具有電磁平衡功能的抗干擾零序電流互感器的設(shè)計與制造

封容平，顧小良，唐福新，姜小貴，徐 冰

（1.浙江天際互感器有限公司，浙江 江山 324100；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司江山市供電公司，浙江江山 324100）

零序電流互感器是一種專門用來變換零序電流的電流互感器。在電力系統(tǒng)中，零序電流互感器通常與繼電保護裝置配合，當線路產(chǎn)生零序接地電流時（或接地故障時），使裝置元件有選擇性地跳閘或發(fā)出信號，以實現(xiàn)保護或檢測線路正常運行的作用。然而在互感器行業(yè)中，涉及到零序電流互感器在復雜場源環(huán)境中的抗電磁干擾技術(shù)實踐較少，國內(nèi)對于零序電流互感器的抗電磁干擾研究基本僅限于簡單屏蔽室設(shè)計或是單獨的平衡繞組繞制，抗電磁干擾效果不理想，互感器殘余電壓較高，對于配合使用的繼電保護裝置其電壓信號采集影響較大，同時，國內(nèi)對于互感器主繞組平衡鐵芯內(nèi)磁場技術(shù)的研究更是相當匱乏，技術(shù)手段少。而隨著中低壓電氣自動化的不斷普及，市場對不同種類和結(jié)構(gòu)的具有電磁平衡功能的抗干擾零序電流互感器產(chǎn)品的需求不斷增加，加之該類產(chǎn)品當前不成熟的抗電磁干擾技術(shù)水平，這無疑將會給電網(wǎng)的安全可靠運行帶來更多的不安全因素和巨大的風險。

本文提供了一種具備強抗干擾能力、在復雜電磁環(huán)境下能夠準確測量零序電流互感器的實施方案。通過主繞組分段繞制與平衡繞組技術(shù)組合，平衡鐵芯內(nèi)磁場；使用硅鋼片作為屏蔽層材料，對互感器內(nèi)外上下各方位進行屏蔽層，對外磁場進行電磁屏蔽，解決零序電流互感器在穿心一次導體位置差異和鄰近電流、或周邊導體等多場源環(huán)境中，所受電磁場干擾導致零序電流互感器輸出“失真”繼而影響繼電保護裝置失準的設(shè)計問題。

本文以如下這款零序電流互感器參數(shù)要求進行闡述。

系統(tǒng)額定電流：600 A。

使用環(huán)境：SF6氣體中（0～0.3 MPa）。

額定頻率：50/60 Hz。

運行溫度：-5～40 ℃。

準確度要求：零序一次電流為0.2～30 A時，輸出電壓（二次）（連接200 Ω和2 kΩ電阻時的輸出電壓）滿足表1要求。

表1 誤差限值表

殘留電壓特性：三相平衡50 Hz 600 A 電流下，二次電壓小于6 mV。

為了保證零序電流互感器在電力系統(tǒng)中保持自身電磁平衡和抗外界電磁干擾的性能，并滿足長期可靠運行的技術(shù)性能和安全要求，需要從零序電流互感器自身結(jié)構(gòu)設(shè)計開始，并設(shè)計抗電磁屏蔽和電磁平衡結(jié)構(gòu)。下面介紹本型零序電流互感器的設(shè)計過程。

1 互感器繞組設(shè)計

1.1 繞組設(shè)計

為保證產(chǎn)品電氣性能的可靠性，結(jié)構(gòu)主材料使用高導磁、低損耗及良好的穩(wěn)定性的超微晶合金，二次導線使用耐高溫、高導電率的漆包銅線（QZ-2/155）。降低了互感器損耗，有效地減小互感器的比差和角差，提高了精度。

根據(jù)用戶使用場所，安裝互感器的空間尺寸，給出初步的鐵芯尺寸，采用電流互感器誤差計算程序，多次逼近法算出符合要求的鐵芯尺寸。

結(jié)合生產(chǎn)實際，選擇跑道型超微晶合金規(guī)格為134 mm×454 mm×20 mm（200 mA，0.32≥mV），漆包線線徑為0.41mm。

