一种抗直流电流互感器的制作方法

本发明涉及互感器测量领域，更具体地，涉及一种抗直流电流互感器。

背景技术：

电力系统内通常使用电力电流互感器将一次的大电流转换成5a或1a的标准小电流，与电能表共同构成电能计量装置的电流测量回路，因此，电流互感器性能好坏直接关系到电能计量的准确度，影响电能贸易结算的公平公正。在系统正常稳态运行时，电流互感器的一次电流一般为工频正弦波，若电流互感器的变比和额定二次负荷选择恰当，其运行误差能够达到期望的目标。然而在一些特殊情况下，电流互感器的一次电流中可能会含有直流或谐波分量，甚至是经二极管整流后的正弦半波。这些非工频成分,尤其是直流分量会对电流互感器的磁化性能造成较大影响，直流偏磁磁通和交流磁通相叠加，直流部分作用相当于励磁，使铁芯迅速进入饱和状态，而误差急剧增大超出标定的误差限值。

例如以一台电网中常用的普通计量用低压电流互感器为例，其额定一次电流为500a，准确度等级0.2s级。经测试表明该电流互感器在正弦半波下，直流含量接近30％时的比值差和相位差均随着一次半波电流有效值的增加迅速增大，在额定电流时的比值差超过-80％，相位差超过70°，导致电流互感器不能正常使用。

现有技术中为了克服上述问题，使电流互感器在含有较大直流分量的情况下仍能够正常工作，以提高电流互感器磁芯的抗饱和能力，因此通常对磁芯的材料进行改进。一种是通过在铁基非晶铁芯上设置有一贯穿整个磁芯截面的气隙，利用开有气隙的铁芯满足互感器在施加直流分量条件下的精度要求，但是该种抗直流电流互感器只能适用于二次毫安级小电流互感器，对于半波直流大且二次为5a或1a标准电流时不能满足误差要求。

因此，需要一种技术，以解决直流含量高或半波直流大时，对电能表进行准确测量的问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种抗直流电流互感器，以解决当直流含量高或半波直流大时，电能表能进行准确测量的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种抗直流电流互感器，所述互感器包括：

抗饱和铁芯，所述抗饱和铁芯开有气隙；

一次绕组，所述一次绕组用于连接被测量电路；

二次绕组，所述二次绕组用于连接测量仪器；

所述抗饱和铁芯上依次绕制所述二次绕组、所述补偿绕组和所述一次绕组；

通过所述补偿绕组对所述互感器的相位误差进行补偿；

通过调整所述二次绕组的匝数对所述互感器的比值误差进行补偿。

优选地，所述气隙开设为贯穿磁芯截面。

优选地，所述气隙开设为两个，所述两个气隙贯穿两个铁芯截面。

优选地，当一次电流不小于200a时，所述一次绕组采用穿心的方式绕制。

优选地，所述通过所述补偿绕组对所述互感器的相位误差进行补偿；所述通过调整所述二次绕组的匝数对所述互感器的比值误差进行补偿，包括：

根据比值误差f和相位误差δ的计算如下式，其中：i2为二次电流，i1为一次电流，ba为励磁电流i0投影到水平轴的值，bc为励磁电流i0投影到垂直轴的值；

未设置所述补偿绕组条件下，所述一次绕组和所述二次绕组的感应电势有e1＝e2′，其中，e1为所述一次绕组的感应电势，e2'为所述二次绕组的感应电势折算到一次的值；

对于设置有所述补偿绕组的所述互感器，所述一次绕组、所述二次绕组和所述补偿绕组的感应电势有如下关系式：e12＝e2'+e3',e12为设置所述补偿绕组后的所述一次绕组的感应电势，e3'为所述补偿绕组的感应电势折算到一次的值；

由于补偿绕组匝数n3远远小于二次绕组匝数n2，则可以认为补偿绕组感应电势e2'远远小于所述二次绕组感应电势e2'，则有e12≈e1，即补偿后的励磁电流i′0≈i0；

设置所述补偿绕组后的比值误差f’和相位误差δ’的计算如下式，其中：i3为补偿绕组电流，i1’为一次电流的折算值，ed为励磁电流平移值i0’投影到水平轴的值，ef为励磁电流平移值i0’投影到垂直轴的值；

所述补偿绕组对比值误差和相位误差的补偿量的计算如下式，其中：n3为补偿绕组匝数，n2为二次绕组匝数，其他参数如本公式下所示；其中，z02为所述二次绕组内阻抗，r3为所述补偿绕组内阻，ψ为铁芯损耗角，α为z02的阻抗角，n3为补偿绕组匝数，n2为二次绕组匝数；

根据磁势平衡的关系，即可得所述二次绕组匝数补偿时对比值差的补偿量如下式，其中：nx为减少的所述二次绕组的匝数

优选地，工作在一次电流范围为100a至1000a。

优选地，工作在二次电流为5a和1a的标准电流下。

本发明所提供的技术方案，通过设置补偿绕组来补偿相位误差，使得互感器可以在一次直流含量为数百安级别及二次电流为5a和1a的标准电流下，能保证对电能的准确计量。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明一实施方式的一种抗直流电流互感器结构图；

