零磁通电流互感器的研究

1、第1 l 卷第4 期 1 9 9 9 年 l O 月 电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报 pr o c e e d i n g s o f t he EPS A 0 、 零磁通电流互感器的研 究 ， V 艾欣 郝 玉 山 ( 华北 电 北京1 0 0 0 8 5 摘 杨以涵 窒窒竖 *东北 电力学 院吉林1 3 2 0 1 2 ) 弋 b 本文 分析 丁零 磁 通电 流互 感器 的控 制 原 理 ， 建 立 了数 学 模 型并 进 行 了相 应 分析 ， 对 零 磁 通 电流 互感器 的铁心 、 绕 组 的结构 及 白适 应 电子 补偿 电路 进 行 了分析 和 研究 关 键 词 电

2、鎏 三 壁 墨 至 有 源 补 偿控 制 辞I f 薯 8 1 前言 奄 对测量 用或仪 用电流互感器 的研 究 已有 较早的历 史了 以往 国内外学者 都 对提高 电流 互感器的测量准确度进行 了很多 富有成果 的研究 和探 索 ， 提 出 了多 种有补 偿 的或没 有补偿 的方案， 其中有些已在实际中广泛应用 ， 由于电流互感器的用途非常之广泛 不同场台对其 蛀能要求的重点也各不相同 ， 比如 ， 有的要求频带 要宽 ， 有 的要 求带负 载能力要强 ， 但对 电流 互感器 的精度要求是普遍 的 ， 所 以对 提高 电流互感器 的精 度研 究是 一项 十分有 生命力 的课 题 。 电流互感

3、器在变压 器短路试 验 中的应用就是 一个 典型 的例子 。 变压 器的 电抗远大于 其 电阻 ， 理想 的变 压器应 为纯 电抗 ， 所 以变 压器短路试验 中的功率 因数非 常低 ， 这 对测量 用电流互感 器的精度提 出了较特殊 的要 求 ， 即对其使用 的电 流互感器的相 位差要求很高 。 如图 1所示为变压器短路试 验 的等值电路 ， 理论上其短路损耗为 A Px UI e o s q ， 假设 电压 u 可以准确测量 ， 而电流的测量值 带有误差 t 即 ( 1+ f ) I c o s G o + d ) ， 式中 _厂和 d分 别为 电流 的测量 值 的 比值差和相 位差， 则

4、短路损耗的误差为 U 图 1 变 压 器短 路 实验 原 理 图 f一 ( 】 - Ff )一c o s c o _ _s 8- s i n o s i n8 一 ( 1+ _厂) ( c o s 一 g P s i n S ) 在式 中尽管 _ 厂和 d较小 ， 从 而 c o s 8 1 ， s i n 8很小 ， 但在 c P 很小 ， P一 9 0时 ， t g P o o， 从 而 使得 t g s i n $及 很大 。 例如 ： c o s 一0 O 1时 ， 8 差 0 1分 ( 1分等 于 1 6 0度 ) ， 则 要差 0 3 ； d差 1分 ， 则 f要差 3 ； d差

5、1 0分则 f要差 3 0 。 车文1 9 9 8 年t i ff1 8 丑收到 l e _ 苦 v 维普资讯 1 9 9 9年 第 4期 零磁 通 电流 互感 器 的研 究 3 1 文献 1 最早提 出双极零磁 通 电流互感器 的方 案并说 明其基本原理 ， 它是手动 调解 的， 但为后人研究高精度 互感器开辟 了一条新 途径 ； 文献 2 3 3 3提 出了采 用 电子反 馈 电路进 行 自动补偿 的方法 ， 文献 2 还 提 出了两极铁 心嵌套 安装 的方 法 ， 以解 决磁 屏蔽 的问题 ， 但 从 其检测和补偿 方式来看 其控制 目标 达不 到零 磁通 ； 文 献 4 3 5 6 介

