CN112271061A - 一种计量用电流互感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种计量用电流互感器，包括一次绕组1和三个铁芯，所述一次绕组1的匝数为N1，流经一次电流I1，铁芯一上绕制N2匝二次绕组，流经二次电流I2，激磁电流Im1，端子电压u1；铁芯二5上绕制N2+△N2匝二次绕组，激磁电流Im3，端子电压u3，铁芯三6上绕制N2‑△N3匝二次绕组，第三绕组上设有短路匝，流经短路电流Id，本发明能够在一次系统电流含有较大直流分量或谐波分量，且负荷电流比较小的情况下准确转换信号。

Description

一种计量用电流互感器
技术领域
本发明涉及互感器技术领域，具体是一种计量用电流互感器。
背景技术
电流互感器是电力系统中关键设备之一。它能够把电网一次系统中的大电流信号，按照规定的比例，高准确度的转换为标准的小电流信号(1A或5A)，用于后接的二次计量、测量、保护系统使用，可以说，电流互感器的转换精度与电费的贸易结算准确性、电网运行数据采集和运行状态的监测以及电网运行安全密切相关。
传统的电磁式电流互感器是在电力系统中流经标准正弦交流电时正常工作的。但随着我国经济的迅猛发展，电网负载也越来越复杂，大量变频设备、整流设备等非线性负载的接入，导致系统内本来正常供电的正弦波，存在着较大直流分量或谐波分量，还有一些用电设备是采用经过二极管整流后的半波进行驱动，而这些非正弦波的分量会在电流互感器的铁芯形成偏置的非对称的磁通，这种磁通与工频交流磁通叠加，最终导致铁芯的工作点提高，铁芯迅速进入饱和区，无法准确转换电流信号，对电费计量的准确性及电网的运行安全带来非常大的威胁，图1、图2给出了常规0.2S级计量电流互感器的在直流偏置和半波供电情况下的实际误差对比图，可见其比值误差和相位误差已经远远超过了标准误差限值，无法实现准确计量。
公开号为CN 209198521 U的专利申请公开了一种零磁通高精度零序电流互感器，包括互感器铁芯、互感器绕组和补偿电路，但其成本高、使用环境要求高、必须有外接电源用于控制电路供电等问题，导致这种产品很难在电力系统中大规模应用。
公开号为ZL 201821912066.8的专利，公开了一种由合金铁芯和切口硅钢片铁芯的双铁芯结构电磁式抗直流电流互感器，但该产品在额定一次电流≤150A时，产品的体积已经非常大了，而且很难满足角度误差在200’以内的标准要求。
考虑到当前配电系统改造的空间无法扩大，而且流水线检测也无法承受，因此，现有技术的电流互感器已经无法满足小电流比运行条件的需要了。
发明内容
本发明的目的在于提供一种计量用电流互感器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种计量用电流互感器，包括一次绕组和三个铁芯，所述一次绕组的匝数为N1，流经一次电流I1，铁芯一上绕制N2匝二次绕组，流经二次电流I2，激磁电流Im1，端子电压u1；铁芯二上绕制N2+△N2匝二次绕组，激磁电流Im3，端子电压u3，铁芯三上绕制N2-△N3匝二次绕组，第三绕组上设有短路匝，流经短路电流Id。
作为本发明的进一步技术方案：所述铁芯一为合金铁芯。
作为本发明的进一步技术方案：所述铁芯二为切口硅钢片铁芯。
作为本发明的进一步技术方案：所述铁芯三为切口硅钢片铁芯。
作为本发明的进一步技术方案：N1、N2、I1、I2满足公式：I1N1+I2N2＝0。
作为本发明的进一步技术方案：所述铁芯二和铁芯三气隙长度小于1mm，中间采用固体片状材料进行限位。
作为本发明的进一步技术方案：所述铁芯二、铁芯三为切口硅钢片铁芯，使第二、第三绕组具有抗饱和特性，能够在一次含有直流分量等条件下，输出稳定的补偿电流，以对一次绕组保持准确度的有效调整。
作为本发明的进一步技术方案：所述三个二次绕组为串联连接，绕制N2+△N2匝的二次绕组和绕制N2-△N3匝的二次绕组对绕制N2匝二次绕组进行动态虚拟电容电流补偿，实现对准确度的调整。
作为本发明的进一步技术方案：所述第三个绕组，即减匝绕组上增加短路匝，通过调整该短路匝的匝数、线径引起的阻值等，调整短路电流Id，进一步微调补偿电流，实现对准确度的调整。
