0.1级超微晶微型电流互感器的研究

李春来，汤晓宇，罗坤明

(河源职业技术学院电子与信息工程系，广东河源 517000；2.广东雅达电子股份有限公司，广东河源 517000)



0.1级超微晶微型电流互感器的研究

李春来1，汤晓宇2，罗坤明1

(河源职业技术学院电子与信息工程系，广东河源 517000；2.广东雅达电子股份有限公司，广东河源 517000)

研发高精度微型电流互感器(TA)是目前电力仪器仪表行业共同关注的课题。选用高磁导率低矫顽力的超微晶材料做铁心，采用单匝穿心式单铁心结构设计微型电流互感器，测试数据表明，测量精度达到0.1级。可见选择好的铁心材料，优化结构，减小励磁电流，减少测量误差，在结构简单、成本不高的条件下设计出满足计量精度的微型电流互感器。

电流互感器；单铁心结构；传变特性；比差；角差

0 引言

电流互感器(TA)是电力仪器仪表最前端的取样器件，其性能直接影响电力仪器仪表的测量精度。电流互感器运行时，一次侧电流不能全部转换为二次电流，其中一小部分将作为励磁，用于产生铁心中的磁通，励磁电流不仅在电流互感器铁心中产生磁通，还产生涡流损失和磁滞损失等铁心损耗，这种自身结构特点决定了电流互感器存在电流误差和相位误差[1]。电流互感器误差主要是由励磁电流引起的，尽可能减小励磁电流造成电流互感器的测量误差已成为提高电流互感器精度的主要途径。根据文献[2]，依据铁心性能所测数据，目前国内超微晶铁心在匝数足够的前提下可以满足制作0.1级单铁心结构精密电流互感器的需要。因此选用高磁导率低矫顽力价格适中的超微晶材料做铁心，采用单匝穿心式单铁心结构设计微型电流互感器，测量精度大大提高，基本达到电流互感器0.1级的精度(比差：≤±0.1%；角差：≤±5′)[3]。

1 电流互感器传变特性的误差分析

电流互感器传变特性用角差f与比差δ衡量的，根据文献[4]有

(1)

(2)

式中：I1为一次电流；I0为励磁电流；φ为由励磁安匝数I0N1在铁心中建立起的磁通；U2为二次的感应电压；I0N1为励磁安匝数；I2N2为二次安匝数；θ为I0N1与φ之间的夹角；φ2为I2N2与U2之间的夹角。

由式(1)、式(2)可以看出，电流互感器误差主要是由励磁电流造成的，减小励磁电流，就减小误差。若无励磁电流就没有误差，但消除励磁电流是不可能的，没有励磁电流就没有磁通，电流互感器就不能正确传变。

2 微型电流互感器的设计

根据上述原理，设计制作了单匝穿心式单铁心结构超微晶微型电流互感器CT04-5A/2.5 mA，质量7 g。本项目选用高磁导率低矫顽力价格适中的超微晶材料做铁心，铁心尺寸为9.5 mm×13 mm×5 mm，超微晶规格为：批次1 K107、铁心叠片厚度0.03 mm、密度d=7.20 g/cm3、最大磁导率μm=200 K、矫玩力HC=0.64 A/m；导线规格为Φ0.08 mm，为了测量mA级电流，次级匝数设计为2 000 T，直流电阻为150 Ω；塑料外壳：内径4.7 mm、外型尺寸21 mm×18.5 mm×10.3 mm；采用环氧树脂封装。

3 微型电流互感器试验与数据分析

3.1 试验条件

设备厂家/型号/名称：沈阳中川/HESE/互感器校验装置一套，精度为0.005级[5]，测试环境22 ℃，35%RH。为了定量分析超微晶微型电流互感器的传变特性，超微晶微型电流互感器CT04-5A/2.5 mA与普通硅钢片铁心微型电流互感器CT12-5A/2.5 mA各抽样5个，进行测试。