6、绍 了他们研 制 的基 于 零磁通的 自动补偿的电流互感器， 取得了较满意的效果， 本文通过对其等值电路进行建模分 析 ， 从理论上船释 了零磁通 控制 的原 理 ； 文献 7 3 8 3 9 3将 有 源补偿 电流互感 器发展到 采用 可开 口铁心或手持钳式以方便检测， 但其补偿方式与文献 2 3 等有 同样问题。 本文在前人已取得 的研究成果 的基础 上 ， 通过对零磁 通 电流 互感器进行建模 分析 ， 从理 论上 阐述 了控制规律 ， 提 出了一种新 的实现零磁通 的方 法 。 2 模 型及 控 制原 理 图 2给 出了一种双极 零磁 通 电流互 感 器 的原 理 图， 它的两个铁心

7、c1称工作铁 心， C2称检测或辅 助铁心 ， 一 次绕组 Np和二次绕组 Ns同时绕在 两个 铁心上 ， 检测 绕 组 Nd绕 在铁 心 C 2 上 ， 补偿绕组 Nc 绕在 铁心 c 】上 。 二次 绕组 的负载 Z 6 包括二次仪表阻抗 和二次绕组 漏抗 ， 为 补 偿绕组 的漏 抗 ， 检测绕组接 内阻很 大相 当于开 路 的指 零 仪( 指针式 电压表) ， 补偿绕组接一交流电源 ， 若采 用手动调 节 时， 其 幅值和 相 位均 可 调 ， 若 采用 自动 调 节 时， 为 一电压控制 电压 源( VC VS) ， 其控 制信 号为 检测 绕 组的感 应 电势 。 f I t p

8、H p f ci L 一 _ j 固阜 图 2双 极零 磁 通 电流 互 感器 的 原 理 图 假设 一次 电流为恒 流源 ， 保持一定值 ， 调整 电源 E 的大小 可 以看到二次 电源 的大 小 随之改变 ， 这是 因为 J q至 补偿绕组 及铁心 c1中产 生补偿磁 势 的结 果 ， 当指零 仪 为零 时 ， 铁 心 C2中为零磁通 ， I p Np+ = 0 ， 此 时互感 器为零误 差 ， 补偿绕 组的作用只是补 偿铁心 c1的激磁磁势 ， 使二次绕组有 电流 ， 所 以交流 电源 的 幅值 不 用很 大 ， 二 次绕组 的 电流对 其调船 反应 很灵敏 。 在 图 2中， 假定各

9、电流中均不 含谐 波 ， 根据磁路 的安 培环 路定律 可以分别得到两 个铁 心 的磁势方程 如下 铁 心 C1 N 一 N, I + N, I 一 ， L】 ( 1 ) 铁 心 C2 ，+ = N I 。 ( 2 ) 其 中 Np和 ， J v 和 J ， 和 分别为 一次、 二 次及补偿 绕组 的匝数和 电流， ， 。 ， ， 分别为 两个 铁心归算到二次侧 的激磁 电流 。 根据 法拉第 电磁感应定律 和 KVL可 以分别得 到二次 回路及 补偿 回路 的电势方程 ( 检测 回路视 为开路 )如下 二次 回路 E 十 z = 0 ( 3 ) ， 补偿 回路 E E + Lz = 0 (

10、4 ) J c 其 中： E = ：j 0 】 Z 1+ J Zm ( 5 ) 维普资讯 3 2 电 力 系 统 及 其自 动 化 学 报 1 9 9 9年 第 4期 巨一 l o l Zm ( 6 ) 巨一 KI Z2 ( 7 ) E s 为二次绕组 从两个 铁心 激磁 中感 应 的电势 ： z m、 z z 分别 为归算 N-次侧 的两个铁 心的 激磁 阻抗 ， 它们是 非线性 的 ； Ec为补偿绕 组从 铁心 C1激磁中感应 的电势 ； Ee为补偿 绕组的 控制电势， 其控制输入量为检测绕组从铁心 C 2 激磁中感应的电势 J z ： ， K 为复数 ， 是电子 反馈 电路的放大倍数 将

