一种差分式零序电流互感器及其参数设计方法

技术领域

本发明涉及一种差分式零序电流互感器及其参数设计方法，属于零序电流测量技术领域。

背景技术

随着电力系统及新能源的迅速发展，配电网的电源接入及传输功率和距离不断增加，配电网各环节中的零序电流分量逐渐增加，配网中性点接地测量、零序保护测量、漏电流检测等需求也持续增加，高性能零序电流测量的需求日益凸显。传统的零序电流互感器采用跑道式铁芯结构，测量A、B、C三相线路需穿过其铁芯内孔，但由于A、B、C三相线路与铁芯之间的等效距离不均匀以及相间互感的作用，因此存在测量精度低、灵敏度低、线性度差、测量死区大等问题，此外，传统零序电流互感器还存在布置空间有限、安装便捷不足等多方面的制约，难以适应于线路相间距离大等复杂应用场景。目前的配电网环境迫切需要一种测量精度、灵敏度和线性度均很高的零序电流互感器，且适应电网各种复杂情况。

发明内容

针对传统零序电流互感器安装距离(空间)受限、测量精度低、灵敏度、线性度低和死区大等问题，本发明提出了一种差分式零序电流互感器及其参数设计方法，当A、B、C三相线路存在零序电流分量时，差分式零序电流互感器采用A、B、C三相感应电流紧耦合励磁合成零序电流的方式，可以对线路的零序电流进行高精度、宽线性范围、高灵敏度、小死区和高抗饱和度的测量，适用于线路相间距离大等各种电网复杂情况的需求。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：

第一方面，本发明提出了一种差分式零序电流互感器，包括三个单相互感器和一个合成线圈，所述三个单相互感器分别串联在A、B、C三相线路中，且三个单相互感器装配的线圈绕组的绕向一致、线圈匝数相同，每个单相互感器的线圈绕组匝数为N

结合第一方面，进一步的，所述合成线圈上的四个线圈绕组采用紧耦合叠绕的方式缠绕在闭合铁芯上。

结合第一方面，进一步的，所述单相互感器的二次线圈绕组、合成线圈上四个线圈绕组分别采用双股叠绕或单股叠绕的方式绕制而成，单相互感器和合成线圈的闭合铁芯采用双闭合或多闭合铁芯纵向堆置结构。

结合第一方面，进一步的，匝数N

结合第一方面，进一步的，利用差分式零序电流互感器中的三个单相互感器的二次线圈绕组分别与合成线圈中的第一、第二、第三线圈绕组依次形成回路；根据电磁感应原理，通过三个单相互感器将A、B、C三相线路的一次电流转换为二次电流；将A、B、C三相的二次电流在合成线圈的闭合铁芯中励磁并叠加产生零序磁通，从而在合成线圈的第四线圈绕组回路中感应出与线路零序电流呈线性关系的零序二次电流。

结合第一方面，进一步的，当A、B、C三相线路的零序电流I

第二方面，基于第一方面所述的一种差分式零序电流互感器，本发明提出了一种差分式零序电流互感器参数设计方法，包括如下步骤：

根据差分式零序电流互感器的磁路等效模型得到零序二次电流表达式；

根据零序二次电流表达式推导差分式零序电流互感器中各线圈绕组的匝数之间的变比关系，进而得到差分式零序电流互感器总的变比的值；

基于零序电流测量的带负载情况，在保证差分式零序电流互感器总的变比不变的基础上，根据互感器测量误差和预设的零序电流检测要求，计算差分式零序电流互感器中各线圈绕组的匝数；

根据最大单相电流时的零序功率确定合成线圈的铁芯截面；

根据预设的输出线性度和抗饱和度得到差分式零序电流互感器中各线圈绕组的绕制方式与铁芯堆叠方式。

结合第二方面，进一步的，零序二次电流的表达式如下：

其中，

结合第二方面，进一步的，差分式零序电流互感器总的变比为K：1，其中，

结合第二方面，进一步的，差分式零序电流互感器的互感器测量误差的表达式如下：

其中，δ为差分式零序电流互感器的互感器测量误差，X

采用以上技术手段后可以获得以下优势：

本发明提出了一种差分式零序电流互感器及其参数设计方法，利用3个单相互感器和1个缠绕有四个线圈绕组的合成线圈组成差分式零序电流互感器，根据A、B、C三相感应电流紧耦合励磁合成零序电流的技术原理，在合成线圈第四线圈绕组回路中感应出与线路零序电流呈线性关系的零序二次电流，本发明根据零序电流总的变比、检测精度、灵敏度等要求设计互感器各线圈绕组匝数、铁芯截面等参数，可以实现高精度、高灵敏度、宽线性范围、高饱和裕度和测量死区小的零序电流测量。本发明解决了传统跑道型零序电流互感器中因A、B、C三相磁场不均匀和相间互感带来的精度低、灵敏度低、线性度差和测量死区大的问题，更重要的是解决了零序电流值较小时合成线圈铁芯工作在截止区域，导致二次线圈因感应信号太小造成的测量死区以及铁芯工作在截止区的非线性等问题，有效提升了零序电流的检测精度、灵敏度和线性度，测量死区小。