图2为根据本发明一实施方式的一种抗直流电流互感器的带气隙的抗饱和铁芯的结构示意图；

图3为根据本发明一实施方式的计算比值误差和相位误差各参数示意图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明一实施方式的一种抗直流电流互感器结构图。本发明实施方式提供的抗直流电流互感器，通过对铁芯材料进行改进，以及在铁芯上开设气隙，并通过设置补偿绕组，提高了电流互感器抗饱和的能力。解决了在直流含量高或半波直流大时，电能表能进行准确测量的问题。如图1所示，互感器100包括：抗饱和铁芯t1，抗饱和铁芯t1开有气隙；一次绕组w1，一次绕组w1用于连接被测量电路；二次绕组w2，二次绕组w2用于连接测量仪器；抗饱和铁芯t1上利用漆包铜导线依次绕制二次绕组w2、补偿绕组w3和一次绕组w1，通过补偿绕组对互感器的相位误差进行补偿；通过调整二次绕组的匝数对互感器的比值误差进行补偿。抗直流电流互感器的补偿绕组根据相位误差设置匝数，相位差越大补偿绕组匝数越多。采用铜漆包线在铁芯上密绕二次绕组，包覆绝缘膜之后同理绕制补偿绕组，一次绕组一般采取一次穿心方式。本发明的实施方式中，根据抗直流电流互感器的工作电压等级选取适当的绝缘方式，380v以下工作互感器采用普通绝缘方式，10kv高压互感器采用高压绝缘方式。

优选地，可用铁基非晶铁芯材料的铁芯。

优选地，抗饱和铁芯t1上的气隙开设为一个贯穿磁芯截面。可选择地，抗饱和铁芯t1上的气隙开设为两个，两个气隙贯穿两个铁芯截面，使抗饱和铁芯t1分为两个部分。抗饱和铁芯t1如果采用开气隙的铁芯，开气隙的大小根据铁芯的截面、磁路长度和直流的大小决定，在截面和磁路长度确定情况下，直流越大则气隙设置越大。

本发明的实施方式中，通过气隙大小算直流大小方法如下：首先测出不同气隙下磁化曲线，找到不同气隙下的拐点对应的磁场强度h，根据公式hl＝ni计算相应的直流电流，其中l为铁芯平均磁路长度，n为一次绕组的匝数，i为直流电流值；计算出磁强强度h，通过磁化曲线图，找出对应气隙的大小。通过气隙的大小，反推对应直流的大小。

优选地，当一次电流不小于200a时，一次绕组采用穿心的方式绕制。

优选地，本发明实施方式的抗直流电流互感器工作在一次电流范围为

100a至1000a。

优选地，本发明实施方式的抗直流电流互感器工作在二次电流为5a和1a的标准电流下。

以下进一步对本发明的实施方式进行举例说明：

图2为根据本发明一实施方式的一种抗直流电流互感器的带气隙的抗饱和铁芯的结构示意图。如图2所示，左侧为抗饱和铁芯t1开有1个气隙a的铁芯。图2右侧为抗饱和铁芯t1开有2个气隙b1和b2的铁芯。

为了保证抗直流互感器的抗饱和能力，本发明实施方式对抗饱和铁芯开气隙，使其饱和特性得到明显的改善。气隙越大铁芯的抗饱和能力就越强，但不是气隙越大就越好，因为气隙增加其误差也迅速增大，尤其是相位误差。所以在选择确定气隙和铁芯参数后需要采取相应的办法对其误差进行补偿。如图1中所示的补偿绕组w3，又称为短路匝绕组，即是用来补偿相位误差。

图3为根据本发明一实施方式的计算比值误差和相位误差各参数示意图。如图3所示，在没有补偿绕组作用时，根据比值误差f和相位误差δ的计算如下式，其中：i2为二次电流，i1为一次电流，ba为励磁电流i0投影到水平轴的值，bc为励磁电流i0投影到垂直轴的值；

本发明实施方式在未设置补偿绕组条件下，一次绕组和二次绕组的感应电势有e1＝e2′，其中，e1为一次绕组的感应电势，e2'为二次绕组的感应电势折算到一次的值；

对于设置有补偿绕组的互感器，一次绕组、二次绕组和补偿绕组的感应电势有如下关系式：e12＝e2'+e3',e12为设置补偿绕组后的一次绕组的感应电势，e3'为补偿绕组的感应电势折算到一次的值；

由于补偿绕组匝数n3远远小于二次绕组匝数n2，则可以认为补偿绕组感应电势e2'远远小于二次绕组感应电势e2'，则有e12≈e1，即补偿后的励磁电流i′0≈i0；

设置补偿绕组后的比值误差f’和相位误差δ’的计算如下式，其中：i3为补偿绕组电流，i1’为一次电流的折算值，ed为励磁电流平移值i0’投影到水平轴的值，ef为励磁电流平移值i0’投影到垂直轴的值；

补偿绕组对比值误差和相位误差的补偿量的计算如下式，其中：n3为补偿绕组匝数，n2为二次绕组匝数，其他参数如本公式下所示；其中，z02为二次绕组内阻抗，r3为补偿绕组内阻，ψ为铁芯损耗角，铁芯损耗角ψ需要通过试验测试得出。α为z02的阻抗角，n3为补偿绕组匝数，n2为二次绕组匝数；根据补偿绕组补偿相位差公式确定匝数，通过增加补偿绕组匝数，相位差往负向变化，减少补偿绕组匝数，相位差往正向变化，调整补偿绕组的匝数直到相位差满足设计的要求。

根据磁势平衡的关系，即可得二次绕组匝数补偿时对比值差的补偿量如下式，其中：nx为减少的二次绕组的匝数。

本发明实施方式，可以工作在一次电流含量为100a至1000a级下及二次为5a和1a标准电流下，因此可安装在电网中直流分量较高的线路中作为计量用电流互感器使用，并且使得电能表能够准确计量。本发明实施方式采用常规互感器的铁芯材料和制造工艺，结构简单，安装更换方便，便于维护和广泛推广应用。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。