引言

電流互感器的傳變性能對(duì)繼電保護(hù)具有非常重要的影響。由于磁芯材料的限制,電流互感器一直存在低頻特性較差的問題,這也會(huì)影響其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。具體來說,當(dāng)線路電流中存在直流分量時(shí),鐵芯的磁化曲線工作點(diǎn)會(huì)發(fā)生偏移,嚴(yán)重情況下,會(huì)使鐵芯發(fā)生飽和,從而導(dǎo)致二次電流畸變失真。故電流互感器的飽和補(bǔ)償方法與新型電流互感器的研究仍是廣受關(guān)注的熱點(diǎn)。

本文在已有的研究基礎(chǔ)上詳細(xì)分析了磁閥式電流互感器(MVCT)的工作原理,建立MVCT的理論頻率模型,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了MVCT的幅頻特性。

1MVCT基本原理

磁閥式電流互感器裝置的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,其所采用的鐵芯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在圖1中,Nl、N2分別為一、二次繞組匝數(shù),il、i2分別為一、二次電流,R2為二次電阻。MVCT由半開口閉合鐵芯、磁場(chǎng)傳感器、一次繞組、二次繞組、二次電阻和信號(hào)調(diào)理電路組成。固定于氣隙中的磁場(chǎng)傳感器的作用是測(cè)量周向漏磁場(chǎng),將測(cè)量到的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。信號(hào)調(diào)理電路將二次電阻上的電壓信號(hào)與磁場(chǎng)傳感器輸出的電壓信號(hào)按一定比例進(jìn)行相加,輸出與一次電流信號(hào)成比例的電壓信號(hào),即為MVCT的輸出。

在圖2中,l為鐵芯平均周長(zhǎng),l1為鐵芯非氣隙部分的磁路長(zhǎng)度,l2為氣隙部分的磁路長(zhǎng)度,1為鐵芯的高度,h1為氣隙底部到鐵芯底部的高度(0<k<1)。

根據(jù)磁勢(shì)平衡skdl=N1i1＋N2i2,有:

在鐵芯大截面未飽和時(shí),大截面鐵芯中的磁壓降k0l1很小,可以忽略。因此,在正常工作情況下,一次側(cè)電流表達(dá)式為:

2幅頻特性分析

寬頻帶范圍的普通電流互感器等效電路如圖+(3)所示,所有參數(shù)均折算到二次側(cè),根據(jù)MVCT的測(cè)量原理可以得知,磁場(chǎng)傳感器的作用相當(dāng)于測(cè)量勵(lì)磁電流,所以其等效電路圖可以用圖+(5)表示,與普通電流互感器相比,磁閥式電流互感器減少了勵(lì)磁支路。

圖中,n為匝數(shù)比(二次比一次),i1/n為輸入電流(即一次電流),Cb'/n2為一次繞組的電容,Lp為勵(lì)磁電感,Rm為鐵芯并聯(lián)等效電阻(表征損耗),Lc為二次繞組的漏感,Rs為二次繞組的電阻,C是雜散電容,R是感測(cè)電阻,LR是感測(cè)電阻的電感,wR為普通電流互感器的二次輸出電壓,wMVCT為MVCT的輸出電壓,一次匝數(shù)為1且為穿心式。假設(shè)電流互感器在鐵芯非飽和區(qū)工作。

普通電流互感器的上限截止頻率fH、下限截止頻率fL以及帶寬Bw可近似由式(+)計(jì)算得到,可見普通電流互感器的低頻特性受勵(lì)磁電感嚴(yán)格限制。

在分析低頻性能時(shí),忽略了漏感Lc、感測(cè)電阻電感LR和雜散電容C,因?yàn)長(zhǎng)c和LR呈現(xiàn)非常低的電抗,而C在低頻時(shí)表現(xiàn)出非常高的電抗,等效電路如圖4(3)所示。

相對(duì)地,在分析高頻性能時(shí),忽略了感測(cè)電阻電感LR和二次繞組電阻Rs。二次繞組電阻Rs遠(yuǎn)低于漏感Lc。假設(shè)使用無感的感測(cè)電阻,則其電感LR小得可以忽略不計(jì),等效電路如圖4(5)所示。

容易分析得到,磁閥式電流互感器的高頻傳遞函數(shù)RMVCT-HF(s)、低頻傳遞函數(shù)RMVCT-LF(s)、上限截止頻率fH-MVCT、下限截止頻率fL-MVCT以及帶寬BwMVCT近似如式(4)所示:

由此可見,磁閥式電流互感器的頻帶為DC~fH-MVCT。若設(shè)計(jì)得當(dāng),使雜散電容C盡可能小,則MVCT在測(cè)量范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)直流到高至兆赫茲級(jí)別交流電流的寬頻帶電流測(cè)量,而且是以較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和較低的成本實(shí)現(xiàn)。對(duì)于具有高飽和磁密和低磁導(dǎo)率的鐵芯材料,可以有效補(bǔ)償?shù)皖l特性,拓寬鐵芯材料選擇范圍。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采用的鐵芯外徑75mm,內(nèi)徑40mm,高30mm,氣隙長(zhǎng)度3mm,磁閥高度比(為0.5,材料為非晶合金。一次匝數(shù)為15,二次匝數(shù)為35,二次電阻為1Q。所采用的磁場(chǎng)傳感器為TMR2503。

使用由正弦電壓源(信號(hào)發(fā)生器)和電阻串聯(lián)而成的簡(jiǎn)單電路對(duì)MVCT進(jìn)行頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。信號(hào)發(fā)生器的振幅設(shè)置為10V,頻率從0Hz到5MHz(均處于信號(hào)處理電路的頻帶內(nèi)),覆蓋了電力系統(tǒng)內(nèi)主要的電流頻率。

實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的幅頻特性如圖5所示。

圖5幅頻響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

MVCT樣機(jī)裝置中,二次電阻兩端與信號(hào)調(diào)理電路連接,在研究其頻率特性時(shí),需要考慮信號(hào)調(diào)理模塊的影響。

經(jīng)測(cè)量,輸出端口的等效電阻約為1.14Q,等效電容約為30.68nF,不考慮信號(hào)調(diào)理模塊時(shí),等效電阻約為1.02Q,等效電容約為9.113nF。根據(jù)式(4)可計(jì)算出考慮信號(hào)調(diào)理模塊時(shí)的上限截止頻率約為4.55MHz,不考慮信號(hào)調(diào)理模塊時(shí)的上限截止頻率約為17.12MHz,信號(hào)調(diào)理模塊的設(shè)計(jì)也限制了MVCT的上限截止頻率。

由圖5可知,MVCT的上限截止頻率比5MHz略小,與上文計(jì)算的4.55MHz相近,與式(4)較為符合。相頻特性由于信號(hào)處理模塊的影響與理論模型有所差異。由此可見,MVCT的后續(xù)信號(hào)宜在采樣后進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。

4結(jié)語

MVCT是一種新型電流互感器,其克服了傳統(tǒng)CT存在的電磁飽和問題,具備良好的低頻特性。本文推導(dǎo)了MVCT的頻率特性模型,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證頻響模型的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的通頻帶為0~4.6MHz,基本涵蓋電力系統(tǒng)內(nèi)主要的電流頻率。