V型分割面在开启式电流互感器中的应用

时间：2024-05-17

戴建尧

（华建电气有限公司，浙江乐清 325604）

1 开启式电流互感器应用现状与不足

1.1 国内开启式电流互感器的行业研究发展过程

电流互感器是电力应用体系中具有各种保护和测量功能的重要装置，是如实反馈监测一次系统电流信号的传感元件，在电力系统数据采集、监控、保护等技术领域中得到了广泛应用。其处于工作状态时能否如实地反馈一次电流信息，对保证继电保护正确动作、避免误动起到了决定性的作用。在实际应用领域中以铁芯闭合式结构为主流，产品本体必须串入电力电路中，也就是必须要打断一次系统电路导体，给配电设备安装与维护带来许多不便。随着我国输配电行业互感器的整体制造技术水平的不断提高，电流互感器也呈现出技术革新趋势，电子与光纤高端品种工艺不断成熟，给传统的电磁式电流互感器带来了冲击，传统电磁式制造厂家也不断地对传统产品进行进技术突破和革新，科研工作是每个行业产品技术进步、产品质量提高的根本。鉴于应用技术标准要求的不断提高，以及产品在制造、运行过程中出现的各种问题，有针对性地深入开展研究就显得尤其重要。针对电流互感器在实际应用过程存在的结构性弊端，在行业中研发了各种开合式电流互感器，使产品更加符合市场的实际需要。开发结构简单、产品体积小、性能稳定、造价低廉，成为行业内各专家及企业的科研目标。

1.2 发展趋势

目前的发展趋势是传统互感器制造厂商与电力用户商根据现有条件拟定电流互感器技术标准，确定各种产品变比、技术规格参数、产品体积、外型安装尺寸，供电力设计部门选用，在保证产品技术参数指标符合要求前提下尽可能地选用安装维护简单、成本低廉的产品。开启式互感器实现的最大困难是其本身闭环式铁芯被切割成两半环，在使用时又重新闭合，在闭合的接触面之间会有一定的气隙空间，导致大量磁路不在铁芯原有磁路上闭合，造成漏磁，大大地降低了互感器对铁芯本来应具备的导磁能力的期望。

1.3 该文主要研究工作

该次设计是针对具备开合功能的电流互感器，因此不仅要掌握电互感器的基本原理，也要对电场和磁场的关系进行研究分析，解决闭环式铁芯在开启后漏磁要尽可能地减少，满足互感器本身对铁芯互感磁场的需求。

2 电流互感器的理论

2.1 电磁场的基本概念

电磁场是电场与磁场两者相互依存形成有机统一体的总称。电场随时间的变化产生磁场，磁场随时间的变化产生电场，两者互为因果，同时存在，形成电磁场。变速运动的带电粒子会产生电磁场，强弱变化的电流也会产生电磁场，不论原因如何，电磁场产生的磁力线总是以光速向四周传播，形成电磁波。电磁场是电磁作用的媒介物，是物质存在的1种形式，具有动量与能量。电磁场的特征及其运动变化规律是有麦克斯韦方程组确定，它具备物质的特性。

2.2 电流互感器的基本原理

电流互感器的在系统中的功能特性决定了其在正常条件下工作时，二次输出电流的信号与系统侧一次电流成正比，是一次电流的真实信息反应；其一次绕组串联在系统电路回路里，二次绕组通过测量仪表和继电器等负荷而闭合，在产品设计的量程、负荷能力范围内保证通过负荷的二次感应电流与系统一次绕组的电流成正比。开启式电流互感器明显特性就是本体没有了一次绕组，从穿芯式电流互感器引伸而来，利用一次系统电路的导体直接当作一次被测回路，通过图来具体说明电流互感器的应用，二次绕组可以用来测量一次系统电路电流的大小，接至保护继电器可以用于保护线路安全，电力系统在正常工作时电流在互感器量程范围内，互感器二次输出正常工作电流，继电保护装置采集到的信息在正常工作范围内，无异常表象，其常开触点不会动作，断路器的跳闸线圈没有工作电流，断路器仍然处于接通正常工作状态。系统电力线路发生短路或严重过载时，系统电路产生了大电流，互感器二次绕组就会感应出成正比的二次电流，当二次电流输出增加到等于或大于继电保护装置的动作电流时，其常开触点闭合，断路器跳闸线圈流过工作电流，跳闸机构动作，断路器跳闸，分断系统电流。值得注意的是，电流互感器二次绕组必须可靠接地，防止系统侧电压串入二次组绕时给设备及人员带来危险。而且互感器的二次绕组不允许开路，开路相当于无穷大的负荷，就不能感应出二次电流，一次安匝全部用来励磁，会在二次绕验两端产生高压，高达几千甚至上万伏，存在严重的安全隐患。

3 开启式电流互感器的结构设计

3.1 铁芯工艺设计

互感器环型铁芯生产工艺流程：备料→分条→卷绕→退火→检测1→浸漆→烘烤→检测2→喷涂（外包）→整理→检测4。其中的关键步骤是退火工艺的把关与处理，温度与气体保护都至关重要，当然生产成本也会相应的增加。

传统的生产工艺是比较成熟的，只要保证工艺步序的每个细节都按照工艺标准，就能保证选材在生产过程中不会畸变，产品性能就会比较稳定，符合一般技术标准的要求。该文侧重点在于如何将闭环式铁芯分成两半，且尽可能地减小对其性能的影响，目前行业通俗的生产工艺就是用切割机将闭环式铁芯切割成两半，工艺的技术点集中于切割面的平整度要求，当2个被切割的面重新接合时，不可避免地会存在间隙。所以间隙占有率成为行业内技术攻关的重点，通过研发各种高精密仪器对铁芯行业分割。虽然好的仪器切割出来的效果会好得多，但是投入的生产成本与技术要求也大大提高了。该设计对原有的结构进行优化，用合理的投入得到最优的成果。

