基于小鐵心電流傳感器的電子式電流互感器測量原理

基于小鐵心電流傳感器的電子式電流互感器測量原理

0電子式電流傳感原理電力傳感器是電氣系統(tǒng)中用于裝置的連續(xù)電能監(jiān)控、能耗測量和系統(tǒng)監(jiān)控的重要設(shè)備。它的精度和可靠性對電氣系統(tǒng)的安全和可靠運行非常重要。傳統(tǒng)的電流互感器主要基于法拉第電磁感應(yīng)原理,其主要優(yōu)點是性能穩(wěn)定,具有成熟的運行經(jīng)驗。但是隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展,微機保護、電氣設(shè)備自動化程度及電力系統(tǒng)絕緣等級的提高,傳統(tǒng)的電磁式電流互感器因自身傳感機理局限而呈現(xiàn)出種種難以克服的問題,已不能滿足電力系統(tǒng)自動化、數(shù)字化的發(fā)展要求。另一方面,隨著微機繼電保護技術(shù)和現(xiàn)代微電子技術(shù)應(yīng)用,繼電保護和二次測量裝置不再需要大功率驅(qū)動,傳統(tǒng)的電流互感器二次輸出的5A或1A電流信號不能直接和微機測量保護裝置接口,難以適應(yīng)電力系統(tǒng)自動化、數(shù)字化和智能化的發(fā)展趨勢。針對上述問題,新型電子式電流互感器成為了國內(nèi)外研究重點。筆者研制的互感器是基于低功率電流互感器和空心線圈為傳感頭的電子式電流互感器,實現(xiàn)電力系統(tǒng)電流計量和保護功能。設(shè)計的35kV電子式電流互感器原理結(jié)構(gòu)見圖1。筆者在對35kV電子式電流互感器的原理、結(jié)構(gòu)詳細分析的基礎(chǔ)上,采用Maxwell有限元方法對互感器的電場分布進行計算和絕緣設(shè)計。設(shè)計和制作了一臺35kV電子式電流互感器樣機,并對樣機進行了絕緣性能和準(zhǔn)確度測試,測試結(jié)果表明,樣機滿足GB/T20840.8—2007標(biāo)準(zhǔn)要求,準(zhǔn)確度可達0.2級測量和5P20保護要求。1結(jié)構(gòu)和原則1.1鐵心材料的布置LPCT是一種低功率輸出特性的電磁式電流互感器,在GB/T20840.8—2007中LPCT被列為電子式電流互感器的一種實現(xiàn)形式,代表著電磁式電流互感器的一個發(fā)展方向,具有廣闊的應(yīng)用前景。由于LPCT的輸出一般是直接提供給電子電路,二次負載比較小,其鐵心一般采用超微晶合金等高導(dǎo)磁性材料,在較小的鐵心截面下,就能夠滿足測量準(zhǔn)確度的要求。LPCT主要由小鐵心電流互感器CT、取樣電阻Rs和信號傳輸單元組成。一次母線電流IP被轉(zhuǎn)換為二次小電流Is,取樣電阻Rs將二次電流轉(zhuǎn)換為正比于一次電流的小電壓信號輸出;信號傳輸單元由雙層屏蔽絞線和連接端子構(gòu)成,主要將互感器輸出電壓信號傳遞到智能電子設(shè)備,同時實現(xiàn)外界電磁場屏蔽功能。根據(jù)原理,測量用的LPCT的輸出為測量用的LPCT的額定變比kr為測量用電流互感器的比差ε為式(1)-(3)中:Us為ECT二次側(cè)輸出電壓;IP為一次母線電流;Rs為二次側(cè)取樣電阻;N1為一次繞組匝數(shù);N2為二次繞組匝數(shù)。由式(1)-(3)可知,一旦一次和二次繞組匝數(shù)確定,比差的變化范圍就取決于取樣電阻的精度和溫度系數(shù)。