李春來(lái)，湯曉宇，羅坤明

(1.河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息工程系，廣東河源 517000；2.廣東雅達(dá)電子股份有限公司,廣東河源 517000)

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計(jì)量用電流互感器在3種鐵心條件下傳變特性的試驗(yàn)與分析

李春來(lái)1，湯曉宇2，羅坤明1

(1.河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息工程系，廣東河源 517000；2.廣東雅達(dá)電子股份有限公司,廣東河源 517000)

計(jì)量用電流互感器(TA)作為最前端信號(hào)源器件，其性能直接影響電力儀器儀表的測(cè)量精度。文中通過(guò)試驗(yàn)與分析3種常用鐵心TA的傳變特性得出：TA的傳變特性與鐵心材料有關(guān)，具有非線性特性；超微晶鐵心、坡莫合金鐵心的TA傳變特性明顯優(yōu)于硅鋼片鐵心的TA；用坡莫合金鐵心和超微晶鐵心的TA準(zhǔn)確度可以達(dá)到0.1級(jí)；用硅鋼片鐵心TA準(zhǔn)確度可以達(dá)到1級(jí)。選擇性能優(yōu)良的鐵心材料，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，是提高TA傳變特性行之有效的方法。

電流互感器；鐵心材料；傳變特性；比差；角差

0 引言

計(jì)量用電流互感器(TA)作為信號(hào)源器件，廣泛應(yīng)用于電力計(jì)量各種裝置中，其性能的優(yōu)劣直接影響計(jì)量的準(zhǔn)確性，也直接影響電力儀器儀表的測(cè)量精度。對(duì)于計(jì)量用TA，一方面要求其測(cè)量精度高、線性要好，另一方面又要有良好的抗電磁干擾能力和穩(wěn)定性[1]。

電磁式TA產(chǎn)生誤差的主要因素是鐵心的非線性勵(lì)磁特性及飽和程度，是由激磁電流引起的，與TA鐵心特性有關(guān)，具有非線性特性。目前有許多關(guān)于這方面的文獻(xiàn)，主要以電子式或者雙鐵心結(jié)構(gòu)等，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故障率也較高，帶負(fù)載能力較差，生產(chǎn)成本也較高，不同鐵心條件下TA傳變特性對(duì)比分析的文獻(xiàn)較少。文中主要針對(duì)此問(wèn)題開(kāi)展的試驗(yàn)性研究，選用3種常用的鐵心材料，對(duì)TA傳變特性做試驗(yàn)性的分析與對(duì)比[2]。

1 TA傳變特性的誤差分析

實(shí)際上TA的傳變特性用角差f與比差δ來(lái)衡量的，根據(jù)文獻(xiàn)[3]有

(1)

(2)

式中：N1為一次線圈的匝數(shù)；I1分別為一次線圈電流；I0為鐵心中的激磁電流；φ為鐵心損耗角；α為二次負(fù)載的阻抗角。

電磁式TA運(yùn)行時(shí)，一次電流不能全部轉(zhuǎn)換為二次電流，其中一小部分電流將作為勵(lì)磁，用于產(chǎn)生鐵心中的磁通，勵(lì)磁電流不僅在電流互感器鐵心中產(chǎn)生磁通，還產(chǎn)生渦流損失和磁滯損失等鐵心損耗，這種自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了電流互感器存在著誤差[4]。由式(1)、式(2)可以看出，TA的誤差主要是由提供磁通的勵(lì)磁電流產(chǎn)生，減小TA的誤差，最有效的方法是減小勵(lì)磁電流。勵(lì)磁電流I0增大，角差f與比差δ相應(yīng)會(huì)增大，且為非線性關(guān)系。勵(lì)磁電流影響TA的傳變特性，與鐵心特性有關(guān)，鐵心材料主要指標(biāo)有導(dǎo)磁率和損耗角等[5]。

提高TA的性能主要有兩種途徑：一是采用優(yōu)質(zhì)材料；二是采用好補(bǔ)償方法，但補(bǔ)償工藝復(fù)雜，且成本也比較高。選擇好的鐵心材料，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，盡可能減小激磁電流，減少測(cè)量誤差，是在滿足工程測(cè)量精度的前提下，提高TA性能行之有效的方法。

