CN112309686A - 一种多功能电流互感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多功能电流互感器，属于电流互感器技术领域，包括联合磁体和缠绕在所述联合磁体上的二次线圈；所述联合磁体包括上层导磁体、下层导磁体和隔离带；所述上层导磁体为超微晶导磁体，所述下层导磁体为冷轧硅钢磁体；本发明中的设计，满足配网非有效接地方式的全部需求，满足测量、计量、选线和继电保护的测量范围及测量精度要求：在测量mA至kA级的零序电流，测量比差小于0.5％，角差小于1°；既可单只用于相电流穿缆型电流互感器，也可以用于三相电流合并后穿缆型零序电流互感器，体积小、容易安装和推广。

Description

一种多功能电流互感器

技术领域

本发明涉及电流互感器技术领域，具体为一种多功能电流互感器。

背景技术

电力系统所用电流互感器，分为测量级和保护级两大类。前者依据用户的负荷电流确定量程，通常在数十安到数百安之间。用于监视运行电流时，希望电流互感器的额定量程大些，任何情况下不能越限。上述需要安装在相电流载体上。

用于继电保护装置时，不关心监视负荷的大小时的测量精度，只关心在短路故障时测量准确，通常在千安到数十千安之间，用电流互感器额定值的倍数表示，俗称饱和倍数。用于过电流保护时，安装在相电流载体上；用于零序电流保护时，三相电流载体合并后再穿入本电流互感器。

而电能计量(电度表)只要求计费准确，用单相电流互感器安装在相电流载体上。在现行电能计量技术标准DL/T 5137-2018规定，使用高精度0.2S～0.5级电流互感器，而且规定所用电流互感器的额定电流不能低于负荷电流的20～30％。因为负荷小的时候，电力互感器的测量测量精度降低，甚至进入“死区”，少计量电费，这是电力互感器现行制造技术无法回避的缺陷。企业上下班负荷差异极大，只能顾及最大负荷电流，供电公司只能用附加损耗费来弥补这一损失，实际上，用户负荷越大，低谷峰谷差越大，这种不合理的估算收费，更多地损害了消费者的利益，但无法克服。

我国10～20kV配网系统均为非有效接地方式，除常规的测量、保护用电流互感器之外，还需要专门配置零序电流互感器，满足接地选线(定位)和零序电流保护的需要，最小接地电流可为数十毫安，最大接地电流可达千安之多。上限与下限相差4～5个数量级，在保证电流上限的测量精度时，只能牺牲电流下限。通常一次电流在5A以下实现线性变换十分困难，形成所谓的“时针效应”，选线(定位)和零序电流保护进入死区，威胁着电力设备和人身生命安全，成为配电网自动化技术至今无法攻克的老大难题。已公开的百余种接地选线方法(装置)均未在提高微小电流测量精度上下功夫，无法解决误选、漏选及保护死区问题，是不争的事实。

为了适应配电网非有效接地方式(中性点不接地、经低电阻接地、经消弧线圈接地、经高阻接地四种接地方式)的测量、保护和选线的需求，由国家电力科学研究机构、互感器及有关配套产品生产厂联合起草制了团体标准：《配电网10kV及20kV交流传感器技术条件》T/ZDG 018-2018，中国电工技术学会2018-02-06发布(这是我国首次使用团体标准发布的技术条件，以下简称《团体标准》)。交流电流传感器的内容就是在电流互感器输出端增加负载电阻，将电流输出改为电压输出，主体仍旧是电流互感器。《团体标准》给出了零序电流传感器的两种标准电路：1)磁势合成的三相电流传感器原理电路；2)电流互感器合成的三相电流传感器。使用三相独立的电流互感器组成零序电流滤序器是两种电路的共同特征。与常规穿缆型零序电流互感器相比存在的问题：1)需要三个电磁线圈，接线复杂且体积庞大，现场几乎不可能给出庞大的占有空间；2)三相导磁体的特性不可能绝对相同，总有微小的差异，无法消除经磁路变换后合成的稳态不平衡输出；3)当出现突变的感性负载时，导磁体的非周期分量导致暂态干扰信号输出；4)温度系数影响电阻阻值，《团体标准》规定负载电阻的范围为1kΩ～100kΩ，高阻电阻密封在固体绝缘材质中间，散热条件差，温度带来的附加误差无法消除，是传感器结构来的新课题。5)传感器与智能设备之间都有一定的传输距离，传感器通过连接电缆传输微弱的电压模拟量，与传输电流模拟量相比，抗干扰能力差，不占优势。6)电流互感器输出电流连接运放获取模拟量的量程、精度远高于从二次电阻获取电压模拟量的方式，获得广泛应用，因此《团体标准》的输出方式未见进入电力市场的报道；7)《团体标准》规定了零序电流传感器的额定输出是0.2V，额定电流取20A，按最小电阻1kΩ计算，二次绕组需要100k匝，给制造带来极大的麻烦，或者说，几乎不可能。8)《团体标准》将零序电流传感器按10P10保护级和测量1级合并，要求通过额定电流时测量精度满足1级标准，极大地提高了测量精度。但是，按《团体标准》规定的误差限值，不考核5％(即20A×0.05＝1A)以下时的测量误差，换言之，允许任意误差，无法线性变换几十毫安的微小电流的弊端仍旧无法克服。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种多功能电流互感器，满足配网非有效接地系统的测量、计量、选线和继电保护的测量范围及测量精度要求：在测量mA至kA级的零序电流，测量比差小于0.5％，角差小于1°，仅用单只穿缆型电流互感器，无需三相电流互感器的组合，体积小、容易安装和推广。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种多功能电流互感器，其特征在于，包括联合磁体和缠绕在所述联合磁体上的二次线圈；所述联合磁体包括上层导磁体、下层导磁体和隔离带，所述上层导磁体为超微晶导磁体，所述下层导磁体为冷轧硅钢磁体。