要解决分割面的接触效果问题，也是就有效接触面的问题，通过2个方面进行研究：1）接触的平整度。2）接触面积。由于铁芯是用于集中磁力线进行导磁的载体，在磁力线通过分割面时还要考虑漏磁问题，部分磁力线会在分割面跑偏，通过外界空气闭合形成回路，大大地降低了铁芯原有的磁导性能，严重影响了电流互感器绕组对原设计磁通的需求，导致电流互感器性能降低甚至无用报废，违背了电流互感器在电力系统中作用的初衷。

在解决分割平整度的课题上，只能通过研发高精密仪器来实现；在解决扩大接触面积的课题上，该文是在不改变原铁芯几何尺寸结构的前提下，通过采用V型接触面来增大有效果接触面，由于铁芯是由硅钢片卷绕而成的，硅网片表层附有绝缘膜层，而且铁芯在卷制成后，通过浸漆等工艺来加强绝缘，确保结构的机械强度与稳定性，所以其本体是导体与绝缘体的层混结构，它不能像铁块那样单一地用线切割去实现分割，如果要通过切割的方式一次形成V型面，在技术课题上是个难点，而且更难保证V型面的平整度，所以我们要通过用双环结构来实现V型面，图1 就是将原来环型几何尺寸的铁芯通过用2个大小环铁芯套制而成，保证内径、外径、高度都不变，延中线分成2个大、小环，将大、小环铁芯分别用切割方式，斜切本体，切割线不在环的圆心点上，在分割面形成一个斜面，可以根据产品实际要求，结合铁芯几何结构来调整切割线的倾斜度，来控制斜面的面积。将切好的2个大小环重新组套，就会在原有的分割面形成V型面。特别值得注意的是，因为要考虑磁力线的漏磁问题，在斜切时，切面是延硅钢片卷绕方向，切面就硅钢片形成夹角，而不能使切面垂直于硅钢片，如图2所示。双环合套后进行励磁检测，与原未切割时励磁参数进行复比，确保磁损在可控范围内。

3.2 绕组设计

在完成铁芯制作后，根据原来设定的互感器变比来制作二次绕组。由于开启式电流互感器是穿芯式的1种不存在一次绕组，变比率只能通过二次绕组来实现，二次绕组的匝数与一次电流大小成正比，由于安匝数的不确定导致铁芯几何大小也无法确定，安匝数越大铁芯截面积越小，安匝数越小铁芯截面积越大，两者成反比关系。因为铁芯被分割成两半，在制二次绕组时不像闭环式那样可以缠绕一个整周，需要将二次绕组也等分成两半，铁芯各边各自缠绕，在为段点用软连接跳线导通，如图3所示。

这样做的目的是为了均匀地分布励磁电流，确保分段的两边铁芯尽可能地建立均匀磁场，以满足电场与磁场互感作用所需要的理相环境，磁力线闭合通路都能在二次绕组线圈内完成，减少漏磁现象，保证开启式电流互感器电流互感原理不被破坏，产品技术性能技术指标少受开启后的影响。当系统一次小流太小时，二次安匝数也就会很小，铁芯截面积则要求很大，但是励磁电流也会很大，常常会导致误差不能满足要求。可以通过电流并联的方法，将铁芯拆分为2组或若干组（根据实际具体电流比）来设计，例如50/5A的开启式电流互感器，我们可能通过用2

图1 V型面开启铁芯生产示图

图2 V型面错误的切面示图

图3 绕组缠绕在2个半环上

只100/5的V型面开启式电流互感器首尾并接来实现，如图4所示。

对小电流比需要组合使用的，在生产工艺中要注意的是二次绕组的导线截面积要根据实际分摊的载流来选择，并且电流互感器二次绕组线圈自身的阻抗在工作时也是其负荷组成的重要部分，对二次安匝数很大的绕组来说，可能自身阻抗部分所承载的负荷比额定负荷还要大，所以内在阻抗直接影响了电流互感器的误差，其截面积需要进行计算确定。

3.3 产品选型计算

电流互感器应用额定变比的确定：通常根据电流互感器应用系统一次负荷来确定系统的额定一次电流I1，互感器选型电流比与电力系统一次额定电流匹配，原则上可稍大不可小如公式（1）所示。

式中：Un为电流互感器应用系统的额定电压，kV;P1为电流互感器应用系统侧的一次电力负荷，kVA; cosψ为功率因数，一般按cosψ=0.8计算。

根据电流互感器的功能要求，计量用电流互感器仪表保安系数要小于5，保护用电流互感器根据系统侧最大故障电流来确定准确级限值，一般为10、20、30。

电流互感器的额定变比则由额定一次电流与额定二次电流的比值决定，国内二次输出额电流一般为定值5 A或1 A，一次电流根据系统量程来确定。

互感器二次负载能力由额定二次负荷来确定，如果接入的二次负荷超过其原设计的额定二次负荷时，互感器工作时铁芯励磁曲线超出了原设计的范围之内，其准确度等级将无法满足要求，铁芯有可能会出现过饱和状态。为了保证互感器变比准确、可靠，一般要求电流互感器的二次所接负荷必须在设计额定二次负荷的25%～100%，国标GB/T 20840中有明确规定。

图4 通过绕组并联来测量小电流

根据选型所需要的电流比与二次负载容量来计算开启式电流互器所需的铁芯大小及绕组方案。通过标准电流互感器计算方法确定标准的开启式电流互感器生产工艺。