開合式電流互感器的分析及改進(jìn)

蔣大維
江陰市星火電子科技有限公司

1、開合式電流互感器的結(jié)構(gòu)及作用

開合式電流互感器顧名思義就是可以在一次側(cè)線路（被測(cè)電流線路的一側(cè)，通常為電纜或者母牌）上開合的電流互感器，通過感應(yīng)一次線路上的電流大小，從而為二次設(shè)備進(jìn)行測(cè)量或?yàn)槔^電器進(jìn)行保護(hù)。

近年來，我國(guó)的配電網(wǎng)發(fā)展雖取得明顯改善，但城鄉(xiāng)區(qū)域發(fā)展不平衡，用電質(zhì)量有待改善，同時(shí)國(guó)家對(duì)能源管理不斷提出要求，在這樣的大環(huán)境下，我們急需對(duì)以前的電力線路進(jìn)行二次改造，在改造項(xiàng)目上就需要用到電流互感器來對(duì)線路進(jìn)行測(cè)量或者保護(hù)，但是普通的電流互感器是一個(gè)完整封閉的結(jié)構(gòu)，（見圖1）由于這種電流互感器是閉環(huán)結(jié)構(gòu)（見圖2），所以使用時(shí)必須要拆卸一次線路，再者拆卸一次線路，必須要先斷電，如果為了改造而斷上個(gè)幾天甚至半個(gè)月的電，對(duì)一些商場(chǎng)、超市、企業(yè)的損失是非常大的。所以開合式電流互感器就應(yīng)運(yùn)而生了。（見圖3）開合式電流互感器的特點(diǎn)是：電流互感器一次側(cè)為開合式結(jié)構(gòu)，（見圖4）無需拆卸一次線路，亦可帶電操作，不影響客戶使用，從而節(jié)省大量的人力、物力及財(cái)力，而且很大程度上提高了效率。

圖1：星火電子生產(chǎn)的環(huán)氧澆注式電流互感器，一次側(cè)閉合鐵心，無法打開，一次線路必須穿孔。

圖2：普通電流互感器的結(jié)構(gòu)：是由漆包線的繞組和閉合的鐵心組成，由于電流互感器的鐵心是閉環(huán)結(jié)構(gòu)，所以一次側(cè)電纜只能穿心使用。

圖3：星火電子生產(chǎn)的SCT系列開合式電流互感器，一次側(cè)開合式設(shè)計(jì)，即是鐵心經(jīng)過切割后安裝在外殼內(nèi)，左為一次側(cè)閉合狀態(tài)，右為一次側(cè)打開狀態(tài)。使用時(shí)打開上蓋，夾住一次電纜即可。

圖4：開合式電流互感器工作示意圖，鐵心采用開合式設(shè)計(jì)，從而開合式電流互感器可以?shī)A住一次側(cè)線路。

2、開合式電流互感器的技術(shù)參數(shù)

開合式電流互感器的主要技術(shù)參數(shù)如下：

2.1、設(shè)備電壓，設(shè)備的工作電壓決定互感器的絕緣要求，閉合式的電流互感器可以做很高的絕緣，但是開合式電流互感器由于結(jié)構(gòu)的原因，正常只能使用于1KV以下的設(shè)備電壓。當(dāng)然如果一次側(cè)是由有可靠絕緣的電纜結(jié)構(gòu)，那開合式電流互感器就可以使用于中壓，但一般設(shè)備電壓不能超過35KV。

2.2、輸入電流、輸出電流，這個(gè)和普通的閉合式電流互感器一樣，例如：600A/5A，就是把一次側(cè)600A的電流轉(zhuǎn)換為5A的二次電流。

2.3、準(zhǔn)確級(jí)，通俗叫做誤差，是互感器的重要性能參數(shù)，例如0.1、0.2、0.5、0.2S、0.5S，數(shù)值越小，誤差要求越高，（見表1和表2）

