李春来，汤晓宇，罗坤明

(1.河源职业技术学院电子与信息工程系，广东河源 517000；2.广东雅达电子股份有限公司,广东河源 517000)



计量用电流互感器在3种铁心条件下传变特性的试验与分析

李春来1，汤晓宇2，罗坤明1

(1.河源职业技术学院电子与信息工程系，广东河源 517000；2.广东雅达电子股份有限公司,广东河源 517000)

计量用电流互感器(TA)作为最前端信号源器件，其性能直接影响电力仪器仪表的测量精度。文中通过试验与分析3种常用铁心TA的传变特性得出：TA的传变特性与铁心材料有关，具有非线性特性；超微晶铁心、坡莫合金铁心的TA传变特性明显优于硅钢片铁心的TA；用坡莫合金铁心和超微晶铁心的TA准确度可以达到0.1级；用硅钢片铁心TA准确度可以达到1级。选择性能优良的铁心材料，优化结构，是提高TA传变特性行之有效的方法。

电流互感器；铁心材料；传变特性；比差；角差

0 引言

计量用电流互感器(TA)作为信号源器件，广泛应用于电力计量各种装置中，其性能的优劣直接影响计量的准确性，也直接影响电力仪器仪表的测量精度。对于计量用TA，一方面要求其测量精度高、线性要好，另一方面又要有良好的抗电磁干扰能力和稳定性[1]。

电磁式TA产生误差的主要因素是铁心的非线性励磁特性及饱和程度，是由激磁电流引起的，与TA铁心特性有关，具有非线性特性。目前有许多关于这方面的文献，主要以电子式或者双铁心结构等，结构比较复杂，故障率也较高，带负载能力较差，生产成本也较高，不同铁心条件下TA传变特性对比分析的文献较少。文中主要针对此问题开展的试验性研究，选用3种常用的铁心材料，对TA传变特性做试验性的分析与对比[2]。

1 TA传变特性的误差分析

实际上TA的传变特性用角差f与比差δ来衡量的，根据文献[3]有

(1)

(2)

式中：N1为一次线圈的匝数；I1分别为一次线圈电流；I0为铁心中的激磁电流；φ为铁心损耗角；α为二次负载的阻抗角。

电磁式TA运行时，一次电流不能全部转换为二次电流，其中一小部分电流将作为励磁，用于产生铁心中的磁通，励磁电流不仅在电流互感器铁心中产生磁通，还产生涡流损失和磁滞损失等铁心损耗，这种自身结构特点决定了电流互感器存在着误差[4]。由式(1)、式(2)可以看出，TA的误差主要是由提供磁通的励磁电流产生，减小TA的误差，最有效的方法是减小励磁电流。励磁电流I0增大，角差f与比差δ相应会增大，且为非线性关系。励磁电流影响TA的传变特性，与铁心特性有关，铁心材料主要指标有导磁率和损耗角等[5]。

提高TA的性能主要有两种途径：一是采用优质材料；二是采用好补偿方法，但补偿工艺复杂，且成本也比较高。选择好的铁心材料，优化结构，尽可能减小激磁电流，减少测量误差，是在满足工程测量精度的前提下，提高TA性能行之有效的方法。

2 3种铁心材料TA的试验与数据分析

2.1 试验条件

设备厂家/型号/名称：沈阳中川/HESE/互感器校验装置一套，精度为0.005级。试验温度为室温23 ℃，相对湿度50%，检定场所周围没有与检定工作相关的电磁场。为了定量分析研究不同铁心材料条件下TA的传变特性，在广东雅达电子股份有限公司制作了3种不同铁心材料(超微晶铁心、坡莫合金铁心、硅钢片铁心)的TA各3个，共9个样品(单铁心穿心式结构)进行测试。试验用3种铁心材料的磁性能比较见表1，次级匝数均为2 000，变比5 A/2.5 mA。坡莫合金、微晶铁心的TA，铁心尺寸均为9.5 mm×13 mm×5 mm、线型Φ0.08 mm、直流电阻150 Ω；硅钢片铁心的TA，铁心尺寸为22 mm×30 mm×15 mm、线型Φ0.15 mm、直流电阻85 Ω。

表1 试验用三种铁心材料的磁性能比较

2.2 试验方案

试验线路图见图1，接线说明：

(1) 根据TA变比选择一次和二次量程；

(2) 将互感器校验装置输出电流线穿过互感器一次孔形成闭环(L-X、5A-5A)；

(3) 将电流互感器输出端K1、K2分别接到互感器校验装置的K1、K2端(注意TA的同名端)。

图1 试验原理图

为了便于定量研究3种不同铁心材料条件下TA的传变特性，按一次额定电流的不同比列分成13个测试点，负载均为20Ω，测量TA的比差与角差，共采集3种不同铁心材料共9个TA样品的比差、角差数据，每种材料取一个样品的数据来分析。

2.3 试验数据

3种铁心各选取一个样品的测试数据，详见表2。

2.4 试验数据分析

2.4.1 3种铁心材料TA的比差特性对比分析

根据表2绘制的比差曲线，如图2所示。

根据表2、图2得知：

(1)坡莫合金铁心TA在一次电流为大于50%时，比差都超过-0.04%，最大值为-0.046%，随着在一次电流的增大比差由正值向负值方向偏移；超微晶铁心TA的一次电流比例小于40%时比差都超过0.04%，最大值为0.089%；硅钢片铁心TA的比差均为负值，最大值为-1.13%，在一次电流比例小于20%时，比差均超过-0.5%。

