三相宽量程电磁式电流互感器的排列方式对测量误差的影响.pdf

2023 年 8 月第 19 卷 第 3 期系统仿真技术System Simulation TechnologyAug.，2023Vol.19，No.3三相宽量程电磁式电流互感器的排列方式对测量误差的影响梁中豪*，肖春，杨艳芳，张美玲（国网山西营销服务中心 山西 太原 030000）摘要：三相电磁式电流互感器的排列方式对测量误差有明显的影响，由于一次负荷的电流变化范围逐渐增大，三相电流互感器的测量误差就更为显著。针对此问题，本研究首先基于一种改进的铁心材料设计了200 A/5 A的单相电磁式电流互感器，然后对单相电流互感器的误差进行仿真分析，发现新设计的单相电流互感器在宽量程范围内可以满足计量的要求，最后通过仿真计算分析了不同排列对三相宽量程电流互感器测量误差的影响。关键词:三相电流互感器；宽量程；铁心材料；互感器排列Influence of Different Arrangements on Measurement Errors of Three-Phase Wide-Range Electromagnetic Current TransformersLIANG Zhonghao*，XIAO Chun，YANG Yanfang，ZHANG Meiling（State Grid Shanxi Marketing Service Center，Taiyuan 030000，China）Abstract：The arrangement of the three-phase electromagnetic current transformers has a significant impact on the measurement error.As the current variation range of the primary load gradually increases，the measurement error of the three-phase current transformers is more significant.Aiming at this problem，this paper firstly designs a 200 A/5 A single-phase electromagnetic current transformer based on an improved core material.Then the error of the single-phase current transformer is simulated and analyzed，and it is found that the newly designed single-phase current transformer can meet the measurement requirements in a wide range.Finally，the influence of different arrangements on the measurement error of the three-phase wide-range current transformer is analyzed by simulation calculation.Key words：three-phase current transformer；wide range；core material；transformer arrangement随着一次电流的变化范围逐渐增大，三相电磁式电流互感器的测量精度面临着挑战。三相电流互感器本身受限于不同的排列，对测量误差有明显的影响，面对宽范围的一次电流，误差更加显著，其测量精度直接影响了电能计量的准确性。因此，亟需研究分析宽范围一次电流以及不同排列对三相电磁式电流互感器的误差影响。宽量程电流互感器相对于普通电流互感器，要求在额定电流的0.1%200%内测量误差都小于0.2%。已经有一些文献对宽量程电流互感器、电流互感器的误差补偿方法进行了研究以及从铁心材料的性能入手来改进测量误差。文献 1-4 对误差补偿方法进行资助项目：国网山西省电力公司科技资助项目（52051L200009）通信作者：梁中豪，E-mail：DOI:10.16812/31-1945.2023.03.006系统仿真技术第 19 卷 第 3 期了讨论，认为误差是由励磁电流引起的。文献 5-8研究了电网运行工况以及谐波对互感器测量误差的影响。文献 9-10 从铁心材料入手，采用改进的铁心材料，其具有非常高的初始磁导率和比较高的饱和磁感应强度，从而提高小负荷和大负荷的测量精度。但是，对于三相电磁式电流互感器以及单相在宽范围内一次电流满足计量要求的情况下，排列方式对宽量程互感器误差的影响还需要研究。文献 11-14 虽然考虑了不同排列方式的三相组合互感器对电压互感器的影响，但是没有研究排列方式对电流互感器的影响，仅仅给出了电流的波形。针对上述问题，本研究采用满足计量要求的单相宽量程电流互感器，通过仿真计算分析了不同排列对三相宽量程电流互感器测量误差的影响，从而选取较优的排列来改善误差。