當(dāng)然開合式電流互感器由于鐵心經(jīng)過切割，準(zhǔn)確級(jí)要比閉合式的電流互感器要低。

表1 ：GB/T20840.1-2010中規(guī)定測(cè)量用電流互感器的準(zhǔn)確級(jí)的定義

表2：GB/T20840.1-2010中規(guī)定特殊使用的測(cè)量用互感器的準(zhǔn)確級(jí)

2.4、負(fù)荷，互感器二次側(cè)的負(fù)載的視在功率，單位VA，負(fù)荷要求越高，互感器的鐵心越大。

2.5、海拔，一般海拔不超過3KM，否則絕緣性能會(huì)遭到破壞，同時(shí)溫升會(huì)升高，影響互感器使用。

2.6、防護(hù)等級(jí)，由于開合式互感器屬于暴露裝置，故一般IP防護(hù)等級(jí)為IP20，如果要做到很高的防護(hù)等級(jí)，必須經(jīng)過特殊的設(shè)計(jì)及處理。

3、開合式電流互感器的設(shè)計(jì)原理及影響因素分析

電流互感器是一個(gè)電流信號(hào)變換的裝置，是基于電磁感應(yīng)原理而工作的，在電力回路中，將一次側(cè)大電流變換為便于儀表測(cè)量或者繼電器保護(hù)的二次側(cè)小電流信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)二次側(cè)與高壓電網(wǎng)的隔離，保證了二次側(cè)回路及人員的安全。

電流互感器的電磁感應(yīng)原理可以通過等效電路來建立其模型，將二次側(cè)電流折算到一次側(cè)，畫出的等效模型。（見圖5）

圖5，電流互感器的等效電路模型

根據(jù)等效電流可知： I0N1=I1N1+I2N2；——公式1

I0=I1+I2。——公式2

畫出電流互感器的向量圖。（見圖6）

圖6，電流互感器的向量圖。

可知互感器一次電流與二次電流并非嚴(yán)格的等比例關(guān)系，關(guān)鍵在于勵(lì)磁電流I0，勵(lì)磁電流又是互感器工作的主要原因，所以互感器必然是有誤差的。

依據(jù)電流互感器的定義，其比差公式為：

F=(I2-I1)/I1≈-cb/I1=-(I0/I1)sin(α+φ)*100,%；——公式3

相位差公式為：

Δ≈sinΔ=ca/I1=I0/I1cos(α+φ)*3438′；——公式4

其復(fù)合誤差公式為：

ε=F+jΔ= 25.3 Z2L/ N2 ²μSk 。——公式5

式中 L為鐵心的平均磁路長(zhǎng)度，單位 cm；

Z2 為互感器總阻抗，包含負(fù)荷阻抗及繞組阻抗，單位 ?；

μ 為鐵心磁導(dǎo)率，單位 T/Oe；

S為鐵心截面積，單位cm²；

K為鐵心的疊片系數(shù)，根據(jù)不同材質(zhì)的鐵心，其疊片系數(shù)從0.8-0.95之間。

所以影響互感器準(zhǔn)確級(jí)的因素如下：

3.1、平均磁路長(zhǎng)度L對(duì)互感器的誤差的影響

公式5表明，誤差與平均磁路長(zhǎng)度成正比。鐵心的磁路長(zhǎng)度，主要取決于鐵心窗口的面積，而鐵心窗口的大小，必須保證能裝下一次和二次繞組以及它們之間的絕緣。在滿足這個(gè)要求以后，應(yīng)該盡可能的縮小鐵心的窗口面積，縮短鐵心的磁路長(zhǎng)度。很明顯，鐵心的磁路長(zhǎng)度越小，越省鐵心材料，誤差也越小。

3.2、鐵心截面對(duì)互感器誤差的影響

從公式5看到，誤差與鐵心的截面S成反比。一般說來，增加鐵心截面可以減小誤差。但是，實(shí)際上伴隨著鐵心截面的增大，鐵心的平均磁路會(huì)隨著增長(zhǎng)，二次繞組的內(nèi)阻抗也會(huì)增大。所有這些都限制了互感器誤差的減小，甚至在某些情況下，鐵心截面S的增大，反而使誤差增大。

