论文部分内容阅读
摘要：PX级保护用电流互感器设计介绍，及其在高阻抗差动保护方式中的应用。
关键词：PX级电流互感器介绍、设计、应用。
一IEC标准中对PX级保护用互感器基本参数的规定
在国外互感器标准中，对高阻抗差动保护方式电流互感器的性能规定了下面几个参数。
a.额定拐点电压。
b.额定拐点电压下的最大励磁电流。
c.75℃或运行时最高温度两者较高温度下的二次绕组电阻的最大值 。
d.匝数比误差。
（1）额定拐点电压，也称饱和起始电压，英国标准中规定为：“此电压为额定频率下的正弦电压，此电压加于被测二次绕组两端，其它绕组开路，测量励磁电流，当电压每增加10%时，励磁电流的增加不能超过50%。”规定此点是因为电流互感器的励磁阻抗在产生饱和起始电压之前基本是一定的 。所以在外国标准中，规定了拐点电压和拐点电压下的励磁电流，拐点电压定义的示意图如图1。
图中：UK——拐点电压；
I0——拐点电压下的激磁电流。
图1拐点电压的定义
（2）绕组电阻：高阻抗电流互感器是限定二次绕组电阻大于二次漏抗X2的低电抗电流互感器。所以，只规定了二次绕组的电阻，以保证二次阻抗小，避免继电器误动作。
（3）国外标准中规定此种互感器的匝数比误差为±0.25%。
二 设计PX保护用电流互感器的关键问题及解决方法
铁心的选取
（1）铁心的形状，由于PX级保护用电流互感器要求二次漏抗小，产品铁心为矩型形状时，铁心的二次漏抗大,不能很好地满足二次漏抗小的要求。而当铁心形状为圆环形时，能很好地满足二次漏抗小的要求。这是因为此种形状的铁心，二次绕组均匀地缠绕在其上，而一次绕组又横贯中央时，可看为低电抗电流互感器，即可认为二次漏抗为0，结合产品的外型选为圆环形。
（2）铁心材料的选取，由于产品拐点电压由用户规定，而且考虑铁心的饱和情况，因而选取冷轧硅钢片，其铁心开始饱和时磁密一般为1.4～1.6特斯拉，而其饱和磁密在2.4特斯拉左右。因为拐点电压下的磁密是铁心开始饱和时的磁密而不是完全饱和时的磁密，考虑到制造时铁心材料的分散性，及我公司多年的经验，对该产品的铁心磁密选取为1.3特斯拉左右，从成品制造后来看，有些裕度大。
（3）铁心尺寸的选取
在不考虑产品外形的限制的情况下，铁心尺寸的选取可以依据拐点电压、拐点电压下的最大励磁电流，及二次绕组的电阻，以及铁心开始饱和时的磁密推算出来。
（a）铁心有效截面积的计算
从拐点电压的定义可知道，拐点电压UK 由以下两部分组成，即二次感应电势和二次绕组阻抗压降之和,即：
UK = E2 + UO2 ——（1）
式中： E2 ——二次感应电势；
UO2 ——二次阻抗压降。
由式（1）可得，
E2 = UK - UO2 ——（2）
又因为产品的二次绕组已由用户规定，且此类产品设计为二次漏抗低，可视为0，则UO2为：
UO2 = IO2• R2——（3）
由式（2）（3）可得，
E2 = UK - IO2• R2——（4）
又因为二次感应电势的计算公式为：
E2 =（S•W2•Bm）/45——（5）
式中：S——铁心有效截面；
W2——二次绕组匝数；
Bm——铁心开始饱和时的磁密。
由式（5）可得，
S =（45•E2 ）/（W2•Bm）——（6）
铁心截面既可导出，如某产品，电流比为3600/1A，UK =600V，R2=13Ω，IO=0.02A，Bm=1.3T，W2=3600匝。则：
E2 = UK - IO• R2 =599V ——（7）
S =（45•E2 ）/（W2•Bm） ——（8）
=（599*45）/（3600*13）
=5.75cm2
（b）鐵心平均磁路长计算
依据铁心拐点电压下的磁密，查取磁化曲线，可得铁心的单位长度的励磁磁势（IN0）/cm。因为二次匝数，二次励磁电流已知，则铁心的总励磁磁势为：
（I0W2）= I0• W2 ——（9）
二次总励磁磁势又是单位长度的励磁磁势和铁心平均磁路长的乘积，则铁心平均磁路长L为：
L=（I0W2）/（IN0）/cm ——（10）
因为此类产品铁心为圆环形，依据平均磁路长可以推算出铁心内外径的平均值，即：
D=L/π——（11）
知道了铁心内外径的平均值，以及铁心的有效截面积，就大致确定了铁心的尺寸。再结合产品外型尺寸，确定出铁心尺寸。
根据大致推算出的产品铁心尺寸，还须考虑二次绕组的电阻是否超过规定值，如果超过，则依据前面的叙述，或者提高拐点电压下的磁密，或者调整铁心尺寸（内外径，高度）来取得满意值，同时还须依据拐点电压及拐点电压下励磁电流的规定验算铁心和磁密选取的和合理性。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：PX级电流互感器介绍、设计、应用。
