一种差分式零序电流互感器主参数设计方法

摘要

本发明属于零序电流互感器技术领域，具体涉及一种差分式零序电流互感器主参数设计方法，包括依次进行的匝比设计步骤和铁心设计步骤；所述匝比设计步骤包括以下步骤：S1、根据差分式零序电流互感器的变比需求和差分式零序电流互感器的变比模型进行计算，获得各绕组匝比关系和各匝数关系；S2、根据误差关系选定各绕组匝数；S3、对选定的匝比进行需求验算，直至选定的匝比满足需求；本发明通过模型推导与需求分析相结合的方式，缩短了计算的时间，简化了设计步骤，实现了各种需求条件下差分式零序电流互感器的匝比设计，提升了了差分式零序电流互感器的带载能力和精度。

权利要求

1.一种差分式零序电流互感器主参数设计方法，其特征在于，包括依次进行的匝比设计步骤和铁心设计步骤；

所述匝比设计步骤包括以下步骤：S1、根据差分式零序电流互感器的变比需求和差分式零序电流互感器的变比模型进行计算，获得各绕组匝比关系和各匝数关系；

S2、根据误差关系选定各绕组匝数；

S3、对选定的匝比进行需求验算，直至选定的匝比满足需求；

所述铁心设计步骤包括以下步骤：S4、根据设计匝比，通过有限元软件仿真分析样式和气隙对差分式零序电流互感器的影响；

S5、结合抗饱和能力和精度需求选择合适的铁心样式，获得合适的铁心参数。

2.如权利要求1所述的一种差分式零序电流互感器主参数设计方法，其特征在于，S1中获得各绕组匝比关系和各匝数关系为：获得差分式零序电流互感器副边匝数、合成差分式零序电流互感器三相进线绕组匝数和第四绕组匝数匝比关系。

3.如权利要求1所述的一种差分式零序电流互感器主参数设计方法，其特征在于，S2中根据误差关系选定各绕组匝数的方式为：根据热稳定需求、误差补偿需求和带载能力需求进行计算，获得各绕组匝数取值范围。

4.如权利要求1所述的一种差分式零序电流互感器主参数设计方法，其特征在于，S3包括：根据差分式零序电流互感器的T型等效电路推导出匝比与误差关系，根据误差关系选定各绕组匝数，对选定的匝比进行需求验算，直至选定的匝比满足需求。

5.如权利要求3所述的一种差分式零序电流互感器主参数设计方法，其特征在于，所述各绕组匝数取值范围的确定步骤包括：S21、根据热稳定需求计算出差分式零序电流互感器副边匝数、合成零序电流互感器三相进线绕组匝数取值范围；

S22、根据误差补偿需求计算出第四绕组匝数取值范围；

S23、根据带载能力需求进一步缩小差分式零序电流互感器的副边匝数和合成差分式零序电流互感器三相进线绕组匝数的取值范围，并推导出带载能力与差分式零序电流互感器的副边匝数、合成差分式零序电流互感器三相进线绕组的匝数关系。

6.如权利要求4所述的一种差分式零序电流互感器主参数设计方法，其特征在于，S4包括以下步骤：

S41、根据设计匝比通过铁心的理论计算公式计算铁心截面积；

S42、根据所算铁心截面积对比不同材料的测量精度与尺寸，结合成本因素选择合理的铁心材料；

S43、根据所算铁心截面积、材料建立差分式零序电流互感器Maxwell仿真模型，校验设计参数。

7.如权利要求6所述的一种差分式零序电流互感器主参数设计方法，其特征在于，S5包括：若抗饱和能力校验不通过，在铁心上开设气隙，通过Maxwell仿真不同气隙位置对抗饱和能力和精度的影响，选择合适的气隙长度与位置，若校验仍不通过，需重新设计参数。