附图说明

图1为本发明一种差分式零序电流互感器的结构示意图；

图2为本发明实施例中差分式零序电流互感的布置示意图；

图3为本发明实施例中合成线圈的闭合铁芯的励磁曲线示意图；

图4为本发明实施例中差分式零序电流互感器线性度及抗饱和能力测试结果示意图；

图5为本发明实施例中差分式零序电流互感器的等效模型图；

图6为本发明实施例中差分式零序电流互感器的有限元仿真模型示意图；

图7为本发明实施例中差分式零序电流互感器的有限元仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：

实施例1：

本发明提出了一种差分式零序电流互感器，如图1所示，具体包括三个单相互感器和一个合成线圈，其中，三个单相互感器分别串联在A、B、C三相线路中，且三个单相互感器装配的线圈绕组的绕向一致，每个单相互感器由一个闭合铁芯上绕制匝数相同的线圈绕组(匝数为N

本发明差分式零序电流互感器的工作原理如下：

三个单相互感器根据电磁感应原理将A、B、C三相线路的一次电流转换为二次电流，三个单相互感器的二次线圈绕组分别与合成线圈的三个绕向一致且匝数相同的线圈绕组(即第一、第二、第三线圈绕组)依次形成回路，A、B、C三相的二次电流在合成线圈的闭合铁芯中励磁并叠加产生零序磁通，从而在合成线圈的第四线圈绕组回路中感应出与线路零序电流呈线性关系的零序二次电流。

当A、B、C三相线路的零序电流I

互感器的零序二次电流值的具体计算过程如下：

1)根据A、B、C三相单相互感器原副边安匝平衡，可得：

其中，

2)根据合成线圈原副边安匝平衡，可得：

其中，

3)结合式(3)、式(4)可得：

在本发明实施例中，单相互感器的二次线圈绕组及合成线圈的四个线圈绕组均采用双股叠绕或单股叠绕的方式绕制而成，能够有效减少A、B、C三相二次电流励磁的趋肤效应及线圈阻抗，可提高零序电流检测的线性度、带负载能力并减小测量死区。

根据互感器的T型磁路等效电路可推导出：

其中，X

根据公式(6)分析可知，互感器二次线圈绕组的阻抗对测量精度和线性度存在影响，由于本发明互感器线圈绕组采用的方向相同的紧耦合叠绕方式，因此能够减小互感器等效电路的二次侧电阻R

在本发明实施例中，单相互感器和合成线圈的闭合铁芯可以采用双闭合铁芯纵向堆置结构，也可以采用多闭合铁芯纵向堆置结构，在相同铁芯截面下改善铁芯励磁效能，可提高互感器的抗饱和度。采用双闭合或多闭合铁芯纵向堆置结构后，有助于降低各铁芯中的涡流损耗，可降低互感器铁芯的铁耗。

根据磁路等效电路可以得到测量回路电阻的表达式，如下：

其中，max(P

在满足相关标准规定的零序电流总的变比不变的基础上，可通过系统设计得出互感器各线圈绕组的匝数(N

根据相关标准规定的零序电流总的变比，设定差分式零序电流互感器的场景变比需求为K:1，根据安匝平衡机理可得：

合成线圈的铁芯截面积根据最大单相电流时的零序功率设计，在此基础上，零序电流互感器带负载能力的最大值P

其中，E表示单相互感器副边感应电势，I

根据上式分析可知，为进一步提升零序电流互感器的带负载能力，在保证互感器总的变比不变的基础上，可增大合成线圈的第四线圈绕组匝数(N

零序电流互感器的测量误差为：

其中，Z

本发明可根据零序电流测量精度的不同要求(保护用途、测量用途等)，结合上式对各线圈绕组匝数进行系统设计，可提升零序电流互感器的测量精度。

本发明差分式零序电流互感器布置方式为：在A、B、C三相线路上的每相分别布置一个单相互感器，互感器中的合成线圈单独布置，合成线圈的三个匝数相同且绕向一致的线圈绕组分别与三个单相互感器的二次线圈绕组按相序对应连接，如图2所示。

