电磁式抗直流电流互感器铁心和电流互感器的制作方法

本发明属于互感器技术领域，特别涉及一种在一次系统中是半波直流或存在直流分量情况下，依然能够准确转换一次信号的电磁式电流互感器。

背景技术：

电流互感器是电力系统中关键设备之一。它能够把电网一次系统中的大电流信号，按照规定的比例，高准确度的转换为标准的小电流信号(1a或5a)，用于后接的二次计量、测量、保护系统使用，可以说，电流互感器的转换精度与电费的贸易结算准确性、电网运行数据采集和运行状态的监测以及电网运行安全密切相关。

随着我国经济的迅猛发展，电网负载也越来越复杂，大量变频设备、整流设备等非线性负载的接入，导致系统内本来正常供电的正弦波，存在着直流分量，还有一些用电设备是采用经过二极管整流后的半波进行驱动，而这些非正弦波的分量会在电流互感器的铁心形成偏置的非对称的磁通，这种磁通与工频交流磁通叠加，最终导致铁心的工作点提高，铁心迅速进入饱和区，无法准确转换电流信号，对电费计量的准确性及电网的运行安全带来非常大的威胁。

使用检测设备来监测二极管整流后信号，常规电流互感器转换后的二次波形与一次实际波形的对比，图8所示，在额定工作点，比值误差-86.757％，相位误差4300’，互感器已经无法正常工作了。

据供电部门统计，国家电网公司范围内，每年的总售电量为2万亿度，台区线损约占6％，其中1％为直流分量带来的计量偏差引起的，仅此一项，每年将少计量电费达200亿度。

另外，当前一种主要的窃电手段是人为在电流互感器中加入直流量或互感器二次线路中串接二极管，使常规电流互感器进入饱和，减小二次输出。

重庆供电公司的专家发表了一篇题为“利用二极管半波整流进行窃电的案例分析”的文章，实例显示，通过这种窃电方式，常规电流互感器计量电费仅有真正电费的16％左右。

现有技术中，对于输出毫安等级信号的电子用电流互感器，采用超微晶合金铁心切口方式，但对于输出安培等级信号的电力用电流互感器，仍然无法满足准确度要求。为此，研发一种可以在一次系统存在较大直流分量以及半波直流量时，仍能满足转换信号比值误差不大于2％，相位误差不大于120’的电磁式电流互感器，是当前电力系统急迫的需求。

技术实现要素：

本发明是针对上述存在的缺点，提供一种电磁式抗直流电流互感器铁心结构，以及采用这种铁心结构生产的电流互感器，解决电网一次系统中存在直流分量及半波直流量时，常规电磁式电流互感器信号转换准确度差的问题。

本发明解决的技术问题所采用的技术方案是：

电磁式抗直流电流互感器铁心，其特征是包括硅钢片铁心和合金铁心，硅钢片铁心和合金铁心的形状相适配，硅钢片铁心设有一个切口(单边切口)或二个切口(双边切口)，切口处加垫绝缘不导磁材料；合金铁心为超微晶合金或坡莫合金绕制而成；合金铁心位于硅钢片铁心的内腔，合金铁心的外壁紧贴在硅钢片铁心的内壁，形成一个整体的复合材料铁心。下图8是理论分析绝缘隙铁心与闭合铁心磁化特性曲线理论对比图。

考虑如图9所示的被测半波电流，因为它是周期性信号，因此可以考虑电流互感器运行在稳态状态，即每个周期都是重复的工作状态。

图9所示的半波电流可以表示为：

可以看到，该半波电流由直流电流imπ，以及基波和各偶次谐波组成，并且在6次谐波后，谐波幅值迅速下降。对于电流互感器来讲，被测电流中的直流量是不能传感到二次侧的。如图10所示半波的各次波含量(不完全的傅里叶分析)图。

假定电流对交流量完全准确转换，那么，二次输出为：

其中k为变比，也就是公式(1)去掉了直流量，相当于图9中波形不变，就是下移了imπ，这就是我们实验中输出波形与被测波形相同的原因(参考图11)。

对于基波和谐波量，只要铁心运行在线性区，都能较准确地转换。但由于被测半波电流中含有固定的直流量，铁心就有了固定的直流磁通。对于基波和谐波量的转换来讲，其原始工作零点就抬高了。对于闭合铁心，直流激磁磁通的存在使得铁心进入饱和，闭合铁心不起作用，可视为空气。对于有绝缘隙的铁心，本身就需要较大的激磁电流才能达到需要的b，所以可以设计绝缘隙大小，使得被测半波电流中含有的固定直流量在有绝缘隙的铁心中产生的b0远小于铁心的饱和点bs，并且bs-b0大于基波和谐波量组成的交流量在电流互感器中转换时需要的铁心b的变化范围，于是交流量运行在线性区，就可以线性地转换公式(2)所示的量了。

