率，为常数4π×10^-3Tm/A；μ_mag是铁磁材料的磁导率；L_mag是气隙磁芯的磁路长度；L是磁芯的闭合磁路长度；B是磁芯的磁感应强度；L_gap是气隙的长度；B_mag是磁芯的磁感应强度；B_gap是气隙的磁感应强度。

2.根据权利要求1所述的一种基于铁磁特性的零序电流互感器测量精度优化方法，其特征在于：步骤S1中所述恒温装置进行加热，调温范围为-40℃～80℃。

3.根据权利要求1所述的一种基于铁磁特性的零序电流互感器测量精度优化方法，其特征在于：步骤S2中进行公式拟合所采用的方法包括高斯逼近、指数逼近或幂逼近进行长度温度依赖性曲线拟合。

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