所述铁芯二、铁芯三为切口硅钢片铁芯，使第二、第三绕组具有很强的抗饱和特性，能够在一次含有直流分量等条件下，输出稳定的补偿电流，以对绕组一保持准确度的有效调整。三个二次绕组为串联连接，绕制N2+△N2匝的二次绕组和绕制N2-△N3匝的二次绕组对绕制N2匝二次绕组进行动态虚拟电容电流补偿，实现对准确度的调整。第三个绕组，即减匝绕组上增加短路匝，通过调整该短路匝的匝数、线径引起的阻值等，调整短路电流Id，进一步微调补偿电流，实现对准确度的调整。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够在一次系统电流含有较大直流分量或谐波分量，且负荷电流比较小的情况下准确转换信号。
附图说明
图1是比值误差与标准限值的对比图；
图2是相位误差与标准限值的对比图；
图3是本发明一种实施例的电气原理图。
图中：1-一次绕组、2-铁芯一、3-二次绕组、4-第三绕组、5-铁芯二、6-铁芯三。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的图1、图2和图3的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，实施例1：一种计量用电流互感器，包括一次绕组1和三个铁芯，所述一次绕组1的匝数为N1，流经一次电流I1，铁芯一2上绕制N2匝二次绕组3，流经二次电流I2，激磁电流Im1，端子电压u1；铁芯二5上绕制N2+△N2匝二次绕组3，激磁电流Im3，端子电压u3，铁芯三6上绕制N2-△N3匝二次绕组3，第三绕组4上设有短路匝，流经短路电流Id，根据磁势平衡方程，有：
I1N1+I2N2＝0 (1)
通过上述方程式得出，在第一铁芯上的绕组满足电流比等于匝数比的比例关系，其二次绕组输出符合准确度的要求，是基础绕组，在工频交流情况下，产品符合标准中对误差限值的要求。
在上述基础上，由于正弦半波供电的波形经过傅里叶分解，可知其直流分量的含量超过30％，前严苛程度远大于10％直流分量附加的使用要求，因此，下列分析以正弦半波供电为例进行分析。由于第一铁芯是闭合的合金铁芯，直流分量使铁芯主磁通中出现直流磁通，直流磁通与交流磁通相互叠加，且直流分量全部用来励磁。由于铁芯的励磁特性是非线性，随着直流分量的增加，励磁电流将呈现正负半周不对称的形状，并产生大量谐波，使得电流互感器的传变特性变差，最终使铁芯饱和，导致误差增大。基于这一特性，设定第二、铁芯三为硅钢片切口铁芯，通过调整气隙大小，实现这两个铁芯在有一定准确度输出的情况下，拥有更大的线性工作区间。通过图1所示电气结构，三铁芯绕组联结成一个整体，通过短路匝来进行微调，最终实现在正弦半波供电条件下的准确输出。
本设计的工作原理如下：
如图3所示，当半波电流幅值较小时，第一个铁芯没有饱和，而其他两个铁芯均有气隙，所以第一个铁芯的磁导率最大，此时抗直流CT的准确度主要由第一个铁芯决定。当半波幅值达到一定数值时，第一个铁芯进入饱和，其他两个铁芯由于存在气隙因而没有进入饱和，这时三个铁芯可以表示为：
I1-I2N2＝Im1 (2)
I1-(N2+VN2)I2＝Im2 (3)
I1-(N2+VN3)I2-Id＝Im3 (4)
其中I1为一次电流，I2为二次电流，N2为第一个铁芯的二次绕组匝数，△N2为第二个铁芯多绕的的二次绕组匝数，△N3为第三个铁芯少绕的的二次绕组匝数，Im1、Im2和Im3为三个铁芯的励磁电流，Id为第三个铁芯的短路匝电流。从(2)、(3)、(4)式可得：
Im2＝Im1-△N2I2 (5)
Im3＝(Im1-△N3I2)-Id
可见，第三个铁芯可以看成是一次电流Im1-△N3I2和二次电流Id的CT。
由于第一个铁芯进入饱和，它的二次电压u1很小，因此负载电压由其他两个铁芯的二次绕组(u2+u3)提供：
Figure BDA0002768648730000051
上面μ1、μ2为第二、三个铁芯的磁导率，l1和l2为第二、三个铁芯的磁路长度，S1和S2为第二、三个铁芯的截面积，RL为负载。对上式处理，可得：
Figure BDA0002768648730000052
上面
Figure BDA0002768648730000053
