一种具有电磁平衡功能的抗干扰零序电流互感器的制作方法

本发明涉及互感器技术，具体是一种具有电磁平衡功能的抗干扰零序电流互感器。

背景技术：

零序电流互感器又称剩余电流互感器，是一种专门用来转换零序电流(剩余电流)的电流互感器。它可以是三台电流互感器组成的电流互感器组，也可以是单台零序电流互感器。通过电磁感应原理，将一次导体上的大电流转换成便于计量、测量及继电保护的小电流，实现与一次导体线路绝缘与隔离，以保证操作人员和仪表的安全。目前电力行业使用的零序电流互感器，一般用于三相或多相一次回路的监控，通过互感器配合继电保护装置加以实现。

由于一次导体穿过互感器时位置不一，使零序电流互感器铁芯磁场分布不均匀，导致互感器二次输出数据不稳定，不能将一次回路信息准确反馈给二次保护装置，易造成“误动”或“拒动”等现象，，使得保护装置无法实现准确保护和监测功能，危害设备以及人生安全。同时，随着电力设备集成化程度的提高，设备间距显著减少，互感器周边各式各样的带电体不断增多，电场环境显著劣化。零序互感器受到干扰后传变特性严重降低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有电磁平衡功能的抗干扰零序电流互感器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种具有电磁平衡功能的抗干扰零序电流互感器，包括互感器本体，所述互感器本体外部套装有抗电磁屏蔽结构，并在抗电磁屏蔽结构外侧设置有二次绕组和由二次绕组形成的电磁平衡结构；所述二次绕组具有四段独立的绕组线，四段绕组线具体分为上、下、左、右绕组线，四段绕组线并联后连接二次绕组出线；所述左、右绕组线匝数为1800匝，上、下绕组线匝数为900匝，上、下边绕线串联组成为中间绕组。

所述抗电磁屏蔽结构包括位于互感器本体外侧并依次对接形成密封整体的下屏蔽层、上屏蔽层、内屏蔽层和外屏蔽层，具体的，在抗电磁屏蔽结构外侧设有用于对其整体进行固定的绝缘胶带层。

作为本发明的优选方案：所述磁感器本体和抗电磁屏蔽结构之间设有绝缘层。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本装置巧妙设计零序电流互感器二次绕组布线，保证其自身电气性能不受一次穿心导体位置影响；选择特殊的抗电磁干扰材料，设计全方位的抗干扰电磁屏蔽结构，减少外部场源对零序电流互感器本体的电磁干扰；设计平衡绕组，巧妙利用外磁场在零序电流互感器铁芯各部分产生的磁通差异所产生的电势差形成环流，减少外界杂散磁通对零序电流互感器电气性能的影响，本设计实现了电磁平衡和抗干扰与零序电流互感器的结合，使得零序电流互感器在运行过程中其电气性能不受其它因素的干扰，大大提高了电力系统运行的稳定性和安全性，为电力系统安全可靠运行提供了一个有效的实现手段。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的剖面图；

图3为本发明中抗电磁屏蔽结构的剖面图；

图4为本发明安装在开关柜上时的结构示意图；

图5为邻近电流对互感器跑道型铁芯的影响的示意图；

图6为b1相垂直放置的屏蔽绕组平衡电流向量图；

图7为b1相水平放置的屏蔽绕组平衡电流向量图。

图中1-互感器本体，11-绝缘层，2-抗电磁屏蔽结构，21-下屏蔽层，22-上屏蔽层，23-内屏蔽层，3-二次绕组出线，4-二次绕组，5-电磁平衡结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

请参阅图1-3，一种具有电磁平衡功能的抗干扰零序电流互感器，包括互感器本体1，所述互感器本体1外部套装有抗电磁屏蔽结构2，并在抗电磁屏蔽结构2外侧设置有二次绕组4和由二次绕组4形成的电磁平衡结构5；所述二次绕组4具有四段独立的绕组线，四段绕组线具体分为上、下、左、右绕组线，四段绕组线并联后连接二次绕组出线3；此均匀布线方式可保证一次导体通过跑道型零序互感器时，互感器二次电气性能不随一次穿心导体位置的不同而受影响，从而保证零序电流互感器吱声不受穿心而过一次导体的位置影响。

具体的，所述左、右绕组线匝数为1800匝，上、下绕组线匝数为900匝，上、下边绕线串联组成为中间绕组，各绕组线可通过增减匝数进行匝数补偿，从而达到二次输出性能一致得目的。