3.3、繞組匝數(shù)對(duì)互感器誤差的影響

根據(jù)公式5，我們可以看到互感器的誤差與互感器二次繞組匝數(shù)的平方成正比，即是增加互感器二次繞組的匝數(shù)能夠大大的減小互感器的誤差。但是隨著二次繞組匝數(shù)的增多，二次繞組的內(nèi)阻抗也隨著增大，會(huì)限制互感器誤差的減小，同時(shí)增加二次繞組的匝數(shù)，用銅量也會(huì)增加，增加了互感器的成本。

3.4、互感器一次電流對(duì)互感器誤差的影響

公式并沒有表明互感器一次電流對(duì)互感器誤差的影響，但是隨著互感器一次電流的增大，互感器鐵心的磁密會(huì)升高，（見圖7）在一定的范圍內(nèi)，鐵心導(dǎo)磁率會(huì)上升，這樣互感器的誤差會(huì)隨著一次電流的升高而減小。（見圖8）

圖7：鐵心初始B-H磁化曲線，隨著一次電流上升，磁導(dǎo)率會(huì)逐漸增大，直至飽和。

圖8，星火電子開合式電流互感器SCT0016，隨著一次電流增大，誤差逐漸變小，直至飽和。

3.5、鐵心材料對(duì)互感器誤差的影響

從公式5看到，鐵心的磁導(dǎo)率越高，互感器的誤差越小，所以選取合適的互感器鐵心是提高互感器誤差的關(guān)鍵，互感器所用的鐵心屬于磁性材料，而磁性材料又有軟磁和硬磁材料之分，軟磁材料容易被磁化和被退磁，退磁所用的矯頑力又很小，而硬磁材料退磁所用的矯頑力很高，這就是兩者較明顯的差別，軟磁材料擁有較高的磁導(dǎo)率和很小的矯頑力，所以互感器鐵心使用軟磁材料。

軟磁材料的總類又有很多，有金屬軟磁和非金屬軟磁，晶態(tài)軟磁和非晶態(tài)軟磁，性能也各不相同，有的磁密高，有的磁導(dǎo)率高，有的頻率特性好，所以軟磁材料不同，性能也有所不同，我們給軟磁大致分類如下。（見圖9）                      圖9，軟磁材料大致分類

4、鐵心材料對(duì)開合式互感器的影響分析

常用的鐵心材料做個(gè)介紹：

4.1、鐵氧體系列：主要分為鎳鋅和錳鋅，鎳鋅磁導(dǎo)率低、但頻率特性好，錳鋅磁導(dǎo)率導(dǎo)率相對(duì)較好，但頻率特性相對(duì)較差，鎳鋅通常使用于高頻電感，錳鋅用作于低頻濾波電感。開關(guān)電源用變壓器通常使用鐵氧體做為磁芯，只是根據(jù)頻率高低而采用不同材質(zhì)的鐵氧體。當(dāng)然鐵氧體由于價(jià)格便宜，容易成型也可以適用于開合式電流互感器，但是由于其導(dǎo)磁率和磁密都不是很高，所以互感器的過載、負(fù)荷及其誤差都不是較佳的狀態(tài)。

4.2、硅鋼片鐵心：硅鋼片是一種合金，在純鐵中加入少量的硅（一般在4.5％以下）形成的鐵硅系合金稱為硅鋼。該類鐵心具有較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值為2T；由于它們具有較好的磁電性能，又易于大批生產(chǎn)，價(jià)格便宜，機(jī)械應(yīng)力影響小等優(yōu)點(diǎn)，在電力電子行業(yè)中獲得極為廣泛的應(yīng)用，特別是在低頻、大功率下適用。所以硅鋼鐵心是現(xiàn)在開合式互感器的主流使用材料。

4.3、坡莫合金：坡莫合金常指鐵鎳系合金，鎳含量在30~90％范圍內(nèi)。是應(yīng)用非常廣泛的軟磁合金。通過適當(dāng)?shù)墓に?，可以有效地控制磁性能，飽和磁感?yīng)強(qiáng)度比硅鋼稍低一些，但磁導(dǎo)率比硅鋼高幾十倍，鐵損也比硅鋼低2~3倍。由于其較高的初始磁導(dǎo)率，所以通常適用于零序電流互感。

