低压抗半波直流电流互感器的研制(QC).doc

低压抗半波直流电流互感器的研制一、小组介绍：阿波罗小组概况：课题名称低压抗半波直流电流互感器的研制小组名称计量中心阿波罗QC小组成立时间2001年5月小组组长靳绍平小组活动指导罗丽荣课题注册时间2011.8.1人均接受QC教育时数24小时注册号JDY01JL0011活动时间2011.82012.12次数12次课题类型创新型小 组 成 员 简 介姓 名性 别职务/职称文化程度小组分工靳绍平男高级工程师本科组 长李欣男助理工程师本科组 员刘见男工程师硕士祝婧女工程师硕士聂方明男工程师本科李东江男高级工程师本科宁放男技 师大专董洛群男技 师大专黄忠群女技 师大专王浔男技 师大专唐新宇男助理工程师大专二、选题理由： 2011年5月份，江西省电力公司计量中心查获了一种名为“节能装置”，实为窃电装置的设备。经现场测试分析表明，该“节能装置”（见图1）仅仅通过改变流经电流互感器一次侧的电流波形，使得低压电流互感器受到半波电流的直流分量影响，互感器铁芯工作状态接近饱和区，等效磁导率下降，造成低压电流互感器误差向负误差方向偏移。经测试，安装该“节能装置”后，低压电流互感器的误差达到-63%。（内部结构图如图2所示）图1 “节能装置”使用场景 图2 “节能装置”内部结构现场用仪器进行测试，“节能装置”两侧输入输出波形如图3、图4所示，由图可以看出该波形为典型的三相半波整流电路输入侧电流，含有极大的直流分量。图3 “节能装置”单相输入波形图（交流侧） 图4 “节能装置”输出波形图（直流侧） 通过用三块单相锰铜电阻取样型单相电能表直接测量电量与现场安装的三相四线电能表进行比较得出电流互感器误差。电能表接线方式电量(kWh)倍率实际消耗电量(kWh)合计（kWh)测A相用单相电能表不经过电流互感器9.0519.0532.55测B相用单相电能表12.02112.02测C相用单相电能表11.48111.48三相四线电能表经过电流互感器0.4301212低压电流互感器的误差=（12-32.55）/32.55100%=-63% 常见的用电负荷中，电气化铁路、炼钢厂等用户的电网中一次电流会存在比较大地直流分量，如果不采取任何处理措施，直流分量会使电流互感器工作接近饱和区，其误差将显著的往负方向移动，严重影响电能计量的准确性，因此研究电流互感器的抗直流特性对电能的准确计量具有重要的意义。三、 确定课题： 江西省电力公司计量中心的工作职责是保证全省电能计量装置的准确可靠，为了解决电流互感器在半波直流分量的影响下计量误差严重超差，计量严重失实的情况，中心指定阿波罗QC解决这一问题，因此我们选定此次QC活动的课题是：低压抗半波直流电流互感器的研制四、 设定课题目标： 目前用于贸易结算的传统电流互感器的在全交流环境下的误差是不超过0.2%，但并没有在含有直流分量的交流电流环境下的相关技术指标要求，我们小组经过多次查询国际及国家技术标准文件，最后找到了国家标准GB/T 17215.321-2008交流电测量设备 特殊要求 第21部分：静止式有功电能表（图5、图6），虽然此技术标准是针对的是有功电能表，但对于电流互感器也有一定的参考价值。在此标准中对于有功电能表在交流电流中直流电流和偶次谐波条件下的误差极限值是3%，因此我们也将课题低压抗半波直流电流互感器的在含有半波直流分量的交流电流环境下误差极限值定为3%。另外我们也要求低压抗直流电流互感器在全波正弦电流环境下能达到传统电流互感器的计量误差限值0.2%。