于本发明一实施例中，切口处加垫绝缘不导磁材料为聚酯薄膜或pmp复合纸，用以保证切口尺寸以及改善整体铁心的平均介电常数。

于本发明一实施例中，硅钢片铁心的切口尺寸小于1mm；

于本发明一实施例中，合金铁心用环氧树脂等绝缘材料固化成型或安装在护盒内固定。

于本发明一实施例中，硅钢片铁心采用低损耗取向硅钢片绕制，为圆形、椭圆形或方形；合金铁心与硅钢片铁心的形状相同，为圆形、椭圆形或方形。

于本发明一实施例中，相互合并叠在一起的硅钢片铁心和合金铁心上外部缠绕绝缘材料作为绝缘及缓冲层。

于本发明一实施例中，绝缘及缓冲层为皱纹纸或绝缘胶带。

本发明设计出由超微晶合金(或坡莫合金)等初始磁导率高的材料制造的铁心，与低损耗硅钢片铁心组合而成的双铁心结构，其中，硅钢片铁心带有一个单边或双边切口，切口处加垫特殊的绝缘不导磁材料，用以保证切口尺寸以及改善整体铁心的平均介电常数。再在组合双铁心上均匀绕制二次绕组，经过热固性树脂浇注形成成品。使用该复合铁心生产的电流互感器，解决电网一次系统中存在直流分量及半波直流量时，常规电磁式电流互感器信号转换准确度差的问题。该发明的技术特点是：合金铁心用于保证常规交流信号转换时满足准确级0.2s的要求，在直流分量和半波直流存在时，信号转换准确级满足比值误差2％，相位误差120’的要求。更为关键的是产品尺寸小，满足国家电网公司现有自动检定流水线的检定要求。

本发明还提供一种电流互感器，包括以上任一实施例所述的电磁式抗直流电流互感器铁心。

于本发明一实施例中，电磁式抗直流电流互感器铁心均匀绕制互感器的二次绕组，绕组的首末两端引出到二次接线端子，分别为首端s1、末端s2。

于本发明一实施例中，二次绕组绕制完成后做准确度试验，通过分数匝补偿、短路匝补偿、磁分路补偿和(或)电容及电感补偿手段对比值误差、相位误差进行调整，直到数据符合准确度要求，再整体用热固性树脂浇注固化成型。

本发明抗直流电流互感器的工作原理是：采用闭合合金铁心和带绝缘隙的闭合硅钢片铁心组成的双铁心结构，当一次电流不含直流量时，两个铁心均不饱和，闭合合金铁心起主要作用，因此能保证电流正弦波条件下传统电流互感器0.2s的级准确度；当一次电流含有直流量时，闭合合金铁心饱和，带绝缘隙的硅钢片铁心起主要作用，只要带绝缘隙的硅钢片铁心磁化曲线上的直流工作点比拐点足够低，就能避免带绝缘隙的硅钢片铁心在一次电流含直流量情况下的饱和，从而保证了该电流互感器的抗直流特性，此时电流互感器的误差主要由带绝缘隙的硅钢片铁心决定。

本发明的有益效果是：本发明解决电网一次系统中存在直流分量及半波直流量时，常规电磁式电流互感器信号转换准确度差的问题，在一次系统存在较大直流分量以及半波直流量时，仍能满足转换信号比值误差不大于2％，相位误差不大于120’的电磁式电流互感器，产品尺寸小，满足国家电网公司现有自动检定流水线的检定要求。

附图说明

下面结合附图和实施例对发明进一步说明。

图1为本发明实施例硅钢片铁心单边切口结构示意图。

图2为本发明实施例硅钢片铁心双边切口结构示意图。

图3为本发明实施例电磁式抗直流电流互感器铁心结构示意图。

图4为本发明实施例电磁式抗直流电流互感器铁心外形结构示意图。

图5为本发明实施例电磁式抗直流电流互感器结构示意图。

图6为本发明实施例电磁式抗直流电流互感器外形结构示意图。

图7为本发明实施例常规电流互感器转换后的二次波形与一次实际波形的对比图。

图8为本发明实施例理论分析绝缘隙铁心与闭合铁心磁化特性曲线理论对比图。

图9为本发明实施例半波电流状态图。

图10为本发明实施例半波的各次波含量(不完全的傅里叶分析)图。

图11为本发明实施例输出波形与被测波形对比图。

图12为本发明实施例电磁式抗直流电流互感器转换后的二次波形与一次实际波形的对比图。

图13为本发明实施例现有技术电流互感器铁心的励磁特性曲线图。

图14为本发明实施例电磁式抗直流电流互感器复合铁心的励磁特性曲线图。

图中：1、硅钢片铁心2、合金铁心3、绝缘及缓冲层4、二次绕组5、外绝缘11、绝缘不导磁材料。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