4.4、納米晶：納米晶（1K107）是在非晶（1K101）的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，擁有很高的磁導(dǎo)率、較高的磁感應(yīng)強(qiáng)度（1.2T），可以說納米晶是磁性能綜合能力較好的磁性材料，也可以說適用于各項(xiàng)電磁轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品，對(duì)互感器、變壓器、電感、電抗來說都是不錯(cuò)的選擇。它的缺點(diǎn)是物理特性較差，由于鐵心要切割，納米晶的機(jī)械應(yīng)力影響較大，所以目前為止，納米晶的開合式互感器并非主流。

下面我先列出互感器使用常見的磁性材料（見下表3）。

表3：互感器常見磁性材料對(duì)比

所以根據(jù)上表，納米晶是制作普通電流互感器較好的材料，它可以制作準(zhǔn)確級(jí)高同時(shí)有一定負(fù)荷的互感器。但考慮到價(jià)格，納米晶的價(jià)格遠(yuǎn)高于硅鋼，同時(shí)在互感器的工藝處理上要難于硅鋼，所以現(xiàn)在常規(guī)的一次互感器（輸出5A/1A）使用硅鋼鐵心。準(zhǔn)確級(jí)要求很高，則采用納米晶。對(duì)于二次互感器（輸出ma級(jí)電流），由于其準(zhǔn)確級(jí)要求較高，一般采用納米晶制作。對(duì)于準(zhǔn)確級(jí)要求及負(fù)荷要求不高的互感器，考慮到成本，也可以采用錳鋅鐵氧體的磁芯。

但如果是開合式電流互感器，這就要考慮到鐵心切割時(shí)的應(yīng)力，由于納米晶機(jī)械應(yīng)力較差，所以正常切割完，其性能會(huì)明顯下降，磁導(dǎo)率甚至降到比硅鋼鐵心還要低，本來納米晶的特點(diǎn)就是高磁導(dǎo)率，比硅鋼還要低了，那么就不再適用于開合式電流互感器。所以現(xiàn)在多數(shù)開合式電流互感器（輸出5A/1A）使用硅鋼的切割鐵心。對(duì)于準(zhǔn)確級(jí)要求及負(fù)荷要求不高的互感器，考慮到成本，也可以采用錳鋅鐵氧體的磁芯。

綜上所述，開合式電流互感器的鐵心主流還是使用硅鋼的切割鐵心，當(dāng)然，目前很多廠家都在研究納米晶的切割工藝，相信不久就會(huì)有所突破。

5、氣隙對(duì)開合式互感器的影響

那么硅鋼切割的鐵心與常規(guī)未切割的電流互感器相比有哪些變化呢。見圖10。

圖10：氣隙鐵心仿真的磁滯回線。

從圖10當(dāng)中可以看出，鐵心在開了氣隙后，磁性能發(fā)生了明顯的變化，變化點(diǎn)如下：

5.1、氣隙是鐵心磁導(dǎo)率變小

從仿真磁滯回線可以看出，鐵心切割后會(huì)產(chǎn)生明顯的氣隙，從而導(dǎo)致磁導(dǎo)率明顯的下降，可以推斷出，氣隙越大，磁導(dǎo)率越低，所以氣隙會(huì)影響開合式的誤差，這也是開合式電流互感器的準(zhǔn)確級(jí)達(dá)不到普通電流互感器準(zhǔn)確級(jí)的原因。

5.2、氣隙使互感器的線性度變好

從仿真磁滯回線可以看出，增加氣隙后，互感器的B-H曲線斜率變好，從而磁導(dǎo)率不再是隨著電流的增大而增大，變的較為線性，這樣互感器的勵(lì)磁電流會(huì)相對(duì)恒定，從而互感器的誤差不再隨著一次電流的增大而變化，這樣互感器的線性也就會(huì)變好。