表2 三种铁心TA的比差和角差

图2 3种铁心TA传变特性的比差曲线

(2) 坡莫合金铁心TA一次电流比例5%、20%、100%、120%的比差分别为：0.010%、-0.010%、-0.045%、-0.046%，未超出0.05级TA比差误差限值[6]；超微晶铁心TA一次电流比例5%、20%、100%、120%的比差分别为：0.089%、0.071%、0.011%、0.009%，基本达到0.05级TA比差误差限值；硅钢片铁心TA一次电流比例5%、20%、100%、120%的比差分别为：-1.13%、-0.50%、-0.15%、-0.132%，未超出1级TA比差误差限值。

(3) 超微晶铁心、坡莫合金铁心TA的比差传变特性明显优于硅钢片铁心的TA。

2.4.2 3种铁心材料TA的角差特性对比分析

根据表2绘制角差曲线，如图3所示。

图3 3种铁心TA传变特性的角差曲线

根据表2、图3得出：

(1) 坡莫合金铁心、超微晶铁心、硅钢片铁心TA的角差均为正值，且随着在一次电流的增大而由逐渐变小。在一次电流比例10%时，坡莫合金铁心、超微晶铁心、硅钢片铁心TA的角差最大值分别为15.5′、12.5′、70′。

(2) 坡莫合金铁心TA一次电流比例5%、20%、100%、120%的角差分别为：15.8′、13.9′、7.7′、7.1′，角差接近0.1级TA角差误差限值；超微晶铁心TA一次电流比例5%、20%、100%、120%的角差分别为：14.2′、11.6′、5.2′、4.4′，角差接近0.1级TA角差误差限值；硅钢片铁心TA一次电流比例5%、20%、100%、120%的角差分别为：120′、44′、20′、19′，角差未超出1级TA角差误差限值。

(3)超微晶铁心、坡莫合金铁心TA的角差特性明显优于硅钢片铁心TA。

3 结论

理论与试验结果分析说明，电磁式TA因存在提供磁通的励磁电流必然产生误差，误差与铁心结构及材料有关，具有非线性关系。试验结果分析说明，超微晶铁心、坡莫合金铁心TA的传变特性明显优于硅钢片铁心TA。坡莫合金铁心和超微晶铁心TA的比差等级优于角差等，用坡莫合金铁心和超微晶铁心的TA准确度可以达到0.1级；用硅钢片铁心TA准确度可以接近1级。

选择好的铁心材料，优化结构，尽可能减小激磁电流，减少测量误差，是在满足工程测量精度的前提下，既简单成本低、又能提高TA传变特性行之有效的方法。从经济角度及适合场所分析，超微晶铁心、坡莫合金铁心的成本高于硅钢片铁心，坡莫合金铁心又略高于超微晶铁心。计量用TA一般要求体积小质量轻，超微晶铁心、坡莫合金铁心适合于制造计量用TA。

[1] 陈黎来.电流互感器对电能计量的影响.电力自动化设备,2011,31(1):138-141.

[2] 李春来,汤晓宇,黄业安，等.计量用TA在直流偏磁条件下传变特性的试验与分析.电力自动化设备,2011,31(7):143-145.

[2] 张振洪,赵有俊.高精度零磁通电流传感器的研究.传感器与微系统，2009(10)：52-54.

[4] 袁金晶,孙国菊,朱德省，等.电流互感器饱和特性分析及其补偿.电测与仪表,2012,49(10):165-169.

[5] 杨玉刚.现代电子电力的磁技术. 北京:科学出版社，2006.

[6] GB 1208—2006 电流互感器.

Measurement and Analysis of Transfer Characteristics of Metering CT with Three Different Core Materials

LI Chun-lai1,TANG Xiao-yu2,LUO Kun-ming1

(1.Department of Electronic and Information Engineering, Heyuan Vocational Technical College, Heyuan 517000,China; 2. Heyuan City Yada Electronic Industry Co.,Ltd., Heyuan 517000,China)

As the forefront signal source, the properties of current transformer (CT) for metering directly affect the precision of electric instrument. Through the experiment and analysis of transfer characteristic with three kinds of core materials, the results show that the CT’s transfer characteristics have nonlinear characteristics associated with the core material. The transfer characteristics of CT with super microcrystalline core and permalloy core are obviously better than that of silicon steel sheet core. The precision of CT with permalloy core and super microcrystalline core is up to 0.1%. The precision of CT with silicon steel sheet core is up to 1%. Making a good choice of core material and optimizing structure are the effective ways to improve the CT’s transfer characteristics.

current transformer; core material; transfer characteristics; ratio error; phase displacement

广东省科技厅高新技术产业化基金资助项目(2013B010101016)

2014-09-01 收修改稿日期：2014-12-01

TK513

A

1002-1841(2015)04-0104-03

李春来(1968—)，副教授，主要研究方向为电力传感器及应用电子技术。E-mail:shixiajun@126.com 汤晓宇(1971—)，工程师，主要从事电力仪器仪表的研究开发。