11、 ( 5 ) 、 ( 6 ) 、 ( 7 )代人 ( 3 ) 、 ( 4 )中 ， 并 假设所有 参数均 已归算到 二次侧 ， 由( 1 ) 、 ( 2 ) 、 ( 3 ) 、 ( 4 )式得 这种零磁 通 电流 互感器 的数学模 型 为 f + l + l 一 l L + I 。 z l o l ZM l+ l o 2 Zm+ f Z6 0 l o l Z f l KI 口 2 Zm+ I , Z 一 0 求 解 ( 8 ) 、 ( 9 ) 、 ( 1 0 ) 、 ( 1 1 ) 式 得 乏 ： 宝一 一 (1 一 万 ) 一 一 ( 1 一 ) 其 中： 1 ) zm + Z ( 。 Z

12、f 互) ( 8 ) ( 9 ) ( 1 O ) ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) 一 南 一 面 丽 为这种零磁通电流互感器的误差。 由此可见， 采用 自动补偿的零磁通电流互感器其误差的 分母 上增加 了 KZ ： 项 ， 当放 大倍数 K 很大 时 ， 一 0 。 3 反馈补偿电路的控制 原理 反馈补偿 电路 由检测 、 放大和补偿 三个模块组成 。 3 1检测模块 检测模块的作用是为了检测出电流互感器二次侧与一次侧电流的误差量， 这个误差量 就是在铁心 C2中产 生磁通 的激磁 电流 ， 绕在铁 心 C 2上 的检测绕组 上的感应电势 与这个激 磁 电 流成 正 比 ， 若

13、 电流互 感器 只有 一个铁 心 C2 ， 当一 次电流一 定时 ， 它要在铁 心 C 2中产生磁通 ， 根据 电磁感应定 律 ， 在 同绕在这 个铁心上的二次绕组 上产生感应 电势 ， 并在 闭合的二 次绕组 内产 生 感应 电流 ， 这个 电流又要在 二次 绕组 上产生 电势并在铁 心 C2中产生去磁磁通 ， 由于二 次 绕组要带测量仪 表和绕组 漏抗等负 载 ， 所 以在铁 心 C 2中的合成磁通不能 为零 若电流互感 器再加一个铁心C 1 ， 通过外加电源补偿一个磁势并能够承担二次负载， 则在铁心 C 2中的合 成磁通就 可以为零 ， 铁心 C2不再需 要激 磁 电流 ， 一 次和 二

14、次达到磁 势平衡 ， J + o ， 电流互感 器就没有误差 了， 铁心 C2的作 用只是检测这一磁 势平衡 。 3 2放大模块 由检测模块得到 的误 差量 ， 即检 测绕组 上的感应 电势是 很小 的， 它本身 没有带 载能力 ， + t + 互 墨 卜 T 一 = A f 维普资讯 1 g 9 9年第 4期 零磁 通 电流 互感 器 的研究 3 3 需要另外补充能量将其 放大才能带动一定 的负载 ， 这就是有源放 大电路的作用 通 过放大 电路的 幅值及功率放 大 可以得到 一个 与输人成 正 比电压 ， 同时还 要考虑 放大 模块具有相位 超前校正的功能 ， 放大倍 数应在保证 电路稳定

15、 工作 的前提下越大越好 ， 根据这 些要求设计的电子电路如图 3 所示 6 ， 其中各元件的参数要根据电流互感器的容量大小及 参数配置进行调试 。 3 3补偿模块 根据磁势补偿的原理 ， 放大 电路 输 出的 电势在补偿 回路 中产生 补偿 电流 ， 并通过 补 偿绕组在 铁 心 C1中产生 补偿磁 势 ， 选 择 补 偿绕组的正确极性 ， 如果 一次 电流 太于二次 电流 ( 归 算 值 ) ， 则 产生 正 磁 势 增大 二 次 电 d 流； 如果一次电流小于二次 电流 ( 归算值) ， 则产生负磁势减Z b：- 次 电流 ， 从而 保证一次 和二次 电流产生 的磁 势始终保持 平衡 ，