1 单相电流互感器的磁力线分布 1.1单相电流互感器仿真工具及其参数由于电路仿真无法体现出互感器在三维空间中的电磁场分布，本研究在Comsol软件中建立了电流互感器的三维模型。电流互感器的三维模型如图1所示。二次绕组均匀缠绕在圆环铁芯上，一次绕组穿过互感器的上方。200 A/5 A的电流互感器几何参数如表1所示，包含铁心内外径、铁心厚度、匝数、导线材料、导线直径。互感器的铁心材料使用改进的1K107材料，材料的配方如表2所示。通过测试，材料的磁化曲线如图2所示。从图2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。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。1.2单相电流互感器的电磁场和磁力流线分布在额定电流200 A下对单相电流互感器三维模型进行仿真计算。电流互感器电磁场分布如图3所示，取自磁通密度最大的时刻，导线中为电流密度，铁芯中为磁通密度，右边为此时铁芯内部磁场流向图。图4为电流互感器所有域（包括周围空气）的磁力流线图。2 宽量程三相电流互感器的排列方式对测量误差的影响 2.1仿真参数设置由于三相电流互感器距离较近，相互间干扰是一个不可忽视的影响因素。故建立了三相电流互感器的模型用来计算分析，如图5所示。如图5所示为3种不同空间排列的三相电流互感器，分别为纵向排列、横向排列以及正三角形排列。3种空间排列的距离均设置为100 mm。现对这3种排列模型在额定电流200 A下进行计算，观察各相电流图1单相电流互感器三维模型图Fig.13D model of single-phase CT表1200 A/5 A的电流互感器的几何参数Tab.1Geometric parameter铁心内径/mm40铁心外径/mm100铁心厚度/mm54二次匝数40导线材料铜导线直径/mm1.8表2磁性材料配方/%Tab.2Formula of magnetic material/%元素改进材料现有材料Fe81.373.5Si9.013.5Nb6.43.0B2.09.0Cu1.21.0其他0.10图2铁心材料的磁化曲线Fig.2Magnetization curve of core material242梁中豪，等：三相宽量程电磁式电流互感器的排列方式对测量误差的影响互感器之间的电磁干扰以及误差变化。2.2不同排列方式下三相电流互感器的磁力线分布如图6所示，为纵向排列时一些典型时刻的磁力流线，从下到上为A、B、C相。图中第1个时刻AB、BC相干扰较强，第2个时刻AB、AC相干扰较强，第3个时刻AC、BC相干扰较强。如图7所示，为横向排列的磁力流线图，从上到下为A、B、C相，第1个时刻三相几乎没有干扰，第2个时刻BC相有一定的影响，第3个时刻AB相有一定的影响。相比纵向排列，横向排列的相间干扰要小得多。如图8所示，为三角形排列的磁力流线图，左下角为A相，三相逆时针排列。可见3个时刻AC、CB、BA相分别有一定的干扰。图3电流互感器电磁场分布Fig.3Electromagnetic field distribution of CT图4电流互感器磁力流线Fig.4Magnetic streamlines of CT图5三相电流互感器模型Fig.5Model of three-phase CT243系统仿真技术第 19 卷 第 3 期从3种排列方式来看，纵向排列的相间干扰较大，而横向排列干扰较小。但横向、纵向排列三相在空间上不对称，故相间干扰造成的误差不均衡。而正三角形排列干扰不仅较小，同时三相排列对称，相间干扰所造成的误差较为均衡。2.3不同排列方式下三相电流互感器的误差使用Comsol软件不仅可以计算出磁场的分布，同时也可以计算出一二次电流的波形。通过对比一二次电流波形可以得出互感器的角差和比差。由于每个单相都是宽量程电流互感器，在额定电流下3种排列的电流互感器的测试误差都较小，故从误差数值上来对比3种排列的电流互感器。如表3所示为各种排列下三相电流互感器的误差。图6纵向排列磁场干扰图Fig.6Magnetic field interference of longitudinally arranged CT图7横向排列磁场干扰图Fig.7Magnetic field interference of horizontally arranged CT图8三角形排列磁场干扰图Fig.8Magnetic field interference of equilaterally arranged CT表3额定电流下三相电流互感器误差Tab.3Error of three-phase CT at rated current参数比差/%角差（）纵向排列A-0.1837.268B-0.0723.136C-0.1676.889横向排列A-0.0873.950B-0.0532.710C-0.0813.620三角形排列A-0.0512.460B-0.0491.520C-0.0532.830244梁中豪，等：三相宽量程电磁式电流互感器的排列方式对测量误差的影响从表3可见，纵向电流互感器误差相对于单相误差有较大幅度的增长，且三相误差不均衡。