图5 国家标准GB/T 17215.321-2008交流电测量设备 特殊要求 第21部分：静止式有功电能表图6交流电测量设备 特殊要求 第21部分：静止式有功电能表关于直流和偶次谐波误差要求因此我们这次QC课题的目标是低压抗半波直流电流互感器在含有半波直流分量环境下的计量误差不超过3%，在全波正弦电流环境下的计量误差不超过0.2%。五、 提出方案并确定最佳方案：（一）测量原理的方案选择：为了达到预定目标，小组成员先从测量原理入手，展开讨论分析：小组成员通过查阅相关技术资料得知目前测量直流的主要原理有以下四种：分流器原理、罗柯夫斯基线圈原理、霍尔效应原理、复合磁芯测量原理。 经过小组成员讨论后，分流器原理因为互感器一、二次未隔离不适用于含有计算机设备的装置，所以不予采用。初步选定研制低压抗半波直流电流互感器的原理为罗柯夫斯基线圈原理、霍尔效应原理、复合磁芯测量原理。（二）原理选择试验分析低压抗半波直流电流互感器方案研制基于罗柯夫斯基线圈原理电流互感器研制基于霍尔效应原理电流互感器研制基于复合磁芯测量原理电流互感器1研制基于罗柯夫斯基线圈原理电流互感器的试验分析试验测算照片特点分析结论1、制作基于罗氏线圈原理电流互感器，并进行试验。2、市场上罗氏线圈电流互感器单台价格为：800元左右。优点：误差能满足设定目标要求。缺点：1、工作时需要工作电源。2、与传统电流互感器二次回路差异大，使用时需更改二次设备输入。3、现场工作稳定性不高。4、制造成本较高。造价高、需对二次设备进行更改，长期现场工作不可靠试验时间：2012年1月4日 责任人：李欣2研制基于霍尔效应原理电流互感器的试验分析试验测算照片特点分析结论1、制作基于霍尔效应原理电流互感器，并进行试验。2、市场上霍尔效应原理电流互感器单台价格为：1000元左右。优点：误差能满足设定目标要求。缺点：1、工作时需要工作电源。2、耗电量大。3、使用寿命短。4、制造成本较高。造价高、耗电量大，长期现场工作不可靠试验时间：2012年1月5日 责任人：李欣3、研制基于复合磁芯测量原理电流互感器的试验分析调查测算照片特点分析结论1、制作基于复合磁芯测量原理电流互感器，并进行试验。2、市场上复合磁芯测量原理电流互感器单台价格为：400元左右。优点：误差能满足设定目标要求。缺点：无现成磁芯配置，需要确定磁芯材料及配比。造价适中、与传统互感器工作方式一致，更具有价格优势试验时间：2012年1月5日 责任人：李欣通过对三种原理电流互感器调查对比分析后，我们发现基于复合磁芯测量原理电流互感器在价格与实际工作使用中具有优势，为此我们选择此案做为可行方案。（三）互感器复合磁芯材料选择试验分析目前电流互感器的磁芯材料主要有三种：冷轧硅钢片、坡莫合金和非晶及超微晶(纳米晶)软磁合金。由于硅钢片主要用来制造0.5级电流互感器磁芯，对小组设定目标在全波正弦电流环境下的计量误差不超过0.2%无法满足，故不予采用。因此小组通过试验分析来优化选择复合磁芯材料。互感器复合磁芯材料选择方案选择铁基非晶与超微晶作为互感器复合磁芯材料选择铁基非晶与坡莫合金（IJ85）作为互感器复合磁芯材料1研制铁基非晶与超微晶作为互感器复合磁芯材料的试验分析试验测算特点分析结论1、制作铁基非晶与超微晶作为互感器复合磁芯材料，并进行试验。2、市场上铁基非晶单价为：10元/千克。3、市场上超微晶单价为：250元/千克。4、一台互感器磁芯重量为1.1千克；若按铁基非晶与超微晶材料配比各50%；一台互感器价格为：0.55*10+0.55*250=130.5元优点：能满足准确度要求、制作成本低。缺点：外形尺寸比传统互感器稍大准确度高、造价低，适宜批量生产。