[发明专利]开口式电流互感器电流变比和相位差的解析模型方法

说明书

技术领域

本发明属于电磁测量技术领域，尤其是一种开口式电流互感器电流变比和相位差的解析模型方法。

背景技术

电流互感器被广泛应用在发电厂、变电站以及配电网中，是电力系统电能计量、状态检测、故障诊断和保护的关键设备之一，也是智能电网下实现供用电实时信息管理的基础性传感器装置之一。传统的电流互感器一般采用闭磁路设计，即电流互感器的铁心被设计为一个闭合的磁环，一次绕组和二次绕组均绕制在该闭合的圆环铁心上。

闭磁路设计，可保证磁路具有较小磁阻抗，使得一次侧的能量更高效地传递到二次侧。但闭磁路设计存在一个较明显的缺点，即当一次侧电流中存在直流分量时，由于磁路的磁阻很小(接近短路状态)，其会在闭磁路中产生很高的直流磁通量，使铁心的BH工作点进入饱和区。对测量用电流互感器而言，铁心饱和会导致电流互感器出现很大的测量误差；而对于保护用电流互感器，铁心饱和会使得一次侧与二次侧电流的比例高于额定电流的比例，即由电流互感器所感知的电流要明显小于实际电流，从而容易造成继电保护装置误动作，致使电力系统出现事故和带来不必要的经济损失。

为解决这个问题，20世纪70年代，前苏联提出了开口式电流互感器的设计，并将其应用在电力系统的保护中。所谓开口式的电流互感器，即在铁心磁路中存在空气隙的电流传感器，其基本原理是在磁路中串入一个空气隙的磁阻，从而有效降低由一次侧电流的直流分量在铁心中产生的磁通量。由于空气磁导率远小于铁心磁导率，故即使空气隙很小，也能产生足够大的磁阻，以保证电流互感器铁心的BH工作点处于线性区内。

开口式电流互感器已成功应用于电力系统继电保护装置，但并未在测量用电流互感器中被广泛应用。这是因为，空气隙的变化，会较明显地改变磁路阻抗，使得电流互感器的准确性也随之改变，造成测量误差。因此，在实际电网中，测量用电流互感器与保护用电流互感器是两种独立的设备，彼此不能兼容。显然，这样的设计增加了电流互感器的体积和功能冗余，造成了较大的浪费。

研究开口式电流互感器的解析模型，可从基本的电磁能量转换定律得到开口式电流互感器的实际电流比、一次电流和二次电流的相位差与实际参数(如铁心磁导率、空气隙尺寸、二次负载等)的函数关系，进而建立起用于测量的开口式电流互感器的补偿模型，为最终实现开口式电流互感器测量和保护功能的兼容打下坚实的基础。

另外，随着智能电能表在线校验技术的进步和发展，对钳式电流互感器(一种开口式电流互感器)的准确性也提出了更高的要求。研究开口式电流互感器的解析模型，对提高钳式电流互感器的测量准确性也具有重要参考价值。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供开口式电流互感器电流变比和相位差的解析模型方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种开口式电流互感器电流变比和相位差的解析模型方法，包括步骤如下：

(1)建立开口式电流互感器的原理模型，设置δ是空气隙的宽度，l是铁心磁轭的平均长度，I₁是一次侧电流，I₂是二次侧电流，Z为二次线圈回路及负载的总阻抗，假定铁心沿磁路长度的横截面积S不变，一次线圈的匝数为1匝，二次线圈的匝数为N匝；

(2)根据磁路欧姆定律推导出开口式电流互感器的磁路时域方程，根据法拉第电磁感应定律和欧姆定律计算考虑二次侧负载的电路时域方程，由时域磁路和电路方程，将得到的磁路时域方程和电路时域方程合并为一次时域微分方程，在求解时直接将一次微分项转变为jω与电流相量相乘的形式，通过求解考虑二次侧负载的开口式电流互感器的传递函数的幅频特性和相频特性，得到开口式电流互感器一次侧和二次侧实际电流变比和相位差计算公式，完成开口式电流互感器电流变比和相位差的解析模型。

而且，所述步骤(2)得到开口式电流互感器一次侧和二次侧实际电流变比和相位差计算公式的具体步骤如下：

A、结合建立的原理模型，根据磁路的欧姆定律建立方程，在考虑二次线圈以及电流表本身的阻抗之和Z≠0，列出的方程为：