磁閥式電流互感器幅頻特性研究

引言

電流互感器的傳變性能對繼電保護具有非常重要的影響。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,這也會影響其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。具體來說,當線路電流中存在直流分量時,鐵芯的磁化曲線工作點會發(fā)生偏移,嚴重情況下,會使鐵芯發(fā)生飽和,從而導致二次電流畸變失真。故電流互感器的飽和補償方法與新型電流互感器的研究仍是廣受關(guān)注的熱點。

本文在已有的研究基礎(chǔ)上詳細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,并通過實驗驗證了MVCT的幅頻特性。

1MVCT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,Nl、N2分別為一、二次繞組匝數(shù),il、i2分別為一、二次電流,R2為二次電阻。MVCT由半開口閉合鐵芯、磁場傳感器、一次繞組、二次繞組、二次電阻和信號調(diào)理電路組成。固定于氣隙中的磁場傳感器的作用是測量周向漏磁場,將測量到的磁場信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。信號調(diào)理電路將二次電阻上的電壓信號與磁場傳感器輸出的電壓信號按一定比例進行相加,輸出與一次電流信號成比例的電壓信號,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,1為鐵芯的高度,h1為氣隙底部到鐵芯底部的高度(0<k<1)。

根據(jù)磁勢平衡skdl=N1i1＋N2i2,有:

在鐵芯大截面未飽和時,大截面鐵芯中的磁壓降k0l1很小,可以忽略。因此,在正常工作情況下,一次側(cè)電流表達式為:

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)所示,所有參數(shù)均折算到二次側(cè),根據(jù)MVCT的測量原理可以得知,磁場傳感器的作用相當于測量勵磁電流,所以其等效電路圖可以用圖+(5)表示,與普通電流互感器相比,磁閥式電流互感器減少了勵磁支路。

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),Cb'/n2為一次繞組的電容,Lp為勵磁電感,Rm為鐵芯并聯(lián)等效電阻(表征損耗),Lc為二次繞組的漏感,Rs為二次繞組的電阻,C是雜散電容,R是感測電阻,LR是感測電阻的電感,wR為普通電流互感器的二次輸出電壓,wMVCT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(+)計算得到,可見普通電流互感器的低頻特性受勵磁電感嚴格限制。

在分析低頻性能時,忽略了漏感Lc、感測電阻電感LR和雜散電容C,因為Lc和LR呈現(xiàn)非常低的電抗,而C在低頻時表現(xiàn)出非常高的電抗,等效電路如圖4(3)所示。

相對地,在分析高頻性能時,忽略了感測電阻電感LR和二次繞組電阻Rs。二次繞組電阻Rs遠低于漏感Lc。假設(shè)使用無感的感測電阻,則其電感LR小得可以忽略不計,等效電路如圖4(5)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)計得當,使雜散電容C盡可能小,則MVCT在測量范圍內(nèi)可以實現(xiàn)直流到高至兆赫茲級別交流電流的寬頻帶電流測量,而且是以較為簡單的結(jié)構(gòu)和較低的成本實現(xiàn)。對于具有高飽和磁密和低磁導率的鐵芯材料,可以有效補償?shù)皖l特性,拓寬鐵芯材料選擇范圍。

3實驗驗證

實驗樣機采用的鐵芯外徑75mm,內(nèi)徑40mm,高30mm,氣隙長度3mm,磁閥高度比(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1Q。所采用的磁場傳感器為TMR2503。

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

實驗所測得的幅頻特性如圖5所示。

圖5幅頻響應(yīng)實驗結(jié)果

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

經(jīng)測量,輸出端口的等效電阻約為1.14Q,等效電容約為30.68nF,不考慮信號調(diào)理模塊時,等效電阻約為1.02Q,等效電容約為9.113nF。根據(jù)式(4)可計算出考慮信號調(diào)理模塊時的上限截止頻率約為4.55MHz,不考慮信號調(diào)理模塊時的上限截止頻率約為17.12MHz,信號調(diào)理模塊的設(shè)計也限制了MVCT的上限截止頻率。

由圖5可知,MVCT的上限截止頻率比5MHz略小,與上文計算的4.55MHz相近,與式(4)較為符合。相頻特性由于信號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)信號宜在采樣后進行數(shù)字信號處理。

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。本文推導了MVCT的頻率特性模型,并通過實驗驗證頻響模型的準確性。實驗樣機的通頻帶為0~4.6MHz,基本涵蓋電力系統(tǒng)內(nèi)主要的電流頻率。