3.2 试验方案

试验线路见图2。

图2 试验线路图

电流互感器校验装置输出电流线穿过互感器一次孔形成闭环(L-X、5A-5A)；电流互感器输出端K1、K2分别接到互感器校验装置的K1、K2端(注意电流互感器的同名端)；在电流互感器一次侧依次施加(0.25 A、1 A、2.5 A、5 A、6 A)标准正弦波电流信号，测量电流互感器的传变特性，负载为20 Ω，采集CT04与 CT12各5个样品的比差、角差数据，各取1个样品的数据来分析，试验数据详见表1。

表1 CT04与CT12电流互感器的比差和角差

3.3 试验数据及分析

选取1个CT04与CT12样品的测试数据，见表1，根据表1绘制比差和角差曲线如图3、图4所示。

图3 CT04与CT12电流互感器比差曲线

图4 CT04与CT12电流互感器角差曲线

根据表1、图3、图4可以得知：

(1) CT04电流互感器比差随着一次电流的增大由正值变为负值，最大比差值为0.084%，达到0.05级电流互感器比差误差限值；CT12电流互感器最大比差值为-1.13%，达到0.5级电流互感器比差误差限值；

(2)电流互感器角差均为正值，二次电流相量均超前一次电流相量，随着一次电流的增大由大逐渐变小；CT04电流互感器的最大角差值为15′，接近0.1级电流互感器角差误差限值，额定电流20%、50%角差偏差点可以通过电路补偿方式进行补偿解决；CT12电流互感器最大角差值为120′，接近0.5级电流互感器角差误差限值；

(3)从测试数据与曲线图可以看出，采用超微晶铁心的电流互感器测量精度大大提高，基本达到电流互感器0.1级的精度(比差：≤±0.1%；角差：≤±5′)。

4 微型电流互感器带负载能力测试

通过带负载能力测试(负载分别为0 Ω、20 Ω、50 Ω)，CT04电流互感器在不同负载条件下比差和角差测试数据如表2所示，根据表2绘制CT04在不同负载下的误差曲线，比差曲线如图5、角差曲线如图6所示。

表2 CT04电流互感器在不同负载条件下的比差和角差

图5 CT04电流互感器在不同负载条件下的比差曲线

图6 CT04电流互感器在不同负载条件下的角差曲线

由表2、图5、图6可以得知：(1)负载为0Ω、20Ω、50Ω时，最大比差分别是0.086%、0.084%、0.079%，比差曲线随着负载的增大向负值方向偏移，未超出0.1级电流互感器比差误差限值；(2)负载为0Ω、20Ω、50Ω时，角差均为正值，二次电流相量均超前一次电流相量，最大角差分别为12.5′、15′、18.2′，角差曲线随着负载的增大向上偏移；(3)带负载能力测试结论：CT04电流互感器传变特性曲线线性较好，带负载能力较强。

5 结论

选用高磁导率低矫顽力价格适中的超微晶材料做铁心，采用单匝穿心式单铁心结构设计微型电流互感器，测量精度大大提高，基本达到电流互感器0.1级的精度。可见选择好的铁心材料，优化结构，尽可能减小励磁电流，减少测量误差，在结构简单、成本不高的条件下能设计满足计量精度的微型电流互感器。

[1] 袁金晶,孙国菊,朱德省，等.电流互感器饱和特性分析及其补偿.电测与仪表,2012,49(10):165-169.

[2] 郭来祥,张和飞.根据铁心测量数据预判互感器精度指标的研究.北京微特测试技术研究所,2009(6).

[3] 中国电器工业协会,全国互感器标准化技术委员会.GB1208-2006电流互感器.北京:中国标准出版社,2006.

[4] 陈黎来.电流互感器对电能计量的影响.电力自动化设备,2011,31(1):138-141.

[5] 李春来,汤晓宇,黄业安.高精度微磁通电流互感器的研究.电测与仪表,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

广东省科技厅高新技术产业化基金资助项目(2013B010101016)；河源市科技计划基金资助项目(河科(2014)73号)

2015-02-13 收修改稿日期:2015-05-02

TM452

A

1002-1841(2015)07-0052-02

李春来(1968—)，副教授，主要研究方向为电力传感器及应用电子技术。E-mail:shixiajun@126.com 汤晓宇(1971—)，男，工程师，主要从事电力仪器仪表的研究开发工作。