筆者設(shè)計的LPCT鐵心材料為超微晶合金,變比為800:1,LPCT的取樣電阻阻值為溫度系數(shù)小于1.0×10-5。額定一次電流為800A,在一次額定電流時,二次額定輸出電壓為1V。1.2空心線圈的工藝設(shè)計35kV電子式電流互感器采用空心線圈實現(xiàn)保護用一次電流測量?？招木€圈電流互感器與其他測量原理相比,具有不含鐵心、頻帶寬、線性度好、測量范圍寬、造價低、體積小、重量輕等優(yōu)點,并且沒有飽和與磁滯現(xiàn)象。通?？招木€圈是將軟導(dǎo)線(一般為漆包線)均勻緊密繞在非磁性骨架上構(gòu)成,空心線圈結(jié)構(gòu)圖見圖2。在利用空心線圈測量電流時,將載流導(dǎo)體穿過線圈中心,線圈所交鏈的磁鏈與被測電流成線性關(guān)系。根據(jù)安培環(huán)路電流定律,磁場強度H沿任意封閉輪廓積分等于穿過該封閉輪廓所限定面的電流。當(dāng)負荷為高阻抗時,線圈的輸出電壓是穿過線圈的一次電流i的函數(shù)。對圓環(huán)形骨架且為矩形截面的線圈輸出電壓滿足關(guān)系式(4)中:N為空心線圈匝數(shù);r為線圈平均半徑;μ0為真空中磁導(dǎo)率;R1為線圈內(nèi)徑;R2為線圈外徑;h為線圈骨架高度。式(4)是在線圈均勻繞制和每匝線圈橫截面相等條件下推導(dǎo)出來的。對于一般的空心線圈,很難滿足上述條件,從而在工業(yè)生產(chǎn)中參數(shù)一致性很難得到保證,影響空心線圈測量電流時的特性。為了克服上述困難,采用印制電路板(PCB)設(shè)計空心線圈,可通過計算機輔助設(shè)計將印制導(dǎo)線均勻布置在印制電路板上,數(shù)字加工技術(shù)能保證每匝線圈的橫截面積相等。PCB空心線圈簡易結(jié)構(gòu)圖見圖3。從圖3中可看到,在PCB的頂層和底層均勻放置導(dǎo)線,并且兩層之間由過孔連接導(dǎo)通。為了消除外界磁場對互感器的影響,可將2個繞向相反的線圈進行串聯(lián),實現(xiàn)普通空心線圈常用回線方式來抵消縱向磁場的功能,同時可增大線圈輸出電壓e(t)。筆者設(shè)計的空心線圈為PCB板,材料為FR4,PCB的設(shè)計參數(shù)見表1。一次母線直徑為28mm圓銅棒,屏蔽盒內(nèi)半徑為44.5mm,屏蔽盒為非導(dǎo)磁材料不銹鋼,絕緣距離d為30mm,35kV互感器長期穩(wěn)定運行條件下環(huán)氧樹脂的絕緣耐受強度為3~5kV/mm。顯然,該ECT的絕緣距離能滿足35kVECT長期穩(wěn)定運行的絕緣要求。該ECT保護用電流互感器用表1所示參數(shù)的6張PCB板串聯(lián)焊接而成,就可滿足額定一次電流為800A保護用互感器的要求,當(dāng)一次施加額定電流800A時,二次輸出大約為150mV的感應(yīng)電動勢(二次設(shè)計輸出為150mV)。2建立和分析ect模型2.1模型的構(gòu)建利用有限元分析軟件包Maxwell建立電子式電流互感器的有限元2D模型,見圖4。2.2特定材料屬性所建ECT模型指定材料屬性見表2。2.3材料自動指定邊界條件和激勵源考慮實際運行條件,在離場源足夠遠處,可以認(rèn)為電場矢量為零,所以在計算中采用擴大電場計算區(qū)域的方法解決場域不封閉的問題。在此指定邊界條件和激勵源見表3。