在进行互感器电气性能的设计时，设置目标参数：当额定频率为50/60hz，运行温度：-40℃～80℃，使用环境为sf6气体中(0～0.3mpa)，零序一次电流为0.2～20a时，输出电压(二次)(连接200ω和2kω防开路电阻时的输出电压)满足：

为保证产品电气性能的可靠性，结构主材料使用高导磁、低损耗及良好的稳定性的超微晶合金，二次绕组4使用耐高温、低阻抗的漆包铜线(qz-2)；降低了互感器损耗，有效的减小互感器的比差和角差，提高了精度。

所述抗电磁屏蔽结构2包括位于互感器本体1外侧并依次对接形成密封整体的下屏蔽层21、上屏蔽层22、内屏蔽层23和外屏蔽层，具体的，在抗电磁屏蔽结构2外侧设有用于对其整体进行固定的绝缘胶带层。

目前，传统的屏蔽措施常使用导电性能良好的铜或铝制的外罩罩在互感器外面，并在结构上避免屏蔽罩形成环绕铁芯短路匝。然传统的铜或铝材料，导电性能一般，且在制成的罩体上由于涡流产生，其散发的热量可能会使互感器过热，改变互感器的运行环境，对电流互感器的性能造成影响；因此，本设计中抗电磁屏蔽结构2采用硅钢片材料，下屏蔽层21和上屏蔽层22均由12片0.5mm厚170*490mm长方形无取向硅钢片一一对应叠加形成六组贴敷在互感器上下表面，内屏蔽层23和外屏蔽层均由0.23mm厚17mm宽带状取向硅钢片组成，且内屏蔽层23和外屏蔽层外侧均进行浸漆处理。

所述电磁平衡结构是由在互感器的环形铁芯圆周上正交布置的两对绕组线构成，每个绕组线各占磁感器铁芯圆周的1/4，皆为ns匝。邻近电流对互感器环形铁芯的影响可用如图5表示，以邻近导体为圆心，以为半径的圆(d为电源导线相间距离，r为电流互感器铁芯外半径)，视为邻近电流杂散磁通的主路径，磁通由a1、a2点进入铁芯，分2路经铁芯两侧半圆周汇合到b1、b2点流出，2对屏蔽绕组线连接，分别相当于胡成短路的2个开磁路低精度电流互感器；按照互感器原理，其一次安匝为磁位差a1-b1、a2-b2(与邻近电流i1、i2同向，二次安匝icqns与之基本上树脂相等方向相反，正好平衡外来磁势，起着屏蔽磁感器铁芯的作用。

电流icq称为平衡电流，与邻近电流i1、i2的相位差为π，可用下式计算：

平衡电流的产生必须有一定量的剩余杂散磁通存在，这些磁通量取决于屏蔽绕组的阻抗。如忽略其微小漏抗，则磁通与绕组电阻成正比，磁通与平衡电流的相位差为π/2(滞后)。额定电流下的剩余杂散磁通密度bsn。用下式计算

式中rs----单个屏蔽绕组的电阻，单位为ω；

icq1----邻近额定电流下屏蔽绕组的平衡电流，单位为a；

s----电流互感器铁芯截面积，单位为㎡；

f----额定频率，单位为hz。

额定电流二次绕组主磁通密度用下式计算：

式中i2n----额定二次电流，单位为a；

rct----二次绕组电阻，单位为ω；

n2n----二次绕组匝数；

rb、xb----二次负荷的电阻、电抗，单位为ω。

由于环形电流互感器的一次电流达数千a，二次绕组4匝数多，绕组电阻值比二次负荷阻抗值相对较大，无论负荷功率因数如何，互感器二次回路的阻抗角皆较小，互感器主磁通b2导前二次电流k。(滞后一次电流)的相位差接近于π/2，在此假定此相位差为π/2。

环形电流互感器的主磁通经铁芯圆周闭合，剩余杂散磁通经部分铁芯和空气回路闭合，两种磁通在彼此相位差最小的部分铁芯上的相量和形成铁芯局部最高磁通。

参阅图4，在实际使用中，安装在开关柜套管上的互感器，其铁芯中的杂散磁通与套管的布置方式有关。图中，a1、b1、c1为出线端，a2、b2、c2为中性点端，每一相套管上的环形电流互感器都受到其他邻近相的电流产生的磁场的影响，故每个环形电流互感器的环型铁芯上都正交布置两对屏蔽绕组，用来屏蔽各相电流的磁场影响。

