基于新型納米晶材料的兩級低功耗電磁式電流互感器設計

陳偉峰，林 磊，盧德祥，吳姝婷，陳麗仙

（國網龍巖供電公司，福建 龍巖364000）

電流互感器（TA）作為建設堅強智能電網的重要組成部分，其在電力系統計量、繼電保護、系統診斷與電流信息監測等領域都發揮著不可忽視的作用，其測量精度、運行可靠性關乎電網的安全運行。因而，研制一種在保證準確度、安全性等前提下，實現低功耗的電流互感器具有一定現實意義。

1 電流傳感原理的研究分析

在電力系統中，各類電氣、電子應用中電流信息無處不在，其在電氣隔離，精確度等級，帶寬測等方面都有不同的性能要求，不同的電流測量方法應需而生[1]。常見的電流互感器有電阻分流器、Rogowski線圈型電流互感器以及電磁式電流互感器。

1.1 電阻分流器

電阻分流器的原理相對簡單，其一階等效圖如圖1，包括寄生電感Ls和集膚效應引起的電阻Rs，常被用于簡單的電流檢測。但電流流經電阻分流器會產生大量的功率損耗，這種功率損耗會限制在高電流應用中使用電阻分流器[2]。此外，當流經電流達到100 kA及以上時，集膚效應明顯，其測量帶寬將會被嚴重影響，如圖2所示。實驗結果表明，當電阻分流器被用于測量大電流時，將會導致低帶寬和低輸出電壓。

圖1 電阻分流器的一階等效電路

圖2 典型的貼片電阻分流器阻抗測量圖

1.2 Rogowski線圈型電流互感器

圖3 呈現了基于法拉第磁感應定律的典型Rogowski線圈。

圖3 典型Rogowski線圈示例圖

根據Ampere定理可得公式（1）：

當電流ic流過導線所包裹的區域時，假定電流ic在線圈內居中，則磁通密度B可以簡化為公式（2）：

根據Faraday定律來確定可得，在Rogowski線圈中，電流ic的變化而產生的感應電壓ν可以被描述為：

其中，A是繞組的橫截面積，N是匝數。感應電壓ν與待測電流ic的導數成正比。利用具有積分常數k和高輸入阻抗的積分器可以產生精確的結果：

Rogowski線圈的傳感原理是通過對磁通量變化檢測來實現的，感應電壓與電流變化成比例。在t=0處的電流是vout(0)無法獲取直流值。因此，一般的Rogowski線圈不適合用于測量低頻電流。

1.3 電磁式電流互感器

電流互感器利用法拉第感應定律來實現電流測量。該結構的線圈通常有一個主匝和多個二次匝數，并采用了相對磁導率較高的磁芯[3]。其等效原理如圖4。

圖4 電磁式電流互感器的等效電路圖

電磁式電流互感器具有與初級電流成正比的輸出電壓的優點，且其無須采用積分器，具有極高的幾何選擇性，同時N，Rs內的損耗也可保持在較低水平。但遺憾的是，直流或磁芯飽和來會降低測量精度的問題，這對電能計量測試、保護精度的判斷會帶來較大的影響。

基于上述3種類型的電流互感的描述，其輸出帶寬、大電流輸入以及功耗方面都在不同程度的影響，在如今對電能質量、用電安全不斷提高，損耗更低、性能更優的電流互感器設計需求亟待解決。

2 基于新型納米晶材料的兩級低功耗電流互感器設計

考慮到極端大電流和磁飽和的影響，本文以電磁式電流互感器的設計為基礎，選擇具有高磁導率的新型材料納米晶為磁芯，其特有的高飽和度，線性B-H曲線，低剩磁，中頻低磁芯損耗，熱穩定性強等優點，極大地滿足了設計的需求。此外，本設計還采用高、低磁導率兩級磁芯，可電流互感器的線性，重復性，精度等性能。

設計的額定電流為1 kA，其頻率帶寬為10 Hz～1 MHz，原理如圖5所示。

圖5 兩級電流互感器配置框圖

該系統由兩個磁芯組成，第一個磁芯（TC1）的次級線圈套入第二個磁芯（TC2）并進行短路連接。由于輸出負載接近零，TC1的截止頻率f1較低。TC1選擇具有低磁導率的材料，可以避免存在測量電流中含有直流分量導致磁芯飽和的問題。TC2的次級線圈與檢測電阻R2相連，該磁芯具有高磁導率值以及低截止頻率。基于兩級電流互感器的電氣低頻模型被建立起來，在模型中漏磁和寄生電容被忽略，如圖6所示。電流的表達式如下：

圖6 兩級電流互感器的電氣低頻模型

對于TC1變壓器，使用了具有低磁導率的FeSiBCuNb納米晶制成的磁芯。主要優點是高飽和度（1.2 T），無氣隙情況下具有低磁導率，極佳的磁導率穩定性和熱穩定性。由于TC2變壓器應具有高磁導率以獲得提高的磁化電感，因此我們使用退火納米晶作為磁芯。具體的磁芯參數如表1所示。

表1 納米晶磁芯參數表

在圖7和圖8中，實驗結果顯示實際的頻率行為與仿真模型相比顯示出良好的一致性。低截止頻率實際上約為10 Hz，高截止頻率為1 MHz。

圖7 兩級電流互感器的設計結果（幅度）

圖8 兩級電流互感器的設計結果（相位）

觀察實驗結果，該種基于新型納米晶材料的兩級低功耗電流互感器設計能夠滿足較寬的帶寬輸出，而且保留了電磁式電流互感器低損耗的優點。此外其還具有電磁式電流互感器缺乏的磁導率穩定性和熱穩定性，這將極大程度提高電流互感器在不同工況下的運行穩定程度。

3 結束語

本文分析了當前幾類電流互感器的傳感機理，并針對不同類型TA的相關優缺陷進行闡釋。從極端大電流和磁飽和以及截止頻率等幾個關鍵性能進行考量，綜合分析后給出了基于新型納米晶材料的兩級低功耗電流互感器設計。從理論分析和實驗結果來看，該種設計能夠較大程度提升現有互感器的相關性能，設計成效超出預期。