16、 铁 心 C2的磁通 为零 ， 二次 电流及 其 负载 全 部 由 铁心 C1及补偿绕组上靠外加 电源产生 的磁 势承担 4 结 构 +l 5u c 3 十l 5u 国 3放 大 电路 原理 图 c 2 铁心和绕组是电磁式 电流互 感器 的主要元 件， 其 它还有 绝缘 、 屏蔽 及外壳等 。 其外形结 构有铁心不 开 口和铁 心可 开 口两种 ， 铁心可开 口是为 了测 量方便 ， 不用 开 断一次被 测线路 ， 但如果测量时铁心闭合不严 ， 会增大测 量误差 ， 特别是对互感 器 的相位 差 ( 角差)不 利 ， 如果 铁心 问有 0 - 2 5 mm 厚 的缝 隙 ， 则角 差大 约会

17、增大万分之 一， 而 幅值差 ( 比差)很 小可忽略不 计E z 3 。 4 1 铁心 零磁通 电流互感器一般 由检测铁 心 C2和工 作铁 心 C1 两个铁 心， 称双极 电流互感器 。 铁 心一般用相对导磁率在 4 5 1 o 的高导磁材料制 成 ， 有源补偿 的电流互感器可 以适 当减 小铁心 的体积 铁心的结 构布 置可 以有 图 4 所示的三种形式 ， 图4 ( a ) 是两铁心叠靠在一起 的 结 构 ， 特点是结 构简单 制造方便 但检 测铁心 C 2需 要有 良好 的屏 蔽措 施 ， 困其 正常对工作 在零磁通状态 ， 易受外磁场 的干扰 ； 图 4 ( b ) 是将 铁心 c1

18、分成两部分并将铁 心 ( 2夹在 当中， 这对 其可起到 部分 磁屏 蔽的作用 ： 图 4 ( c ) 是 嵌套 型结构 铁 心 c 1 分 成四部分 并将 铁心 C 2包 围在其 中 ， 铁 心C2 得到较好的磁屏蔽但结构 较复 杂 ， 对制 造工艺要求较高 4 2 绕 组 根据前 述 零磁 通 电流 互感 器 的原理 ， 检 测绕 组 Nd绕在检测铁心 C2上 聿 偿 绕组 - , r c 绕在工作 铁心 上 ， 一 次绕组 Np和 二次绕组 同时绕在 圉 圈 豳 圈 ( ) ( b ( c ) 图 4铁 心 断面 圈 维普资讯 3 4 电 力 系 统 丑 其 自 动 化 学 报 1 9

19、9 9年第 4期 两个 铁 心 上 。 按照这种方式绕线对 图 4 ( a ) 、 ( b ) 容易做到 ， 但对 图 4 ( c ) 嵌套型结 构来 说有个 问题是补 偿 绕组绕在位于外侧的铁心 C1 上时 ， 同时也相 当于绕在位于 内侧 的检 测铁 心 C2上 了 ， 这样 是 与零磁通原理不符的 。 解 决的 办法是在 内侧的检浸 铁 心CZ上再绕一个补偿 绕组 Nc ， 可称 辅 助 补偿 绕组 ， 并反 极性与绕 在外侧 的补偿绕组 串接 ， 这样 补偿绕组 就 只能 在外侧 的铁 心 C1上产生 补偿 磁势， 而在 内侧 的检测铁 心 C2上 的合成磁势始终 为零 ， 即补偿 绕

20、组对检 测铁 心 C2不起作用 ， 这是符 合零磁通原理的 。 图 4 ( c )嵌套型结构零磁 通 电流互感器的工作 原理可以从 铁心的 断面 图， 用集 合的思想 来 解释 ， C2 相 当于是 C1 的一个 子集 ， 当c2 是零 磁通 时C1 不一定是零磁通 。 采 用这 种结构 时 要 注意 屏蔽 或外侧铁心 都不要对 内侧 的铁心 形成 短路 匝 绕组 的 匝数 不要 太多 ， 一般少 于 1 0 0 0匝时可 以不考虑容性误差 ， 磁性误差可 以由有源补偿 来解决 。 5 小 结 零磁通 电流互 感器 的精 度可 以达到 十万分之一甚至更高 ， 由于其 采用 自动补偿 的方式 ，

