李春來，湯曉宇，羅坤明

(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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0.1級(jí)超微晶微型電流互感器的研究

李春來1，湯曉宇2，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)

研發(fā)高精度微型電流互感器(TA)是目前電力儀器儀表行業(yè)共同關(guān)注的課題。選用高磁導(dǎo)率低矯頑力的超微晶材料做鐵心，采用單匝穿心式單鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)微型電流互感器，測試數(shù)據(jù)表明，測量精度達(dá)到0.1級(jí)?？梢娺x擇好的鐵心材料，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，減小勵(lì)磁電流，減少測量誤差，在結(jié)構(gòu)簡單、成本不高的條件下設(shè)計(jì)出滿足計(jì)量精度的微型電流互感器。

電流互感器；單鐵心結(jié)構(gòu)；傳變特性；比差；角差

0 引言

電流互感器(TA)是電力儀器儀表最前端的取樣器件，其性能直接影響電力儀器儀表的測量精度。電流互感器運(yùn)行時(shí)，一次側(cè)電流不能全部轉(zhuǎn)換為二次電流，其中一小部分將作為勵(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電流誤差和相位誤差[1]。電流互感器誤差主要是由勵(lì)磁電流引起的，盡可能減小勵(lì)磁電流造成電流互感器的測量誤差已成為提高電流互感器精度的主要途徑。根據(jù)文獻(xiàn)[2]，依據(jù)鐵心性能所測數(shù)據(jù)，目前國內(nèi)超微晶鐵心在匝數(shù)足夠的前提下可以滿足制作0.1級(jí)單鐵心結(jié)構(gòu)精密電流互感器的需要。因此選用高磁導(dǎo)率低矯頑力價(jià)格適中的超微晶材料做鐵心，采用單匝穿心式單鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)微型電流互感器，測量精度大大提高，基本達(dá)到電流互感器0.1級(jí)的精度(比差：≤±0.1%；角差：≤±5′)[3]。

1 電流互感器傳變特性的誤差分析

電流互感器傳變特性用角差f與比差δ衡量的，根據(jù)文獻(xiàn)[4]有

(1)

(2)

式中：I1為一次電流；I0為勵(lì)磁電流；φ為由勵(lì)磁安匝數(shù)I0N1在鐵心中建立起的磁通；U2為二次的感應(yīng)電壓；I0N1為勵(lì)磁安匝數(shù)；I2N2為二次安匝數(shù)；θ為I0N1與φ之間的夾角；φ2為I2N2與U2之間的夾角。

由式(1)、式(2)可以看出，電流互感器誤差主要是由勵(lì)磁電流造成的，減小勵(lì)磁電流，就減小誤差。若無勵(lì)磁電流就沒有誤差，但消除勵(lì)磁電流是不可能的，沒有勵(lì)磁電流就沒有磁通，電流互感器就不能正確傳變。

2 微型電流互感器的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述原理，設(shè)計(jì)制作了單匝穿心式單鐵心結(jié)構(gòu)超微晶微型電流互感器CT04-5A/2.5 mA，質(zhì)量7 g。本項(xiàng)目選用高磁導(dǎo)率低矯頑力價(jià)格適中的超微晶材料做鐵心，鐵心尺寸為9.5 mm×13 mm×5 mm，超微晶規(guī)格為：批次1 K107、鐵心疊片厚度0.03 mm、密度d=7.20 g/cm3、最大磁導(dǎo)率μm=200 K、矯玩力HC=0.64 A/m；導(dǎo)線規(guī)格為Φ0.08 mm，為了測量mA級(jí)電流，次級(jí)匝數(shù)設(shè)計(jì)為2 000 T，直流電阻為150 Ω；塑料外殼：內(nèi)徑4.7 mm、外型尺寸21 mm×18.5 mm×10.3 mm；采用環(huán)氧樹脂封裝。

3 微型電流互感器試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)條件

設(shè)備廠家/型號(hào)/名稱：沈陽中川/HESE/互感器校驗(yàn)裝置一套，精度為0.005級(jí)[5]，測試環(huán)境22 ℃，35%RH。為了定量分析超微晶微型電流互感器的傳變特性，超微晶微型電流互感器CT04-5A/2.5 mA與普通硅鋼片鐵心微型電流互感器CT12-5A/2.5 mA各抽樣5個(gè)，進(jìn)行測試。

3.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)線路見圖2。

圖2 試驗(yàn)線路圖

電流互感器校驗(yàn)裝置輸出電流線穿過互感器一次孔形成閉環(huán)(L-X、5A-5A)；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(注意電流互感器的同名端)；在電流互感器一次側(cè)依次施加(0.25 A、1 A、2.5 A、5 A、6 A)標(biāo)準(zhǔn)正弦波電流信號(hào)，測量電流互感器的傳變特性，負(fù)載為20 Ω，采集CT04與 CT12各5個(gè)樣品的比差、角差數(shù)據(jù)，各取1個(gè)樣品的數(shù)據(jù)來分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 CT04與CT12電流互感器的比差和角差