1.2 繞組繞制工藝

使用繞線機分四段同方向均勻繞制，其中跑道型左、右繞組匝數(shù)為1800匝，上、下兩邊繞組匝數(shù)為900 匝，串聯(lián)(11 和12 相聯(lián))上、下邊繞組成為中間繞組。將左、右、中間繞組并聯(lián)二次出線（如圖1所示）。此均勻布線方式可保證一次導體通過跑道型零序互感器時，互感器二次電氣性能不隨一次穿心導體位置的不同而受影響。

圖1 二次繞組繞制方式設(shè)計

1.3 繞組檢驗

為了驗證一次導體穿過繞組時在不同位置時的二次輸出誤差，檢測了5 組誤差數(shù)據(jù)，一次導體的位置如圖2所示，實測參數(shù)詳如表2所示。

圖2 一次導體布置位置

表2 實測參數(shù)表

表3 實測參數(shù)表

2 屏蔽層結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了防止臨近導體的影響及外磁場的干擾，確保精度滿足要求，在繞組外圍設(shè)置兩層屏蔽層。

根據(jù)二次繞組的形狀，第一層屏蔽選用硅鋼片作為屏蔽材料，在繞組的上、下、內(nèi)、外用硅鋼片進行包裹，如圖3所示。

圖3 抗電磁屏蔽結(jié)構(gòu)圖

上下屏蔽層制作。

采用186 mm×486 mm×20 mm×0.5 mm 跑道型硅鋼片12 片，分6 片重疊兩組，并置于繞組上下表面固定。

內(nèi)外屏蔽層制作。

采用厚0.23 mm 寬17 mm 帶狀硅鋼片，在繞組內(nèi)圈及外圈各包扎10層。

2.1 平衡繞組的屏蔽原理

屏蔽繞組是由在互感器的環(huán)形鐵芯圓周上正交布置的2 對屏蔽繞組構(gòu)成，每個繞組各占鐵芯周長的1/4。鄰近電流對互感器環(huán)形鐵芯的影響可用圖4表示，視為鄰近電流雜散磁通的主路徑，磁通由a1、b1 點進入鐵芯，分2 路經(jīng)鐵芯兩側(cè)半圓周匯合到a2、b2點流出。

圖4 鄰近電流對互感器跑道型鐵芯的影響

圖5 平衡繞組布置圖

圖4中的2對屏蔽繞組連接，分別相當于形成短路的2個開磁路低精度電流互感器。其一次安匝、二次安匝基本上數(shù)值相等方向相反，正好平衡外來磁勢，起著屏蔽鐵芯的作用。

2.2 平衡繞組的制作方式

平衡繞組選擇線徑為0.55 mm 的漆包線，繞組匝數(shù)相等（N1=N2=800 T），繞制方向相反（如圖4所示）。

殘留電壓特性測試：在三相平衡50 Hz 600 A電流下，二次電壓3.5 mV。

經(jīng)過檢測各性能指標均符合相關(guān)要求。

3 結(jié)束語

一種具有電磁平衡功能的抗干擾零序電流互感器，繞組分四段均勻繞制，然后同極性并聯(lián)二次出線；抗電磁屏蔽結(jié)構(gòu)包括內(nèi)外和上下屏蔽層，包覆在互感器本體表面，屏蔽層采用抗電磁干擾材料組成；電磁平衡結(jié)構(gòu)由平衡繞組組成，每組平衡繞組由兩段匝數(shù)相同的繞組組成。產(chǎn)品可配合相電流互感器，或直接配備安裝支架直接用于零序電流控制，簡單便捷。實現(xiàn)了電磁平衡和抗干擾與零序電流互感器的結(jié)合，使得零序電流互感器在運行過程中其精度性能不受其他因素的干擾，大大提高了電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性，為電力系統(tǒng)安全可靠運行提供了一個有效的實現(xiàn)方案。