基于改进铁心材料的2000 A_5 A电磁式电流互感器性能仿真与分析.pdf

2023 年 5 月第 19 卷 第 2 期系统仿真技术System Simulation TechnologyMay，2023Vol.19，No.2基于改进铁心材料的2 000 A/5 A电磁式电流互感器性能仿真与分析索思远*，孙晋凯，刘佳易，王薇蓉，杨艳芳（国网山西营销服务中心，山西 太原 030000）摘要：电磁式电流互感器一次电流变化范围的增大对电能计量的准确性提出了挑战。针对现有电磁式电流互感器在宽范围一次电流下的测量误差不能满足计量要求的情况，本研究首先介绍一种改进的铁心材料，并测量其基本参数，然后基于这种铁心材料设计2 000 A/5 A的电磁式电流互感器，最后通过仿真计算测量误差以及铁心磁场的分布。关键词:电磁式电流互感器；宽量程；铁心材料；磁场分布Performance Simulation and Analysis of 2 000 A/5 A Electromagnetic Current Transformer Based on Improved Iron Core MaterialSUO Siyuan*，SUN Jinkai，LIU Jiayi，WANG Weirong，YANG Yanfang（State Grid Shanxi Marketing Service Center，Taiyuan 030000，China）Abstract：The increase of the primary current variation range of electromagnetic current transformers poses a challenge on the accuracy of electric energy measurement.The measurement error of the existing electromagnetic current transformer under a wide range of primary current cannot meet the measurement requirements.Aiming at this problem，an improved iron core material is firstly introduced and its basic parameters are measured.Then based on this core material，a 2 000 A/5 A electromagnetic current transformer was designed.Finally，the measurement error and the distribution of the iron core magnetic field are calculated by simulation.Key words：electromagnetic current transformer；wide range；iron core material；magnetic field distribution近年来，负荷的变化范围对电能计量准确性的要求逐渐提高。根据社会工业和居民的用电情况，负荷的变化范围可以为一次额定电流的0.1%200%。现有电磁式电流互感器的设计对一次额定电流的 5%120%的负荷能够满足计量的准确度要求。而对于小负荷和大负荷，由于电磁式电流互感器性能的限制，都不能满足计量准确度的要求。因此，需对现有电磁式电流互感器进行改进设计，来应对负荷变化范围较大的计量需求。对于负荷变化范围，其测量的准确度不够的问题，最常用的方法是对电流互感器的测量误差进行补偿。既往有很多文献对电流互感器的误差补偿方法进行了资助项目：国网山西省电力公司科技项目（52051L200009）通信作者：索思远，E-mail：中图分类号:TM452 文献标志码:A DOI:10.16812/31-1945.2023.02.005系统仿真技术第 19 卷 第 2 期研究。文献 1-2 对误差补偿方法进行了讨论，认为误差是由励磁电流引起的，可以通过带有模拟电路的控制电路产生该电压来减少次级电路上的电压降或者采用数字补偿方法来对准确度进行提升，从而减少比率和角度误差。文献 3-4 研究了电网运行工况对互感器误差的影响。文献 5-8 研究了谐波对互感器测量误差的影响，并提出了多种方法来提升测量准确度，减小误差。文献 9-10 研究了直流偏置对互感器测量误差的影响，用直流磁通的磁通门检测和数字反馈补偿减少了整体误差。文献 11-12 研究了温度对互感器测量误差的影响，并提出了补偿方法。现有的误差补偿方法很多，但是对于一次额定电流0.1%200%的负荷变化下都能满足计量准确度要求的方法还没有文献提及。鉴于励磁电流对于电流互感器误差的影响，本研究从铁心材料的性能改进入手，提高铁心材料的励磁性能可以从根本上减小电流互感器的误差。本研究针对宽范围一次电流下的测量误差不能满足现有计量要求的情况，首先介绍了一种改进的铁心材料，测量了其基本参数，然后基于这种铁心材料设计了2 000 A/5 A的电磁式电流互感器，最后通过仿真计算了测量误差以及铁心磁场的分布。1 电流互感器的结构和工作原理 图1为电流互感器的实际结构图，图中互感器铁心为圆环形，一次绕组穿过铁心，二次绕组绕制在铁心上。当一次绕组通入交变电流时，铁心会感应出交变电磁场，会为二次绕组提供感应电动势，二次绕组接负载后便会产生二次电流。电流互感器的工作原理和变压器一致。电流互感器等效电路如图2所示。