5.3、氣隙增強(qiáng)了互感器的負(fù)載能力，增加了互感器的過載能力

增強(qiáng)了互感器的負(fù)載能力，增加了互感器的過載能力，這兩點(diǎn)都關(guān)乎于互感器的磁密B有關(guān)，從仿真磁滯回線可以看出，鐵心加入氣隙后，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，剩磁減小，這樣互感器的負(fù)載能力及過載能力都會(huì)有明顯的改善。

綜上所述，我們可以分析出開合式電流互感器相較普通的電流互感器的優(yōu)點(diǎn)是：1、量程寬：由于磁密增加，剩磁減小，所以開合式電流互感器的量程更寬；2、負(fù)載能力強(qiáng)：同樣由于磁密增加，剩磁減小，開合式電流互感器相較普通電流互感器負(fù)載能力更強(qiáng)；3、無侵入：當(dāng)然考慮到開合式結(jié)構(gòu)，它能夠直接夾在被測(cè)電纜上，進(jìn)行非侵入式測(cè)量。

6、如何進(jìn)一步補(bǔ)償開合式互感器的精度

開合式電流互感器與普通電流互感器的性能差別就是準(zhǔn)確級(jí)不夠好，除了在磁導(dǎo)率、阻抗、平均磁路長(zhǎng)度、鐵心截面積等硬件方面來改善互感器的準(zhǔn)確級(jí)，還有沒有其他的方法來提高開合式電流互感器的準(zhǔn)確級(jí)呢？

我們知道互感器的誤差主要是由于勵(lì)磁電流的存在，所以互感器的補(bǔ)償方法核心思想就是有效的處理互感器的勵(lì)磁電流。所以可以進(jìn)行開合式電流互感器有源補(bǔ)償法，處理的方法有兩種思路：

6.1、自身提取勵(lì)磁電流法：通過對(duì)開合式鐵心的氣隙控制以及使用磁導(dǎo)率線性度較好的鐵心材料，這樣開合式電流互感器的勵(lì)磁電流會(huì)相對(duì)恒定，從而將勵(lì)磁電流提取注入到二次負(fù)載，即而達(dá)到消滅誤差，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹＃ㄒ妶D11）

圖11、自身提取勵(lì)磁電流法

6.2、外部注入勵(lì)磁電流法：勵(lì)磁電流不能完全消除，那么可以從外部提供電路來提供勵(lì)磁電流，從而是互感器沒有誤差，從而達(dá)到補(bǔ)償目的。

圖12、外部提供勵(lì)磁電流法

當(dāng)然有源補(bǔ)償法還涉及到安全及性價(jià)比，作者僅做個(gè)初步探討，具體實(shí)踐還需要大家去開拓、發(fā)展。

7、開合式電流互感器及電子式互感器的發(fā)展

作者在《開合式電流互感器的應(yīng)用及其發(fā)展》中提到過，開合式電流互感器未來的發(fā)展方向：1、小型化；2、一致化；3、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化。有人肯定要反駁，開合式電流互感器未必有未來，因?yàn)楝F(xiàn)在國(guó)家要搞智能電網(wǎng)，需要使用電子式電流互感器，普通的開合式電流互感器要被淘汰，其實(shí)不然，電子式電流互感器也許代表的是未來，如果作為保護(hù)用，在一定的范圍內(nèi)是可以的，但如果用作測(cè)量、計(jì)量用，那么它的準(zhǔn)確級(jí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不達(dá)標(biāo)，這也是電子式電流互感器（無論是有源型還是無源型）未來發(fā)展中急需要解決的問題。

所以在未來補(bǔ)償技術(shù)不斷提高、磁性材料不斷發(fā)展的情況下，開合式電流互感器的準(zhǔn)確級(jí)只會(huì)越來越高，使用也會(huì)越來越廣泛。

參考文獻(xiàn)

1、《電流互感器手冊(cè)》                作者：不詳

2、《高精度開合式電流互感器的分析》  作者：胡書紅

3、《互感器原理與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》          作者：肖耀榮、高祖綿

4、《互感器第1部分：互感器通用技術(shù)要求，代號(hào)：GB/T20840.1》

5、《互感器第2部分：電流互感器補(bǔ)充技術(shù)要求，代號(hào)：GB/T20840.2》