通过选择合适的第二、三个铁芯，即选择K1和K2，以及△N2和△N3，以及调整Id，可以尽量减小Im1，当Im1较小时，从第一个铁芯的公式I1-N2I2＝Im1可得此时，组合后产品在含有较大直流分量甚至正弦半波供电情况下，具有较高的准确度。
采用上述技术，与两铁芯制造的电流比为100/5的计量用电流互感器，在满足同样技术要求的情况下，其宽度从110mm降低到90mm，正弦半波相位误差从240’降低到107’，重量从5.9kg降低到4.9kg。在电气性能上满足了Q/GDW 11945-2018《抗直流偏磁低压电流互感器技术规范》中对准确度不大于200’的要求，在尺寸和重量上满足了流水线自动化检定的需要。
表1实测发明产品准确度数据：
Figure BDA0002768648730000054
Figure BDA0002768648730000061
实施例2，在实施例1的基础上，铁芯一2为合金铁芯。铁芯二5为切口硅钢片铁芯。铁芯三6为切口硅钢片铁芯。N1、N2、I1、I2满足公式：I1N1+I2N2＝0。铁芯二5和铁芯三6气隙长度小于1mm，中间采用固体片状材料进行限位。
实施例3，在实施例1的基础上，产品为多铁芯结构(本实施例以三铁芯为例)，每个铁芯上都绕制不同匝数的绕组，串联连接后输出二次信号。第一铁芯为合金材料，绕制绕组匝数N2符合互感器变比要求。铁芯二5、铁芯三6为切口硅钢片铁芯，使二次绕组3、第三绕组4具有很强的抗饱和特性，能够在一次含有直流分量等条件下，输出稳定的补偿电流，以对一次绕组1保持准确度的有效调整。铁芯二5和铁芯三6绕制绕组匝数分别多于N2和少于N2匝，在少于N2匝绕组的铁芯上，设有短路匝。这种结构通过调整第二、第三绕组的匝数和短路匝的参数，实现对第一绕组输出的补偿，实现总体二次输出在一次系统含有直流偏置分量甚至正弦半波供电条件下，二次信号的准确输出。三个二次绕组为串联连接，绕制N2+△N2匝的二次绕组和绕制N2-△N3匝的二次绕组对绕制N2匝二次绕组进行动态虚拟电容电流补偿，实现对准确度的调整。第三个绕组，即减匝绕组上增加短路匝，通过调整该短路匝的匝数、线径引起的阻值等，调整短路电流Id，进一步微调补偿电流，实现对准确度的调整。铁芯二5和铁芯三6气隙长度小于1mm，中间采用固体片状材料进行限位，保证加工、使用过程中气隙的稳定。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种计量用电流互感器，包括一次绕组(1)和三个铁芯，其特征在于，所述一次绕组(1)的匝数为N1，流经一次电流I1，铁芯一(2)上绕制N2匝二次绕组(3)，流经二次电流I2，激磁电流Im1，端子电压u1；铁芯二(5)上绕制N2+△N2匝二次绕组(3)，激磁电流Im3，端子电压u3，铁芯三(6)上绕制N2-△N3匝二次绕组(3)，第三绕组(4)上设有短路匝，流经短路电流Id。
2.根据权利要求1所述的一种计量用电流互感器，其特征在于，所述铁芯一(2)为合金铁芯。
3.根据权利要求1所述的一种计量用电流互感器，其特征在于，所述铁芯二(5)为切口硅钢片铁芯。
4.根据权利要求1所述的一种计量用电流互感器，其特征在于，所述铁芯三(6)为切口硅钢片铁芯。
5.根据权利要求3所述的一种计量用电流互感器，其特征在于，N1、N2、I1、I2满足公式：I1N1+I2N2＝0。
6.根据权利要求1所述的一种计量用电流互感器，其特征在于，所述铁芯二(5)、铁芯三(6)为切口硅钢片铁芯，使第二、第三绕组具有抗饱和特性，能够在一次含有直流分量等条件下，输出稳定的补偿电流，以对一次绕组(1)保持准确度的有效调整。
7.根据权利要求1所述的一种计量用电流互感器，其特征在于，所述三个二次绕组为串联连接，绕制N2+△N2匝的二次绕组和绕制N2-△N3匝的二次绕组对绕制N2匝二次绕组进行动态虚拟电容电流补偿，实现对准确度的调整。
8.根据权利要求1所述的一种计量用电流互感器，其特征在于，所述第三个绕组4，即减匝绕组上增加短路匝，通过调整该短路匝的匝数、线径引起的阻值等，调整短路电流Id，进一步微调补偿电流，实现对准确度的调整。
9.根据权利要求1所述的一种计量用电流互感器，其特征在于，所述铁芯二(5)和铁芯三(6)气隙长度小于1mm，中间采用固体片状材料进行限位。
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