沒有指定材料屬性的材料交界面,軟件自動指定自然邊界條件,滿足以下關(guān)系式(5)、(6)中:Et為分界面處電場強度的切向分量;Dn為分界面處電通密度的法向分量;ρs為表面電荷密度。式(5)和式(6)表明,物體之間的界面電場強度的切向分量連續(xù),電通密度Dn的法向分量之差為表面電荷密度ρs。2.4導(dǎo)電沖擊電壓下的電場分析通過電子式電流互感器模型的建立、指定材料屬性、激勵源、邊界條件及靜電場自適應(yīng)求解分析,然后通過后處理器的計算器可找到電場強度最大值的位置及最大值,最大值的位置在距一次母線最近的屏蔽盒棱角位置。為了減小電場強度的最大值,以利于滿足ECT的絕緣要求,下面就兩種方案進行分析:方案1屏蔽盒棱角不倒圓,方案2對屏蔽盒棱角進行倒圓角處理,倒角半徑為2mm。兩種方案的電場計算結(jié)果見表4。從表4可知,在工頻耐受電壓和雷電沖擊電壓下,兩種方案的最大電場強度都小于環(huán)氧樹脂的擊穿電場強度24~28kV/mm。雷電沖擊電壓作用下,電場場度幅值云圖見圖5。從圖5可知,屏蔽盒倒角與不倒角其最大電場強度都發(fā)生在介質(zhì)與屏蔽盒的交界面位置,但倒角后最大電場強度明顯下降,電場強度分布更均勻。由于環(huán)氧樹脂配方和互感器澆注工藝的不同,環(huán)氧樹脂澆注件的長期允許運行電場強度有一定的范圍,為3~5kV/mm,且電場強度對絕緣材料的電老化速度有顯著影響,絕緣材料的電老化壽命與介電常數(shù)的冪函數(shù)成反比關(guān)系,因而在額定工作電壓下方案1更切實可行,在制作樣機時,按方案2對屏蔽盒進行倒角處理,以滿足樣機的絕緣及長期運行的壽命要求。3機械性能測試包括絕緣性能測試和準(zhǔn)確度測試。3.1試驗測試和放電為了考核設(shè)計的ECT的絕緣特性是否滿足GB/T20840.8—2007要求,進行下列絕緣性能測試。1)工頻耐受電壓測試。在ECT的一次接線端子與地之間施加95kV的工頻試驗電壓,持續(xù)60s,未發(fā)生擊穿或閃絡(luò),樣機的內(nèi)絕緣合格。2)局部放電測量。在工頻耐壓試驗之后不間斷地降壓到規(guī)定的局部放電測量電壓28.1kV時,測量放電量為8pC,滿足≤20pC的要求。3)雷電沖擊電壓測試。對ECT樣機施加185kV雷電沖擊全波試驗電壓正、負極性各15次,通過。表明樣機外絕緣合格。對ECT樣機進行絕緣性能測試,均滿足絕緣性能要求,從而驗證了Maxwell電場仿真的有效性。3.2測試系統(tǒng)的建立設(shè)計制作的35kV電子式電流互感器樣機,二次額定輸出電壓為1V和150mV,測量部分的準(zhǔn)確級為0.2級,保護部分的準(zhǔn)確級為5P。樣機準(zhǔn)確度測試系統(tǒng)見圖6。用0.002級的標(biāo)準(zhǔn)電阻采集標(biāo)準(zhǔn)電流互感器的二次輸出信號,由數(shù)據(jù)采集儀對標(biāo)準(zhǔn)電流互感器和被測ECT輸出進行同步采樣、存儲、計算、比較最后得出比差、角差等信息,所得試驗結(jié)果見表5。準(zhǔn)確度測試結(jié)果表明,對于測量部分5%~120%IPr,比差<0.1%,角差≤5′;對于保護部分在100%IPr處,比差<0.5%,角差<10′,設(shè)計的電子式電壓互感器的比差和角差均滿足GB/T20840.8—2007的0.2級測量和5P保護級要求。4小角度倒圓技術(shù)1)通過電場有限元