本发明的有益效果在于：本发明中的设计，满足配网非有效接地系统的全部需求(即测量、计量、选线和继电保护)的测量范围及测量精度要求：在测量mA至kA级的零序电流，测量比差小于0.5％，角差小于1°，仅用单只穿缆型电流互感器，无需三相电流互感器的组合，体积小、容易安装和推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种多功能电流互感器的结构示意图；

图2为导磁体的磁化曲线图。

附图标记说明：

隔离带1、超微晶导磁体2、绝缘层3、硅钢磁体4、二次线圈5。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中”、“上”、“下”、“横”、“内”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，一种多功能电流互感器，联合磁体和缠绕在联合磁体上的n匝二次线圈5；联合磁体包括依次固定的上层导磁体、隔离带1和下层导磁体；上层导磁体、下层导磁体的截面、半圆的内径和n匝二次线圈的匝数根据被测量电流的上、下限和变比确定；上层导磁体为超微晶导磁体2，下层导磁体为冷轧硅钢磁体4，n匝二次绕组的外层包裹有绝缘层3。

联合磁体的线性范围高于超非晶磁体和硅钢磁体，起始点几乎与磁化曲线的原点重合，两种导磁体材料的适当匹配组合使用，可以将磁化曲线的膝点可提高到任意值，既可以测量mA级微小电流，又可测量数十kA级电流，彻底解决电流互感器的宽线性、高精度测量问题，且节约资源，有推广价值。

用n匝二次线圈绕制在联合磁体上，当被测高压一次电流通过本电流互感器时，在二次绕组上感应出二次电流，按一次电流的1/n倍向I/U变换单元输出低压二次电流。量程由mA级到kA级，比差小于0.5％，角差小于1°。

发明目的：满足配网非有效接地系统的测量、计量、选线和继电保护的测量范围及测量精度要求：在测量mA至kA级的零序电流，测量比差小于0.5％，角差小于1°，单独使用可以满足相电测量需求(监视负荷电流、电能计量及过电流保护)，三相合并进入中间穿孔，可满足零序电流测量需求(接地选线/定位，零序电流保护)，无需三相电流互感器的组合，体积小、容易安装和推广。

具体实施方法

该电流互感器由2种导磁率不同的磁体组成混合导磁体，上层采用超微晶导磁材料，下层采用冷轧硅钢磁体；

电流互感器二次绕组的感应电势与导磁体的磁通量Φ成正比

E₂＝4.44fnΦL L (1)

n——为二次绕组的匝数，f——电源频率，式(1)看出，二次绕组的感应电势E₂与磁通Φ的变化成线性关系。

导磁材料的磁化曲线如图2所示，O～A₂是冷轧硅钢磁体的初始段、膝点B₂的右端是饱和段，只有A₂～B₂段dΦ/di接近线性，是可利用段。初始段和饱和段dΦ/di极小，不能利用，均是线性变换死区。对照曲线1和2看出，超微晶的磁化曲线的起始点A₁几乎与原点0重合，初始导磁率

/di极大(通常是硅钢片的1000～3000倍)，但膝点B₁较低(约为硅钢片的1/3～1/2)；冷轧硅钢片的线性起始A₂点太小且出现太晚，但B₂点较曲线1的B₁延迟出现，且幅值较高(约为硅钢片2～3倍)。两种导磁体合并在一起之后，组合导磁体的磁化曲线就形成了宽线性、高精度特性，如曲线3的A₁(0)～B₃线段所示。

如图2所示，高压载流体电流穿过组合导磁体，若为十几mA微小电流，超微晶导磁体(曲线1)起作用，A₁点与原点0几乎重合，立即进入线性区A₁～B₁段，弥补了冷轧硅钢材料的空缺区；当被测高压电流上升超过曲线1的膝点B₁后，超微晶饱和，dΦ/di急降，不起作用，由硅钢片(曲线2)接续，磁化1+2合成为曲线3，A₁～B₃段dΦ/di仍接近线性，输出容量和测量精度仍旧在允许的范围之内。充分利用了两种导磁材料的线性区段，避开了它们的非线性导磁死区，形成高精度、宽线性的电流互感器。

硅钢片的截面与二次绕组的额定输出可按1/n变比选取。硅钢片的截面减小到同容量的

二次线圈的匝数虽然有所增加，但漆包线直径仍可减小，例如将二次额定电流由1A降低到0.5A时，直径可减小到

本电流互感器总体上占用金属材料接近传统电流互感器的

倍，占用空间减小，有利于现场装配。

本发明中的设计，满足配网非有效接地系统的全部需求，满足测量、计量、选线和继电保护的测量范围及测量精度要求：在测量mA至kA级的零序电流，测量比差小于0.5％，角差小于1°，仅用单只穿缆型电流互感器，无需三相电流经磁路组合换后变输出，体积小、容易安装和推广。

本电流互感器也可以安装在相电流导线上，同时承担测量、保护功能(包括非有效接地系统的接地选线、定位和零序保护)。只在测量单元增加限幅设施，就可以发挥多功能作用。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (1)

1.一种多功能电流互感器，其特征在于，包括联合磁体和缠绕在所述联合磁体上的二次线圈；所述联合磁体包括上层导磁体、下层导磁体和隔离带；所述上层导磁体为超微晶导磁体，所述下层导磁体为冷轧硅钢磁体。

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