根据等效电路可以得到电流互感器输入一次电流和输出二次电流的表达式为I2=I1ZmZm+Z2+ZL（1）其中，Z1、Z2、Zm、ZL分别为电流互感器的一次阻抗、二次折算到一次的阻抗、激磁阻抗和二次折算到一次的负荷阻抗；I1、I0、I2分别为一次电流、激磁电流和二次折算到一次的电流；E1、E2分别为一次的感应电动势和二次折算到一次的感应电动势。实际运行中的电流互感器二次侧负载很小，可以认为是短路，而二次绕组阻抗也很小。从图2的等效电路可以看出，一次电流绝大部分会分流到二次侧，也就是一次电流与折算后的二次电流几乎完全相等。设电流互感器变比为k，实际的二次电流将会是一次电流的1/k，实现了电流互感器将大电流高准确度、成比例地缩小为小电流的作用。即使宏观上电流互感器传变准确度很高，但二次电流的产生始终是需要磁场来维持的，也就是励磁电流I0始终是存在的，故电流互感器会存在一定的误差。电流互感器的误差为=-kI2-I1I1=-jl(Z2+ZL)2fN2S（2）式（2）中，l为磁芯的平均磁路长度，f为工作的频率，为磁芯的磁导率，N为二次绕组匝数，S为磁芯截面积。不同的铁心材料有着不同的磁导率，铁心材料对互感器误差的影响体现在磁导率上。铁芯磁导率与电流互感器的误差成反比，增大铁芯磁导率可减小误差。采用具有高初始磁导率、高饱和磁感应强度的铁心材料将减小互感器的误差。现有的纳米晶软磁合金1K107配方生产的材料，初始相对磁导率一般在150 000左右。根据宽量程电流互感器对铁心材料的要求，本研究对铁心材料的配方进行改进。改进的铁心材料可以具有非常高的初始相对磁导率，同时饱和磁感应强度和现有材料相比变化不大，也有相当高的数值。改进的材料及现有材料的配方如表1所示。图1电流互感器实际结构图Fig.1The actual structure diagram of current transformer图2电流互感器等效电路Fig.2The equivalent circuit of current transformer表1磁性材料配方Tab.1The formula of magnetic material项目改进的材料现有材料铁81.3%73.5%硅9.0%13.5%铌6.4%3.0%硼2.0%9.0%铜1.2%1.0%其他0.1%0116索思远，等：基于改进铁心材料的2000A/5A电磁式电流互感器性能仿真与分析通过测试，材料的磁化曲线如图3所示。从图3中可以看出，新的材料具有非常高的初始相对磁导率，最高可达280 000，饱和磁感应强度则为1.2 T。图3中横坐标表示磁场强度H，纵坐标为磁感应强度B。从磁化曲线可以看出，相同的B下新材料的H比现有材料小，说明新材料的导磁性能要优于现有材料。2 新铁心材料电流互感器性能仿真与分析 2.1仿真环境本研究采用 MATLAB/Simulink 软件计算新材料下电流互感器的误差，但不能直观地体现互感器电磁场分布。为了弥补这一不足，本研究在COMSOL软件中建立了电流互感器的三维模型，2 000 A/5 A的电流互感器铁心为矩形，几何参数（包含铁心长宽、铁心厚度、匝数、导线材料与直径等）如表2所示。实验环境为工频电流，外部为空气，无其他电磁场干扰。实验方法为定义互感器的几何参数后，在材料接口中定义互感器各个部分的材料属性，在磁场接口中定义一、二次绕组的线圈参数。在电路接口中定义电流互感器外电路参数，包括一次电流和二次负载。最后在不同的一次电流下对互感器的磁场分布进行计算。2.2比差和角差本研究采用的电流互感器为2 000 A/5 A，电流互感器Simulink仿真模型如图4所示，其中磁芯的模型为图4中Nonlinear Transformer模块。输入一次电流经过铁心后二次绕组产生二次电流，通过傅里叶变换得到一、二次电流的幅值和相位，通过一、二次电流的幅值和相位计算电流互感器的角差和比差，最后输出比差和角差及互感器一、二次电流波形。对应的输入输出关系如图5所示。将改进材料和传统材料的磁性参数分别导入磁芯模型中，便可计算出不同材料下互感器的误差，Simulink计算结果如表3所示。可见铁心替换为改进材料后电流已经满足宽量程下的误差要求，而传统铁心材料在电流过大或过小时误差均会变大。新材料下典型工况的一、二次电流波形如图 6-8所示，分别为2 A、2 000 A、4 000 A时的电流波形，也就是0.1%200%额定电流的宽量程范围内最小电流、额定电流及最大电流。由图6-8可见，各电流下一、二次电流波形高度重合，新材料铁心的电流互感器具有极高的传变准确度。同时因为一、二次波形的高度重合，导致一、二次电流整体波形看起来是一条波形，并且从宏观上看不清互感器误差趋势。于是在每张图中加入了电流波形的部分放大波形，并且每张图的放大位置及比例一致。由图3铁心材料的磁化曲线Fig.3The magnetization curve of iron core material表22 000 A/5 A电流互感器的几何尺寸参数Tab.2The geometric parameters of the 2 000 A/5 A current transformer铁心外长宽86 mm52 mm铁心内长宽65 mm28 mm铁心厚度48 mm二次匝数400导线材料铜导线直径1.8 mm图4Simulink仿真模型Fig.4The model of Simulink simulation117系统仿真技术第 19 卷 第 2 期图6-8可见，最小电流时的误差相对最大，最大电流时次之，额定电流下误差最小，但误差小于0.2%。2.3磁场分布图9-11分别为宽量程下最小、额定、最大电流典型 工 况 时 的 新 材 料 电 流 互 感 器 的 电 磁 场 分 布结果。