试验时间：2012年1月4日 责任人：李欣2研制铁基非晶与坡莫合金（IJ85）作为互感器复合磁芯材料的试验分析试验测算特点分析结论1、制作铁基非晶与坡莫合金（IJ85）作为互感器复合磁芯材料直流电流互感器，并进行试验。2、市场上铁基非晶单价：10元/千克。3、市场上坡莫合金（IJ85）单价：350元/千克。4、一台互感器磁芯重量为1.1千克；若按铁基非晶与坡莫合金（IJ85）材料配比各50%；一台互感器价格为：0.55*10+0.55*350=180.5元优点：能满足准确度要求。缺点：制作成本高同性能下质量更重准确度能满足要求，同尺寸和性能下质量更重，互感器整体造价较高。试验时间：2012年1月5日 责任人：李欣 通过试验分析，我们选定的复合磁芯材料为铁基非晶与超微晶按一定比例组合而成，接下来我们的工作就是要确定复合磁芯中铁基非晶与超微晶要如何配比才能满足小组设定的目标要求。（四）铁基非晶与超微晶配比试验分析复合磁芯为封闭的圆环形，由内、外直径相近的铁基非晶磁芯和超微晶磁芯并列组合构成。设计圆环形铁基非晶磁芯和超微晶磁芯各自的厚度来调节复合磁芯的配置比例。小组成员通过正交试验来分析铁基非晶与超微晶的厚度。依据Q/GDW572-2010 计量用低压电流互感器技术规范中规定的厚度最大可取70mm的规定，小组首先分别选取铁基非晶厚度位级1为20mm，位级2为35mm，超微晶厚度位级为1为20mm，位级2为35mm来进行正交试验，考察指标：半波直流下的最大误差（%）；全波正弦交流下的最大误差（%）。试验计划试验结果因素列号试验号铁基非晶厚度A超微晶厚度B半波直流下的最大误差绝对值（%）全波正弦交流下的最大误差绝对值（%）1211(20mm）1(20mm）240.4522(35mm)12.18（合格）0.39312(35mm)220.08（合格）4222.24（合格）0.07（合格）由试验结果可以看出当铁基非晶与超微晶都选择位级2（35mm）时可以满足目标要求。但为了结约成本，小组成员再一次选择正交试验来优化。这次小组分别选取铁基非晶厚度位级1为25mm，位级2为30mm，超微晶厚度位级为1为25mm，位级2为30mm来进行正交试验。试验计划试验结果因素列号试验号铁基非晶厚度A超微晶厚度B半波直流下的最大误差绝对值（%）全波正弦交流下的最大误差绝对值（%）1211(25mm）1(25mm）7.50.16（合格）22(30mm)12.45（合格）0.15（合格）312(30mm)7.30.10（合格）4222.54（合格）0.11（合格）由正交试验结果可以看出当铁基非晶选择位级2（30mm）、超微晶选择位级1时（25mm）可以满足目标要求。为了进一步节约成本，小组选取铁基非晶厚度位级1为28mm，位级2为29mm，超微晶厚度位级为1为23mm，位级2为24mm来进行正交试验。试验计划试验结果因素列号试验号铁基非晶厚度A超微晶厚度B半波直流下的最大误差绝对值（%）全波正弦交流下的最大误差绝对值（%）1211(28mm）1(23mm）3.520.2222(29mm)12.87（合格）0.21312(24mm)3.280.18（合格）4222.88（合格）0.18（合格）由正交试验结果可以看出当铁基非晶选择位级2（29mm）、超微晶选择位级2时（24mm）可以满足目标要求。但两者结果与目标值相当接近，由于后期浇铸成型过程会对误差结果有一定影响，综合考虑还是选取铁基非晶厚度为30mm，超微晶厚度为25mm。