21、 放大倍数越大 ， 补偿效果越好 ， 误差也越小 ， 其频带 及带 载能力等 指标 也很好 ， 也 可相对 减小 铁心及互感器 的体积 ， 降低 对材料的使用成本。 采用嵌套形的铁心结构 可以很好地解决 铁心 的屏蔽 问题 ， 有了检测铁心 上的辅助补偿 绕组 ， 可 以使采用这种结构的检测 铁心真 正能够起 到检测零磁 通的作 用。 参考文蘸 1 A Ho b s o n The ze f o F1 u x Cu r r e n t Tr a n s f o r me r AI EE A u g ， 1 9 5 3， 6 O 8 6 1 5 2 P N Mi l j a n i c C u

22、r r e n t T r a n s f o r me r wi t h I n t e r n a l E r r o r C o mp e n s a t i o n US P a t e n t ， o c t 1 3 ， 1 9 7 0 3 5 3 4 2 4 7 3 T、 M 、 S o u d e r s W i d e- Ba n d Two S t a g eCu r r e n t Tr a n s f o rme r s o fHi g h Ac c u r a c y I EEE Tr a n s I ns t r um Me 聃， 1 9 7 2 ， 2 1： 3 4

23、 O 3 4 5 4 辽 宁省 计量 测试 所 精 密仪 用 电流互感 器 的研制 哈尔滨 电测与 仪表 ， 1 9 8 0 ( 2 ) 5 刘庆余- 电流互感器的补偿方法及电流比较仪在电流互感器校验中的应用 哈尔滨 电测与仪表 ， 1 9 8 1 ( 8 ) 6邸春 程 高精 度弱 电流互 感 器的研 制 哈尔 滨 ： 电测与仪 表 ， 1 9 8 4 ( 5 ) 7 E d d y S o ， e t a 1 H i g h -C u r r e n t H g h P r e c i s i o n O p e n a b l e -C o r e AC a n d AC D C C e

24、 n t Tr a n s f 0 r 工 r I e r s l I EEE Tr a ns 、 ns t r u m Me a s ， 1 9 9 3 ， 4 8： 5 7 1 5 7 6 8】 - D Ra mb o z 、A Hi g h l yAc c u r a t e， Ha n d He l dChmp-On Cu r r e n tTr a ns f o r me r I EEE I r a n s I n s t r u m M e a $ 、，1 9 9 6， 4 5： 4 4 5 4 4 8 9 Ed dy S o-A Lo w-Cu r r e n t M u l t

25、 i s t a g e Cla mp - On Cu r r e n t Tr a n s f o r me r wi t h Ra t i o B e l o w 5 0 1 0 I c EET f a n s I t s t r u m & Me 砧。 ， 1 9 9 7 ， 4 6 ： 4 8 4 4 5 8 维普资讯 1 9 9 9年 第 4期 零 磁通 电流互 感 器的 研究 3 5 THE S TUDY 0N ZER0 一 FLUX CURRENT TRANS F0RM ER Ai Xi n Ha o Yu s h a n Ya n g Yi h a n S o n g J i

26、a h u a ( NCEPU ，Be i j i n g，1 0 0 0 8 5 *NECEPI ，j i li n，1 3 2 01 2 ) ABSn ACT Th e c o n t r o l p r i n c L p l e o f z e r o f l u x c u r r e n t t r a n s f o r me r a ev a s a n a l y z e d n t h i s p a p e r The ma t h e ma t i c s mo d e 1 wa s b u i l t a n d a n a l y z e d，Th e s t r

27、u c t u r e o f c O D e a n d wi n d i n g，a da pt i z e c o m p e n s a t o n e l e c t r o n i c c i r c u i t we r e a n a l y z e d a n d r e s e a r c h e d Ke y W o r d s Cu r r e n t t r a ns f o r me r ，Z e r o - f l u xAc t i v e c o mp e ns a t i o n ，C0 nt r o 1 上接第2 4 页 POW ER SYS TEM LOAD FOR ECAS TI NG BAS ED ON TH E FRA