在电磁场分布图中，一次绕组和二次绕组中的箭头表示绕组中的电流方向，长方形铁心中的颜色表示磁场的强弱，此外还有黑色的箭头表示磁场的方向。电磁场分布图取的是电磁场最强时刻的分布。在电磁场分布图中，上方的“体：磁通密度模”指的是长方体铁心中磁感应强度B的大小，用颜色来区分，对应的颜色表在图的右侧；2个“体箭头：电流密度”表示一、二次绕组中电流的流向；“体箭头：磁通密度”表示铁心中磁场的方向。图5Simulink模型输入输出关系图Fig.5The input-output diagram of Simulink simulation表3Simulink计算结果Tab.3The results of Simulink calculation项目改进材料传统材料电流/A比差/%角差/（）比差/%角差/（）2-0.12237.032-0.402535.3810-0.09696.037-0.360829.5720-0.08735.667-0.351624.13100-0.08265.429-0.346622.78400-0.07884.994-0.316919.862000-0.04760.256-0.10566.0632400-0.04290.213-0.12597.8954000-0.08362.196-0.356928.36图62 A电流下的一、二次电流波形Fig.6The current waveform with current of 2 A图72 000 A电流下的一、二次电流波形Fig.7The current waveform with current of 2 000 A图84 000 A电流下的一、二次电流波形Fig.8The current waveform with current of 4 000 A118索思远，等：基于改进铁心材料的2000A/5A电磁式电流互感器性能仿真与分析当铁心磁感应强度达到1.2 T时，铁心会发生饱和。从电磁场分布图可以发现，电流互感器在一次额定电流的 0.1%200%范围内，铁心材料的磁感应强度分布绝大部分都没有超出 1.2 T，因此不会出现饱和现象。3 结 论 本研究通过对改进铁心材料的电磁式电流互感器的仿真设计发现，改进的铁心材料具有较高的初始磁导率以及饱和磁感应强度，因此可以减小一次电流较小和较大时候的测量误差；通过电路仿真发现，基于改进材料的2 000 A/5 A电磁式电流互感器在一次额定电流的0.1%200%都有较高的测量精确度，其比差和角差都很小。通过三维磁场仿真发现，电流互感器在一次额定电流的0.1%200%铁心材料都没有出现饱和现象。参考文献：1TELINO ML，LAURINDO MA.A proposal for improving the current transformers accuracyJ.IEEE Latin America Transactions，2016，14（2）：430-436.2BALLAL MS，WATH MG.Current transformer accuracy 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A电流下的电磁场分布Fig.9The electromagnetic field distribution with current of 2 A图102 000 A电流下的电磁场分布Fig.10The electromagnetic field distribution with current of 2 000 A图114 000 A电流下的电磁场分布Fig.11The electromagnetic field distribution with current of 4 000 A119尹朝：基于内容生成与特征提取的图像情感识别模型研究supervised learning network model for Chinese painting emotion recognition J.Journal of Harbin University of Science and Technology，2022，27（1）：69-78.7孟祥瑞，杨文忠，王婷.基于图文融合的情感分析研究综述 J.计算机应用，2021，41（2）：307-317.MENG Xiangrui，YANG Wenzhong，WANG Ting.Survey of sentiment analysis based on image and text fusion J.Journal of Computer Applications，2021，41（2）：307-317.8缪裕青，雷庆庆，张万桢，等.多视觉目标融合的图像情感分析研究 J.计算机应用研究，2021，38（4）：1250-1255.MIAO Yuqing，LEI Qingqing，ZHANG Wanzhen，et al.Research on image sentiment analysis based on multi-visual object fusion J.Application Research of Computers，2021，38（4）：1250-1255.9武晋鹏.基于样本精选与BERT模型引导的图像情感分析研究 D.南昌：华东交通大学，2021.WU Jinpeng.Image sentiment analysis based on sample refinement and BERT guided 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