横向电流互感器相对于单相误差有一定幅度的增长，且三相误差也不够均衡。而正三角形电流互感器较单相误差增大程度较小，且三相误差较为均衡。由 3 种排列的磁力流线图以及误差计算结果可知，纵向排列的三相电流互感器相间干扰较大，使互感器三相误差增大且不均衡，而横向排列的三相电流互感器相间干扰较小，但由于其空间的不对称，三相误差增长不大但三相误差不均衡。正三角形三相电流互感器相间干扰较小，同时由于三相呈空间对称排列，所以三相误差增长较小且误差均衡，因此采用正三角形排列的三相电流互感器具有更好的误差特性。从表4和表5可以看出，在宽量程范围内三角形排列都可以满足误差要求，但是纵向排列难以满足宽量程误差小于0.2%的要求，横向排列基本可以满足要求，只有三角形排列的误差增长较小，因此是最优排列。3 结 论 本研究通过对不同排列的三相宽量程电磁式电流互感器的仿真分析，得出以下结论：采用改进的1K107新铁心材料的单相宽量程电流互感器组成的三相互感器具有较高的测量精度，可以满足计量要求。纵向排列的三相电流互感器相间干扰较大，使互感器误差增大且不均衡，而横向排列的三相电流互感器相间干扰较小，但由于其空间的不对称，误差也不均衡。三角形排列的三相电流互感器相间干扰较小，同时由于三相呈空间对称排列，所以三相误差增长较小且误差均衡，是较优的排列。参考文献：1XIE S，ZHANG Y，JIN M，et al，High sensitivity and wide range soft magnetic tactile sensor based on electromagnetic inductionJ.IEEE Sensors Journal，2020，21（3）：2757-2766.2陈海宾，杨姝楠，陈丽雯，等.基于现场信号仿真技术的电流互感器误差测试技术研究 J.电测与仪表，2021，58（2）：133-138.CHEN Haibin，YANG Shunan，CHEN Liwen，et al.Research on current transformer error testing technology based on field signal simulation technology J.Electrical Measurement&Instrumentation，2021，58（2）：133-138.3余炳光.感应分流器误差理论研究及补偿模块设计D.合肥：合肥工业大学，2019.YU Bingguang.Research on 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transformers performance really affected by actual distorted network conditions？An experimental case study J.Sensors，2020，20（3）：927.7KACZMAREK M，STANO E.Nonlinearity of magnetic core in evaluation of current and phase errors of transformation of higher harmonics of distorted current by inductive current transformersJ.IEEE Access，2020，8：118885-118898.8.8STANO E，KACZMAREK M.Wideband self-calibration method of inductive cts and verification of determined values of current and phase errors at harmonics for transformation of distorted current J.Sensors（Basel）.2020，20（8）：2167.9LU B，CHEN X，ZHANG J，et al.Design of wide-range current transformer based on improved zero magnetic flux and turns compensation C/2021 6th Asia Conference on Power and Electrical Engineering（ACPEE）.2021.10CHEN Q，SHU H，QU F，et al.Design and simulation of electromagnetic parking brake embedded in-wheel motorJ.Journal of Chongqing University，2012，35（7）：1-6.11刘刚.三相三元件组合互感器的误差特性检测方法及结构优化设计研究 D.重庆：重庆大学，2018.LIU Gang.Research 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