实施例2：

基于实施例1中的差分零序电流互感器，本发明还提出了一种差分式零序电流互感器参数设计方法，具体包括如下步骤：

步骤1、构建差分式零序电流互感器的磁路等效模型，基于三相安匝平衡机理推导出零序二次电流表达式：

步骤2、根据零序二次电流表达式推导差分式零序电流互感器中各线圈绕组的匝数之间的变比关系，进而得到差分式零序电流互感器总的变比的值。差分式零序电流互感器总的变比与各线圈绕组的匝数之间的变比关系数值上相同。

在本发明实施例中，差分式零序电流互感器总的变比为K：1，其中，

步骤3、基于零序电流测量的带负载情况，在保证差分式零序电流互感器总的变比不变的基础上，根据互感器测量误差和预设的零序电流检测要求，计算差分式零序电流互感器中各线圈绕组的匝数(N

步骤4、根据最大单相电流时的零序功率设计合成线圈的铁芯截面。

步骤5、根据预设的差分式零序电流互感器的输出线性度和抗饱和度，设计各线圈绕组的绕制方式与铁芯堆叠方式。

步骤6、根据上述步骤设计的互感器参数进行有限元建模及仿真校验，直至所选互感器参数满足零序电流测量的精度、灵敏度与线性度等要求。

在本发明实施例中，差分式零序电流互感器的测量要求(即零序电流检测要求)为：(1)差分式零序电流互感器总的变比为20:1；(2)差分式零序电流互感器带负载能力：≥0.5Ω；(3)互感器测量误差：≤3％。

在本发明实施例中，根据零序电流互感器的布置方式及试验要求设计10kV差分式零序电流互感器样机并进行试验测试，具体操作如下：

步骤A、根据试验场景选择单相互感器铁芯尺寸以及单相互感器线圈绕组规格，具体的：

根据A、B、C三相电缆线径规格确定单相互感器铁芯最小内径，通过最大单相电流时的零序功率确定铁芯截面和单相互感器原边额定磁势，根据额定磁势及最小内径计算出单相互感器铁芯外径及厚度等参数。根据铁芯尺寸选择单相互感器线圈绕组的线径范围(根据线圈绕组转弯半径最大值)，根据单相互感器副边安匝数选择其二次线圈绕组的最小线径(根据短时工作电流密度)。

步骤B、根据互感器匝比关系、测量精度、带负载能力等参数，设计各线圈绕组的匝数(N

在步骤B中，根据下式计算各线圈绕组的匝数范围：

在确定各线圈绕组的匝数范围后，根据所选合成线圈的铁芯材料的磁化曲线选择N

步骤C、根据步骤A、B的设计参数进行差分式零序电流互感器加工，互感器中合成线圈的四个线圈绕组采用方向同向的紧耦合叠绕方式，单相互感器的二次线圈绕组及合成线圈的四个线圈绕组采用双股叠绕方式绕制，合成线圈的铁芯采用双闭合铁芯纵向堆置结构。

步骤D、通过一二次融合成套设备模拟实际A、B、C三相线路的不平衡工况，所带负载为1Ω，开展差分式零序电流互感器的精度、线性度及抗饱和能力等试验。

在本发明实施例中，差分式零序电流互感器样机的精度实际测试结果如下表所示：

表1

在本发明实施例中，差分式零序电流互感器线性度及抗饱和能力测试结果如图4所示。结合图4和表1分析可知，传统跑道型零序电流互感器线性范围较窄，饱和度为100A，而本发明差分式零序电流互感器的零序电流线性范围更宽，饱和度从100A提高到了160A左右；此外，本发明互感器的测量误差均小于1％，可带1Ω及以下负载，测量精度、灵敏度、线性度等指标大幅提升，带负载能力强。

根据差分式零序电流互感器的磁路等效模型搭建电路模型，并根据所设计的参数进行有限元建模及仿真验算，直至所选参数可使布置方式达到零序电流测量的精度、灵敏度与线性度等指标，互感器的磁路等效模型如图5所示，互感器有限元仿真模型如图6所示，仿真验证如图7所示，仿真结果如下表所示：

表2

结合图5～7、表2分析可知，利用本发明方法进行零序电流互感器参数设计，所设计参数下的互感器样机可提高零序电流测量的精度、灵敏度及线性度，测量死区小。

与现有技术相比，本发明解决了传统跑道型零序电流互感器中因A、B、C三相磁场不均匀和相间互感带来的精度差、灵敏度低、线性度差和测量死区大的问题，更重要的是解决了零序电流值较小时合成铁芯工作在截止区域，导致二次线圈因感应信号太小造成的测量死区以及铁芯工作在截止区的非线性等问题，有效提升了零序电流的检测精度、灵敏度、线性度和饱和度，减少测量死区，并且不受线路相间距离的限制。本发明是一种安装方式灵活、测量指标优异、抗饱和能力强的零序电流互感器检测方法和装置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。