一IEC标准中对PX级保护用互感器基本参数的规定
在国外互感器标准中，对高阻抗差动保护方式电流互感器的性能规定了下面几个参数。
a.额定拐点电压。
b.额定拐点电压下的最大励磁电流。
c.75℃或运行时最高温度两者较高温度下的二次绕组电阻的最大值 。
d.匝数比误差。
（1）额定拐点电压，也称饱和起始电压，英国标准中规定为：“此电压为额定频率下的正弦电压，此电压加于被测二次绕组两端，其它绕组开路，测量励磁电流，当电压每增加10%时，励磁电流的增加不能超过50%。”规定此点是因为电流互感器的励磁阻抗在产生饱和起始电压之前基本是一定的 。所以在外国标准中，规定了拐点电压和拐点电压下的励磁电流，拐点电压定义的示意图如图1。
图中：UK——拐点电压；
I0——拐点电压下的激磁电流。
图1拐点电压的定义
（2）绕组电阻：高阻抗电流互感器是限定二次绕组电阻大于二次漏抗X2的低电抗电流互感器。所以，只规定了二次绕组的电阻，以保证二次阻抗小，避免继电器误动作。
（3）国外标准中规定此种互感器的匝数比误差为±0.25%。
二 设计PX保护用电流互感器的关键问题及解决方法
铁心的选取
（1）铁心的形状，由于PX级保护用电流互感器要求二次漏抗小，产品铁心为矩型形状时，铁心的二次漏抗大,不能很好地满足二次漏抗小的要求。而当铁心形状为圆环形时，能很好地满足二次漏抗小的要求。这是因为此种形状的铁心，二次绕组均匀地缠绕在其上，而一次绕组又横贯中央时，可看为低电抗电流互感器，即可认为二次漏抗为0，结合产品的外型选为圆环形。
（2）铁心材料的选取，由于产品拐点电压由用户规定，而且考虑铁心的饱和情况，因而选取冷轧硅钢片，其铁心开始饱和时磁密一般为1.4～1.6特斯拉，而其饱和磁密在2.4特斯拉左右。因为拐点电压下的磁密是铁心开始饱和时的磁密而不是完全饱和时的磁密，考虑到制造时铁心材料的分散性，及我公司多年的经验，对该产品的铁心磁密选取为1.3特斯拉左右，从成品制造后来看，有些裕度大。
（3）铁心尺寸的选取
在不考虑产品外形的限制的情况下，铁心尺寸的选取可以依据拐点电压、拐点电压下的最大励磁电流，及二次绕组的电阻，以及铁心开始饱和时的磁密推算出来。
（a）铁心有效截面积的计算
从拐点电压的定义可知道，拐点电压UK 由以下两部分组成，即二次感应电势和二次绕组阻抗压降之和,即：
UK = E2 + UO2 ——（1）
式中： E2 ——二次感应电势；
UO2 ——二次阻抗压降。
由式（1）可得，
E2 = UK - UO2 ——（2）
又因为产品的二次绕组已由用户规定，且此类产品设计为二次漏抗低，可视为0，则UO2为：
UO2 = IO2• R2——（3）
由式（2）（3）可得，
E2 = UK - IO2• R2——（4）
又因为二次感应电势的计算公式为：
E2 =（S•W2•Bm）/45——（5）
式中：S——铁心有效截面；
W2——二次绕组匝数；
Bm——铁心开始饱和时的磁密。
由式（5）可得，
S =（45•E2 ）/（W2•Bm）——（6）
铁心截面既可导出，如某产品，电流比为3600/1A，UK =600V，R2=13Ω，IO=0.02A，Bm=1.3T，W2=3600匝。则：
E2 = UK - IO• R2 =599V ——（7）
S =（45•E2 ）/（W2•Bm） ——（8）
=（599*45）/（3600*13）
=5.75cm2
（b）鐵心平均磁路长计算
依据铁心拐点电压下的磁密，查取磁化曲线，可得铁心的单位长度的励磁磁势（IN0）/cm。因为二次匝数，二次励磁电流已知，则铁心的总励磁磁势为：
（I0W2）= I0• W2 ——（9）
二次总励磁磁势又是单位长度的励磁磁势和铁心平均磁路长的乘积，则铁心平均磁路长L为：
L=（I0W2）/（IN0）/cm ——（10）
因为此类产品铁心为圆环形，依据平均磁路长可以推算出铁心内外径的平均值，即：
D=L/π——（11）
知道了铁心内外径的平均值，以及铁心的有效截面积，就大致确定了铁心的尺寸。再结合产品外型尺寸，确定出铁心尺寸。
根据大致推算出的产品铁心尺寸，还须考虑二次绕组的电阻是否超过规定值，如果超过，则依据前面的叙述，或者提高拐点电压下的磁密，或者调整铁心尺寸（内外径，高度）来取得满意值，同时还须依据拐点电压及拐点电压下励磁电流的规定验算铁心和磁密选取的和合理性。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。