请参考图1-6所示，本发明提供一种电磁式抗直流电流互感器铁心，在图1至图3中，一种电磁式抗直流电流互感器铁心，包括硅钢片铁心1和合金铁心2，硅钢片铁心1和合金铁心2均采用圆形结构，形状相适配，图1的结构中，硅钢片铁心1设有一个切口，即单边切口，图2的结构中，硅钢片铁心1设有二个切口，即双边切口，本发明实施例中，硅钢片铁心1采用单边切口，硅钢片铁心1的切口尺寸小于1mm，切口处加垫绝缘不导磁材料11；合金铁心2为超微晶合金或坡莫合金绕制而成；超微晶合金如非晶纳米晶合金1k107、超微晶合金1k101，合金铁心2位于硅钢片铁心1的内腔，合金铁心2的外壁紧贴在硅钢片铁心1的内壁，形成一个整体的复合材料铁心。

本发明实施例中，切口处加垫绝缘不导磁材料11为聚酯薄膜或pmp复合纸，用以保证切口尺寸以及改善整体铁心的平均介电常数。

本发明实施例中，合金铁心2用环氧树脂等绝缘材料固化成型。合金铁心2也可以安装在护盒内固定成一个整体。

本发明实施例中，硅钢片铁心1采用低损耗取向硅钢片绕制，硅钢片铁心1和合金铁心2均采用圆形结构。但不限于此，硅钢片铁心1和合金铁心2可以均采用椭圆形结构，或均采用方形结构。

本发明实施例中，硅钢片铁心1和合金铁心2形成一个整体的复合材料铁心，其外部缠绕绝缘材料作为绝缘及缓冲层3。绝缘及缓冲层3为皱纹纸或绝缘胶带，绝缘及缓冲层3不限于此。

请参考图5和图6所示，本发明还提供电磁式抗直流电流互感器，包括以上任一实施例所述的电磁式抗直流电流互感器铁心。

于本发明一实施例中，电流互感器铁心包括硅钢片铁心1和合金铁心2，合金铁心2位于硅钢片铁心1的内腔，合金铁心2的外壁紧贴在硅钢片铁心1的内壁，形成一个整体的复合材料铁心，切口处加垫绝缘不导磁材料11为聚酯薄膜或pmp复合纸，用以保证切口尺寸以及改善整体铁心的平均介电常数。合金铁心2用环氧树脂等绝缘材料固化成型。硅钢片铁心1和合金铁心2形成一个整体的复合材料铁心，其外部缠绕绝缘材料作为绝缘及缓冲层3。在绝缘及缓冲层3上，均匀绕制互感器的二次绕组4，绕组的首末两端引出到二次接线端子，分别为首端s1、末端s2。于本发明实施例中，二次绕组绕4制完成后做准确度试验，通过分数匝补偿、短路匝补偿、磁分路补偿和(或)电容及电感补偿手段对比值误差、相位误差进行调整，直到数据符合准确度要求，外部缠绕外绝缘5，外绝缘5为皱纹纸或绝缘胶带等，外绝缘5不限于此，然后再整体用热固性树脂浇注固化成型。

本发明设计出由超微晶合金(或坡莫合金)等初始磁导率高的材料制造的铁心，与低损耗硅钢片铁心组合而成的双铁心结构，其中，硅钢片铁心带有一个单边或双边切口，切口处加垫特殊的绝缘不导磁材料，用以保证切口尺寸以及改善整体铁心的平均介电常数。再在组合双铁心上均匀绕制二次绕组，经过热固性树脂浇注形成成品。该发明的技术特点是：合金铁心用于保证常规交流信号转换时满足准确级0.2s的要求，在直流分量和半波直流存在时，信号转换准确级满足比值误差2％，相位误差120’的要求。更为关键的是产品尺寸小，满足国家电网公司现有自动检定流水线的检定要求。本发明实施例电磁式抗直流电流互感器转换后的二次波形与一次实际波形的对比图见图12所示。

本发明实施例中对绕制完成的本成品做准确度试验，通过分数匝补偿、短路匝补偿、磁分路补偿、电容及电感补偿等手段对比值误差、相位误差进行调整，直到数据符合准确度要求，再整体用热固性树脂浇注固化成型。本发明抗直流电流互感器的工作原理是：采用闭合铁心和带绝缘隙的闭合铁心组成的双铁心结构，当一次电流不含直流量时，两个铁心均不饱和，闭合合金铁心起主要作用，因此能保证电流正弦波条件下传统电流互感器0.2s的级准确度；当一次电流含有直流量时，闭合合金铁心饱和，带绝缘隙的硅钢片铁心起主要作用，只要带绝缘隙的硅钢片铁心磁化曲线上的直流工作点比拐点足够低，就能避免带绝缘隙的硅钢片铁心在一次电流含直流量情况下的饱和，从而保证了该电流互感器的抗直流特性，此时电流互感器的误差主要由带绝缘隙的硅钢片铁心决定。以型号：lmz2k，变比：500/5，准确度：0.2s/2，容量：5va产品为例，图13为现有技术电流互感器铁心的励磁特性曲线图。

图14为本发明实施例电磁式抗直流电流互感器复合铁心的励磁特性曲线图，可见发明产品复合铁心的抗饱和能力提升到常规产品的3.3倍。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。