磁閥式電流互感器幅頻特性研究

劉召杰 陳柏超 吳煜文 張哲璇

摘 要：隨著電力系統(tǒng)中電力電子設(shè)備和新能源的大量接入，線路中的直流分量可能嚴(yán)重影響電流互感器（CT）的測(cè)量準(zhǔn)確性。磁閥式電流互感器（MVCT）是一種新型電流互感器，能夠準(zhǔn)確補(bǔ)償因鐵芯飽和而發(fā)生畸變的二次電流。鑒于此，研究了MVCT頻率響應(yīng)理論模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其幅頻特性。

關(guān)鍵詞：磁閥式電流互感器（MVCT）;幅頻特性;幅頻響應(yīng)

中圖分類號(hào)：TM930.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）08-0063-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.08.018

0? ? 引言

電流互感器的傳變性能對(duì)繼電保護(hù)具有非常重要的影響[1-2]。由于磁芯材料的限制，電流互感器一直存在低頻特性較差的問題，這也會(huì)影響其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。具體來說，當(dāng)線路電流中存在直流分量時(shí)，鐵芯的磁化曲線工作點(diǎn)會(huì)發(fā)生偏移，嚴(yán)重情況下，會(huì)使鐵芯發(fā)生飽和，從而導(dǎo)致二次電流畸變失真。故電流互感器的飽和補(bǔ)償方法與新型電流互感器的研究仍是廣受關(guān)注的熱點(diǎn)。

本文在已有的研究基礎(chǔ)上[3-4]詳細(xì)分析了磁閥式電流互感器（MVCT）的工作原理，建立MVCT的理論頻率模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了MVCT的幅頻特性。

1? ? MVCT基本原理

磁閥式電流互感器裝置的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其所采用的鐵芯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在圖1中，N1、N2分別為一、二次繞組匝數(shù)，i1、i2分別為一、二次電流，R2為二次電阻。MVCT由半開口閉合鐵芯、磁場(chǎng)傳感器、一次繞組、二次繞組、二次電阻和信號(hào)調(diào)理電路組成。固定于氣隙中的磁場(chǎng)傳感器的作用是測(cè)量周向漏磁場(chǎng)，將測(cè)量到的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。信號(hào)調(diào)理電路將二次電阻上的電壓信號(hào)與磁場(chǎng)傳感器輸出的電壓信號(hào)按一定比例進(jìn)行相加，輸出與一次電流信號(hào)成比例的電壓信號(hào)，即為MVCT的輸出。

在圖2中，l為鐵芯平均周長，l1為鐵芯非氣隙部分的磁路長度，l2為氣隙部分的磁路長度，h為鐵芯的高度，kh為氣隙底部到鐵芯底部的高度（0

根據(jù)磁勢(shì)平衡Hdl=N1i1+N2i2，有：

i1=? ? ? （1）

在鐵芯大截面未飽和時(shí)，大截面鐵芯中的磁壓降H0l1很小，可以忽略。因此，在正常工作情況下，一次側(cè)電流表達(dá)式為：

i1=? ? ? ? ? ? （2）

2? ? 幅頻特性分析

寬頻帶范圍的普通電流互感器等效電路如圖3（a）所示[5]，所有參數(shù)均折算到二次側(cè)，根據(jù)MVCT的測(cè)量原理可以得知，磁場(chǎng)傳感器的作用相當(dāng)于測(cè)量勵(lì)磁電流，所以其等效電路圖可以用圖3（b）表示，與普通電流互感器相比，磁閥式電流互感器減少了勵(lì)磁支路。

圖中，n為匝數(shù)比（二次比一次），i1/n為輸入電流（即一次電流），Cp′/n2為一次繞組的電容，Lm為勵(lì)磁電感，Rc為鐵芯并聯(lián)等效電阻（表征損耗），Ll為二次繞組的漏感，Rs為二次繞組的電阻，C是雜散電容，R是感測(cè)電阻，LR是感測(cè)電阻的電感，vR為普通電流互感器的二次輸出電壓，vMVCT為MVCT的輸出電壓，一次匝數(shù)為1且為穿心式。假設(shè)電流互感器在鐵芯非飽和區(qū)工作。