开关柜中正常工作时三相电流对称，互感器结构参数完全相同；在三相电流(ia1、ib1、ic1、ia2、ib2、ic2)下，由于b1、b2相位于呈对称位置分布的各相电流的中间，其铁芯中产生最高磁通密度，故本文仅讨论这两相的磁通分布情况，其他各相情况分析方法可以类推。对于b1相垂直放置的屏蔽绕组来说，电流ia1、ia2与ic1、ic2在此绕组中产生平衡电流的相量差(ia1、ib1、ic1分别与ia2、ib2、ic2同相位)，构成此垂直放置的屏蔽绕组的总平衡电流i’cqb1(b2相电流在此绕组中不产生平衡电流)，它导前于石ib1，相位差为π/2，如图6所示。

对于电磁平衡结构5来说，安装在开关柜套管上的三相组电流互感器，其铁芯中的杂散磁通与套管的布置方式有关，实际应用中一般按图2方式布置。图中，a1、b1、c1为出线端，a2、b2、c2为中性点端，每一相套管上的环形电流互感器都受到其他邻近相的电流产生的磁场的影响，故每个环形电流互感器的环型铁芯上都正交布置2对屏蔽绕组，用来屏蔽各相电流的磁场影响。

开关柜组正常工作时三相电流对称，互感器结构参数完全相同。在三相电流(ia1、ib1、ic1、ia2、ib2、ic2)下，由于b1、b2相位于呈对称位置分布的各相电流的中间，其铁芯中产生最高磁通密度，故本文仅讨论这两相的磁通分布情况，其他各相情况分析方法二次绕组可以类推。对于b1相垂直放置的屏蔽绕组来说，电流ia1、ia2与ic1、ic2在此绕组中产生平衡电流的相量差(ia1、ib1、ic1分别与ia2、ib2、ic2同相位)，构成此垂直放置的屏蔽绕组的总平衡电流i’cqb1(b2相电流在此绕组中不产生平衡电流)，它导前于石ib1，相位差为π/2，也如图6所示。

同理，对于b1相水平放置的屏蔽绕组，可有如图7所示的平衡电流向量图。

图7中b1相水平放置的屏蔽绕组平衡电流：icqb1导前于ib1相位差为π/3。任一相互感器中，互感器主磁通与剩余杂散磁通的相位差，如在半个铁芯中为α，在另半个铁心中则为(π－α)，α为2种磁通的最小相位差。如上所述，互感器主磁通滞后于本相电流π/2，b1相水平放置的屏蔽绕组和垂直放置的屏蔽绕组的剩余杂散磁通导前于平衡电流π/2，所以互感器本相电流与总平衡电流的相位差，便是主磁通与剩余杂散磁通的最小相位差α。在短路故障情况下，如过电流倍数为k，则邻近相过电流时剩余杂散磁通将增大k倍，本相过电流时主磁通也增大k倍。2种磁通如何叠加，与三相系统的短路故障状态有关。开关柜通常为中性点不接地系统，短路故障可仅考虑两相短路和三相短路。铁芯未饱和时，各磁通为正弦波向量。铁芯进入饱和后，假定各磁通为近似正弦波(保持磁通幅值)向量，则可采用向量加法。2个相位差为α的向量u和v，w相量可以用余弦定理公式计算

表1三相对称额定电流下b1相屏蔽绕组的总平衡电流和剩余杂散磁通

额定电流下铁芯具有最高磁通密度的b1相状态列于表2。利用表1，能够分别得到三相对称额定电流下的b1相互感器垂直放置的屏蔽绕组和水平放置的屏蔽绕组的最高磁通密度计算公式：

三相对称短路电流下的计算公式，则用以上两式乘以过电流倍数k。两相短路时，两相的短路电流相等，方向相反，但前述最小相位差为0，也可以用余弦定理公式得到计算公式，所得各式列于表2。应用表2的计算公式，可对电流互感器的屏蔽绕组进行设计，计算出各种短路状态下铁芯的最高磁通密度。

表2各种状态下b1相互感器铁芯的最高磁通密度

实施例2：

与实施例1的区别在于，在磁感器本体1和抗电磁屏蔽结构2之间设有绝缘层11，绝缘层采用树脂浇筑形成并在进行抗电磁屏蔽结构2安装前完成，不需要进行二次浇筑。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。