2 3種鐵心材料TA的試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)條件

設(shè)備廠家/型號(hào)/名稱(chēng)：沈陽(yáng)中川/HESE/互感器校驗(yàn)裝置一套，精度為0.005級(jí)。試驗(yàn)溫度為室溫23 ℃，相對(duì)濕度50%，檢定場(chǎng)所周?chē)鷽](méi)有與檢定工作相關(guān)的電磁場(chǎng)。為了定量分析研究不同鐵心材料條件下TA的傳變特性，在廣東雅達(dá)電子股份有限公司制作了3種不同鐵心材料(超微晶鐵心、坡莫合金鐵心、硅鋼片鐵心)的TA各3個(gè)，共9個(gè)樣品(單鐵心穿心式結(jié)構(gòu))進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)用3種鐵心材料的磁性能比較見(jiàn)表1，次級(jí)匝數(shù)均為2 000，變比5 A/2.5 mA。坡莫合金、微晶鐵心的TA，鐵心尺寸均為9.5 mm×13 mm×5 mm、線型Φ0.08 mm、直流電阻150 Ω；硅鋼片鐵心的TA，鐵心尺寸為22 mm×30 mm×15 mm、線型Φ0.15 mm、直流電阻85 Ω。

表1 試驗(yàn)用三種鐵心材料的磁性能比較

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)線路圖見(jiàn)圖1，接線說(shuō)明：

(1) 根據(jù)TA變比選擇一次和二次量程；

(2) 將互感器校驗(yàn)裝置輸出電流線穿過(guò)互感器一次孔形成閉環(huán)(L-X、5A-5A)；

(3) 將電流互感器輸出端K1、K2分別接到互感器校驗(yàn)裝置的K1、K2端(注意TA的同名端)。

圖1 試驗(yàn)原理圖

為了便于定量研究3種不同鐵心材料條件下TA的傳變特性，按一次額定電流的不同比列分成13個(gè)測(cè)試點(diǎn)，負(fù)載均為20Ω，測(cè)量TA的比差與角差，共采集3種不同鐵心材料共9個(gè)TA樣品的比差、角差數(shù)據(jù)，每種材料取一個(gè)樣品的數(shù)據(jù)來(lái)分析。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3種鐵心各選取一個(gè)樣品的測(cè)試數(shù)據(jù)，詳見(jiàn)表2。

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.4.1 3種鐵心材料TA的比差特性對(duì)比分析

根據(jù)表2繪制的比差曲線，如圖2所示。

根據(jù)表2、圖2得知：

(1)坡莫合金鐵心TA在一次電流為大于50%時(shí)，比差都超過(guò)-0.04%，最大值為-0.046%，隨著在一次電流的增大比差由正值向負(fù)值方向偏移；超微晶鐵心TA的一次電流比例小于40%時(shí)比差都超過(guò)0.04%，最大值為0.089%；硅鋼片鐵心TA的比差均為負(fù)值，最大值為-1.13%，在一次電流比例小于20%時(shí)，比差均超過(guò)-0.5%。

表2 三種鐵心TA的比差和角差

圖2 3種鐵心TA傳變特性的比差曲線

(2) 坡莫合金鐵心TA一次電流比例5%、20%、100%、120%的比差分別為：0.010%、-0.010%、-0.045%、-0.046%，未超出0.05級(jí)TA比差誤差限值[6]；超微晶鐵心TA一次電流比例5%、20%、100%、120%的比差分別為：0.089%、0.071%、0.011%、0.009%，基本達(dá)到0.05級(jí)TA比差誤差限值；硅鋼片鐵心TA一次電流比例5%、20%、100%、120%的比差分別為：-1.13%、-0.50%、-0.15%、-0.132%，未超出1級(jí)TA比差誤差限值。

(3) 超微晶鐵心、坡莫合金鐵心TA的比差傳變特性明顯優(yōu)于硅鋼片鐵心的TA。

2.4.2 3種鐵心材料TA的角差特性對(duì)比分析

根據(jù)表2繪制角差曲線，如圖3所示。

圖3 3種鐵心TA傳變特性的角差曲線

根據(jù)表2、圖3得出：

(1) 坡莫合金鐵心、超微晶鐵心、硅鋼片鐵心TA的角差均為正值，且隨著在一次電流的增大而由逐漸變小。在一次電流比例10%時(shí)，坡莫合金鐵心、超微晶鐵心、硅鋼片鐵心TA的角差最大值分別為15.5′、12.5′、70′。