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

選取1個(gè)CT04與CT12樣品的測試數(shù)據(jù)，見表1，根據(jù)表1繪制比差和角差曲線如圖3、圖4所示。

圖3 CT04與CT12電流互感器比差曲線

圖4 CT04與CT12電流互感器角差曲線

根據(jù)表1、圖3、圖4可以得知：

(1) CT04電流互感器比差隨著一次電流的增大由正值變?yōu)樨?fù)值，最大比差值為0.084%，達(dá)到0.05級(jí)電流互感器比差誤差限值；CT12電流互感器最大比差值為-1.13%，達(dá)到0.5級(jí)電流互感器比差誤差限值；

(2)電流互感器角差均為正值，二次電流相量均超前一次電流相量，隨著一次電流的增大由大逐漸變小；CT04電流互感器的最大角差值為15′，接近0.1級(jí)電流互感器角差誤差限值，額定電流20%、50%角差偏差點(diǎn)可以通過電路補(bǔ)償方式進(jìn)行補(bǔ)償解決；CT12電流互感器最大角差值為120′，接近0.5級(jí)電流互感器角差誤差限值；

(3)從測試數(shù)據(jù)與曲線圖可以看出，采用超微晶鐵心的電流互感器測量精度大大提高，基本達(dá)到電流互感器0.1級(jí)的精度(比差：≤±0.1%；角差：≤±5′)。

4 微型電流互感器帶負(fù)載能力測試

通過帶負(fù)載能力測試(負(fù)載分別為0 Ω、20 Ω、50 Ω)，CT04電流互感器在不同負(fù)載條件下比差和角差測試數(shù)據(jù)如表2所示，根據(jù)表2繪制CT04在不同負(fù)載下的誤差曲線，比差曲線如圖5、角差曲線如圖6所示。

表2 CT04電流互感器在不同負(fù)載條件下的比差和角差

圖5 CT04電流互感器在不同負(fù)載條件下的比差曲線

圖6 CT04電流互感器在不同負(fù)載條件下的角差曲線

由表2、圖5、圖6可以得知：(1)負(fù)載為0Ω、20Ω、50Ω時(shí)，最大比差分別是0.086%、0.084%、0.079%，比差曲線隨著負(fù)載的增大向負(fù)值方向偏移，未超出0.1級(jí)電流互感器比差誤差限值；(2)負(fù)載為0Ω、20Ω、50Ω時(shí)，角差均為正值，二次電流相量均超前一次電流相量，最大角差分別為12.5′、15′、18.2′，角差曲線隨著負(fù)載的增大向上偏移；(3)帶負(fù)載能力測試結(jié)論：CT04電流互感器傳變特性曲線線性較好，帶負(fù)載能力較強(qiáng)。

5 結(jié)論

選用高磁導(dǎo)率低矯頑力價(jià)格適中的超微晶材料做鐵心，采用單匝穿心式單鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)微型電流互感器，測量精度大大提高，基本達(dá)到電流互感器0.1級(jí)的精度?？梢娺x擇好的鐵心材料，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，盡可能減小勵(lì)磁電流，減少測量誤差，在結(jié)構(gòu)簡單、成本不高的條件下能設(shè)計(jì)滿足計(jì)量精度的微型電流互感器。

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

[2] 郭來祥,張和飛.根據(jù)鐵心測量數(shù)據(jù)預(yù)判互感器精度指標(biāo)的研究.北京微特測試技術(shù)研究所,2009(6).

[3] 中國電器工業(yè)協(xié)會(huì),全國互感器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB1208-2006電流互感器.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

[4] 陳黎來.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.

[5] 李春來,湯曉宇,黃業(yè)安.高精度微磁通電流互感器的研究.電測與儀表,2010,47(11):51-54.

Research on 0.1 Level Ultra Crystallite Miniature Current Transformer

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)

Research and development of high precision micro current transformer (TA) is the issue of mutual interest in electrical instrument and meter industry at present.This project chose high permeability and low coercivity material of superfine crystal as core,adopted the single-turn single core structure to design the micro current transformer.The test data show that the precision of the measuring is 0.1 level,thus showing that choosing good core material can optimize the structure,reduce the excitation current and reduce the measuring error.Under the condition of simple structure and low cost,micro current transformer that reaches the measuring accuracy was designed.

current transformer; single iron core structure; transfer characteristics; ratio error; angle error

廣東省科技廳高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化基金資助項(xiàng)目(2013B010101016)；河源市科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(河科(2014)73號(hào))

2015-02-13 收修改稿日期:2015-05-02

TM452

A

1002-1841(2015)07-0052-02

李春來(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—)，男，工程師，主要從事電力儀器儀表的研究開發(fā)工作。