普通電流互感器的上限截止頻率fH、下限截止頻率fL以及帶寬BW可近似由式（3）計(jì)算得到，可見普通電流互感器的低頻特性受勵(lì)磁電感嚴(yán)格限制。

在分析低頻性能時(shí)，忽略了漏感Ll、感測(cè)電阻電感LR和雜散電容C，因?yàn)長l和LR呈現(xiàn)非常低的電抗，而C在低頻時(shí)表現(xiàn)出非常高的電抗，等效電路如圖4（a）所示。

相對(duì)地，在分析高頻性能時(shí)，忽略了感測(cè)電阻電感LR和二次繞組電阻Rs。二次繞組電阻Rs遠(yuǎn)低于漏感Ll。假設(shè)使用無感的感測(cè)電阻，則其電感LR小得可以忽略不計(jì)，等效電路如圖4（b）所示。

容易分析得到，磁閥式電流互感器的高頻傳遞函數(shù)RMVCT-HF（s）、低頻傳遞函數(shù)RMVCT-LF（s）、上限截止頻率fH-MVCT、下限截止頻率fL-MVCT以及帶寬BWMVCT近似如式（4）所示：

由此可見，磁閥式電流互感器的頻帶為DC～fH-MVCT。若設(shè)計(jì)得當(dāng)，使雜散電容C盡可能小，則MVCT在測(cè)量范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)直流到高至兆赫茲級(jí)別交流電流的寬頻帶電流測(cè)量，而且是以較為簡單的結(jié)構(gòu)和較低的成本實(shí)現(xiàn)。對(duì)于具有高飽和磁密和低磁導(dǎo)率的鐵芯材料，可以有效補(bǔ)償?shù)皖l特性，拓寬鐵芯材料選擇范圍。

3? ? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采用的鐵芯外徑75 mm，內(nèi)徑40 mm，高30 mm，氣隙長度3 mm，磁閥高度比k為0.5，材料為非晶合金。一次匝數(shù)為15，二次匝數(shù)為35，二次電阻為1 Ω。所采用的磁場(chǎng)傳感器為TMR2503。

使用由正弦電壓源（信號(hào)發(fā)生器）和電阻串聯(lián)而成的簡單電路對(duì)MVCT進(jìn)行頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。信號(hào)發(fā)生器的振幅設(shè)置為10 V，頻率從0 Hz到5 MHz（均處于信號(hào)處理電路的頻帶內(nèi)），覆蓋了電力系統(tǒng)內(nèi)主要的電流頻率。

實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的幅頻特性如圖5所示。

MVCT樣機(jī)裝置中，二次電阻兩端與信號(hào)調(diào)理電路連接，在研究其頻率特性時(shí)，需要考慮信號(hào)調(diào)理模塊的影響。

經(jīng)測(cè)量，輸出端口的等效電阻約為1.14 Ω，等效電容約為30.68 nF，不考慮信號(hào)調(diào)理模塊時(shí)，等效電阻約為1.02 Ω，等效電容約為9.113 nF。根據(jù)式（4）可計(jì)算出考慮信號(hào)調(diào)理模塊時(shí)的上限截止頻率約為4.55 MHz，不考慮信號(hào)調(diào)理模塊時(shí)的上限截止頻率約為17.12 MHz，信號(hào)調(diào)理模塊的設(shè)計(jì)也限制了MVCT的上限截止頻率。

由圖5可知，MVCT的上限截止頻率比5 MHz略小，與上文計(jì)算的4.55 MHz相近，與式（4）較為符合。相頻特性由于信號(hào)處理模塊的影響與理論模型有所差異。由此可見，MVCT的后續(xù)信號(hào)宜在采樣后進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。

4? ? 結(jié)語

MVCT是一種新型電流互感器，其克服了傳統(tǒng)CT存在的電磁飽和問題，具備良好的低頻特性。本文推導(dǎo)了MVCT的頻率特性模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證頻響模型的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的通頻帶為0～4.6 MHz，基本涵蓋電力系統(tǒng)內(nèi)主要的電流頻率。

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收稿日期：2022-01-06

作者簡介：劉召杰（1980—），男，上海人，高級(jí)工程師，研究方向：新型控制系統(tǒng)。