(2) 坡莫合金鐵心TA一次電流比例5%、20%、100%、120%的角差分別為：15.8′、13.9′、7.7′、7.1′，角差接近0.1級(jí)TA角差誤差限值；超微晶鐵心TA一次電流比例5%、20%、100%、120%的角差分別為：14.2′、11.6′、5.2′、4.4′，角差接近0.1級(jí)TA角差誤差限值；硅鋼片鐵心TA一次電流比例5%、20%、100%、120%的角差分別為：120′、44′、20′、19′，角差未超出1級(jí)TA角差誤差限值。

(3)超微晶鐵心、坡莫合金鐵心TA的角差特性明顯優(yōu)于硅鋼片鐵心TA。

3 結(jié)論

理論與試驗(yàn)結(jié)果分析說(shuō)明，電磁式TA因存在提供磁通的勵(lì)磁電流必然產(chǎn)生誤差，誤差與鐵心結(jié)構(gòu)及材料有關(guān)，具有非線性關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果分析說(shuō)明，超微晶鐵心、坡莫合金鐵心TA的傳變特性明顯優(yōu)于硅鋼片鐵心TA。坡莫合金鐵心和超微晶鐵心TA的比差等級(jí)優(yōu)于角差等，用坡莫合金鐵心和超微晶鐵心的TA準(zhǔn)確度可以達(dá)到0.1級(jí)；用硅鋼片鐵心TA準(zhǔn)確度可以接近1級(jí)。

選擇好的鐵心材料，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，盡可能減小激磁電流，減少測(cè)量誤差，是在滿足工程測(cè)量精度的前提下，既簡(jiǎn)單成本低、又能提高TA傳變特性行之有效的方法。從經(jīng)濟(jì)角度及適合場(chǎng)所分析，超微晶鐵心、坡莫合金鐵心的成本高于硅鋼片鐵心，坡莫合金鐵心又略高于超微晶鐵心。計(jì)量用TA一般要求體積小質(zhì)量輕，超微晶鐵心、坡莫合金鐵心適合于制造計(jì)量用TA。

[1] 陳黎來(lái).電流互感器對(duì)電能計(jì)量的影響.電力自動(dòng)化設(shè)備,2011,31(1):138-141.

[2] 李春來(lái),湯曉宇,黃業(yè)安，等.計(jì)量用TA在直流偏磁條件下傳變特性的試驗(yàn)與分析.電力自動(dòng)化設(shè)備,2011,31(7):143-145.

[2] 張振洪,趙有俊.高精度零磁通電流傳感器的研究.傳感器與微系統(tǒng)，2009(10)：52-54.

[4] 袁金晶,孫國(guó)菊,朱德省，等.電流互感器飽和特性分析及其補(bǔ)償.電測(cè)與儀表,2012,49(10):165-169.

[5] 楊玉剛.現(xiàn)代電子電力的磁技術(shù). 北京:科學(xué)出版社，2006.

[6] GB 1208—2006 電流互感器.

Measurement and Analysis of Transfer Characteristics of Metering CT with Three Different Core Materials

LI Chun-lai1,TANG Xiao-yu2,LUO Kun-ming1

(1.Department of Electronic and Information Engineering, Heyuan Vocational Technical College, Heyuan 517000,China; 2. Heyuan City Yada Electronic Industry Co.,Ltd., Heyuan 517000,China)

As the forefront signal source, the properties of current transformer (CT) for metering directly affect the precision of electric instrument. Through the experiment and analysis of transfer characteristic with three kinds of core materials, the results show that the CT’s transfer characteristics have nonlinear characteristics associated with the core material. The transfer characteristics of CT with super microcrystalline core and permalloy core are obviously better than that of silicon steel sheet core. The precision of CT with permalloy core and super microcrystalline core is up to 0.1%. The precision of CT with silicon steel sheet core is up to 1%. Making a good choice of core material and optimizing structure are the effective ways to improve the CT’s transfer characteristics.

current transformer; core material; transfer characteristics; ratio error; phase displacement

廣東省科技廳高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化基金資助項(xiàng)目(2013B010101016)

2014-09-01 收修改稿日期：2014-12-01

TK513

A

1002-1841(2015)04-0104-03

李春來(lái)(1968—)，副教授，主要研究方向?yàn)殡娏鞲衅骷皯?yīng)用電子技術(shù)。E-mail:shixiajun@126.com 湯曉宇(1971—)，工程師，主要從事電力儀器儀表的研究開(kāi)發(fā)。