（五）外委加工厂家优化确定了电流互感器内部复合磁芯材料与配置比例后，由于互感器的生产需要专业的技术与设备，小组不具备相关条件，因此选择外委专业互感器生产厂家来生产。为了保证选择的厂家最优，小组通过公开招标的形式来对厂家进行优化。投标厂家生产资质生产条件销售业绩产品质量型式报告最终报价总分郑州三晖55443324萍乡宣风55444527江西赣电54334423 通过终合打分，最终选择萍乡市宣风电器有限公司作为外委加工厂家。（六）确定最佳方案根据以上一系列的试验和比对分析后，小组人员最终确定了低压抗直流电流互感器研制的最佳方案。低压抗半波直流电流互感器基于复合磁芯测量原理的电流互感器复合磁芯材料为铁基非晶与超微晶材料铁基非晶与超微晶厚度分别为30mm与25mm外委生产厂家为萍乡宣风电器有限公司六、 制定对策：根据确定的最佳方案，我们制定了以下对策：序号对策目标措施责任人完成时间1选择工作原理为复合磁芯测量原理1、与传统互感器外形尺寸相当，二次回路改动不大。2、成品价格适当，便于批量生产。通过调查分析三种测量原理的各优缺点及成品价格选择测量原理李东江李欣2012年1月2选择铁基非晶与超微晶混合配置作为复合磁芯材料误差能满足课题目标、价格合适。通过调查分析目前磁芯材料性能及优缺点来选择复合磁芯材料靳绍平聂方明2012年2月3确定铁基非晶厚度为30mm，超微晶厚度为25mm误差不超过课题目标、材料更省，价值更高通过正交试验分析多种比例铁基非晶与超微晶配置下误差情况，考虑经济性条件下选定配置比例刘见王浔2012年5月4选定外委生产厂家为萍乡宣风成品误差满足课题要求、产品质量可靠，价格相对便宜通过设定条件公开招标，综合比较选定外委生产厂家靳绍平李东江2012年7月七、 对策实施：1、 选择工作原理为复合磁芯测量原理对策实施前对策实施后传统低压电流互感器基于复合磁芯测量原理电流互感器两者外形尺寸基本相同，二次回路无任何改动，制造工艺与传统低压电流互感器相似，便于批量生产，且复合磁芯原理电流互感器约400元/台，价格适当。2、选择铁基非晶与超微晶混合配置作为复合磁芯材料对策实施前对策实施后0.2S级传统低压电流互感器磁芯材料为超微晶。铁基非晶与超微晶混合配置的复合磁芯传统电流互感器磁芯能保证其在全波正弦交流环境下的计量误差，在半波直流条件下误差很大，无法正常计量，而用铁基非晶与超微晶组成的复合磁芯能满足互感器在半波直流与全波正弦交流环境下的计量误差。3、确定铁基非晶厚度为30mm，超微晶厚度为25mm对策实施前对策实施后超微晶铁基非晶0.2S级传统低压电流互感器磁芯厚度不超过70mm，上图中74mm减去外壁厚度4mm。复合磁芯中铁基非晶厚度为30mm，超微晶的厚度为25mm。通过正交试验逐步优化，最终确定复合磁芯中铁基非晶厚度为30mm，超微晶的厚度为25mm，这样的配比既能满足目标设定的误差要求，也更结省材料，具有较佳的经济性。4、选定外委生产厂家为萍乡市宣风电器有限公司对策实施中对策实施后通过公开招标方式来选择外委生产厂家参加招标的厂家有郑州三晖、萍乡宣风及江西赣电三家公司选定萍乡宣风电器有限公司作为外委生产厂家后，生产出的成品。生产出的成品经国家互感器最权威机构国家高电压计量站检测后，误差满足设定目标要求。国家高电压计量站对成品抗半波直流性能进行测试，以下为测试结果（图7、图8）：图7 国家高电压计量站对成品检测的试验报告图8 国家高电压计量站对成品检测的试验报告结果由测试报告可以看出抗半波直流电流互感器在半波直流环境下最大误差为-2.06%，小于预设目标3%。全波正弦交流条件下计量误差试验由小组所在江西省电力科学研究院自行测试