说明书

一种差分式零序电流互感器主参数设计方法

技术领域

[0001] 本发明属于零序电流互感器技术领域，具体涉及一种差分式零序电流互感器主参数设计方法。

背景技术

[0002] 电力系统是由发电厂、送变电线路、输电线路、供配电所和用电等构建成一个与人们生活密切相关的系统。相对于高压输电网络，中低压配电网发生故障的概率要高很多。随
着中性点接地测量和零序保护测量的需求增加，零序电流测量的应用需求日益增加。常规
零序电流互感器使用时存在测量精度低、相间跨距大、适用场景少等问题，难以适应于矿山
等分相运行的场景。差分式零序电流互感器架构方案可以解决上述问题，零序电流互感器
的合成零序互感器上安装有四路耦合绕组，其中三组与取电互感器二次侧相连，剩余一组
作为第四绕组。通过三相取电互感器将电缆三相电流引入合成零序电流互感器，利用磁通
叠加原理得到三相磁通之和，采用第四绕组感应三相磁通之和并输出零序电流给零序检测
装置。

[0003] 但是，差分式零序电流互感器的研究还处于探讨阶段，对差分式零序电流互感器的设计与优化尚无有理论和实践指导，限制了差分式零序电流互感器的运用与推展。

发明内容

[0004] 本发明提供一种差分式零序电流互感器主参数设计方法，旨在解决上述背景技术中所提到的问题。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种差分式零序电流互感器主参数设计方法，包括依次进行的匝比设计步骤和铁心设计步骤；

[0006] 所述匝比设计步骤包括以下步骤：

[0007] S1、根据差分式零序电流互感器的变比需求和差分式零序电流互感器的变比模型进行计算，获得各绕组匝比关系和各匝数关系；

[0008] S2、根据误差关系选定各绕组匝数；

[0009] S3、对选定的匝比进行需求验算，直至选定的匝比满足需求；

[0010] 所述铁心设计步骤包括以下步骤：

[0011] S4、根据设计匝比，通过有限元软件仿真分析样式和气隙对差分式零序电流互感器的影响；

[0012] S5、结合抗饱和能力和精度需求选择合适的铁心样式，获得合适的铁心参数。

[0013] 优选的，S1中获得各绕组匝比关系和各匝数关系为：获得差分式零序电流互感器副边匝数、合成差分式零序电流互感器三相进线绕组匝数和第四绕组匝数匝比关系。

[0014] 优选的，S2中根据误差关系选定各绕组匝数的方式为：根据热稳定需求、误差补偿需求和带载能力需求进行计算，获得各绕组匝数取值范围。

[0015] 优选的，S3包括：根据差分式零序电流互感器的T型等效电路推导出匝比与误差关系，根据误差关系选定各绕组匝数，对选定的匝比进行需求验算，直至选定的匝比满足需
求。

[0016] 优选的，所述各绕组匝数取值范围的确定步骤包括：

[0017] S21、根据热稳定需求计算出差分式零序电流互感器副边匝数、合成零序电流互感器三相进线绕组匝数取值范围；

[0018] S22、根据误差补偿需求计算出第四绕组匝数取值范围；

[0019] S23、根据带载能力需求进一步缩小差分式零序电流互感器的副边匝数和合成差分式零序电流互感器三相进线绕组匝数的取值范围，并推导出带载能力与差分式零序电流
互感器的副边匝数、合成差分式零序电流互感器三相进线绕组的匝数关系。

[0020] 优选的，S4包括以下步骤：

[0021] S41、根据设计匝比通过铁心的理论计算公式计算铁心截面积；

[0022] S42、根据所算铁心截面积对比不同材料的测量精度与尺寸，结合成本因素选择合理的铁心材料；

[0023] S43、根据所算铁心截面积、材料建立差分式零序电流互感器Maxwell仿真模型，校验设计参数。

[0024] 优选的，S5包括：若抗饱和能力校验不通过，在铁心上开设气隙，通过Maxwell仿真不同气隙位置对抗饱和能力和精度的影响，选择合适的气隙长度与位置，若校验仍不通过，
需重新设计参数。

[0025] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过模型推导与需求分析相结合的方式，缩短了计算的时间，简化了设计步骤，实现了各种需求条件下差分式零序电流互感器的匝
比设计，提升了了差分式零序电流互感器的带载能力和精度，保证了电网零序电流保护动
作的准确性和零序电流保护设备稳定工作的能力。

附图说明

[0026] 图1是差分式零序电流互感器匝比设计框图；

[0027] 图2是差分式零序电流互感器结构示意图；

[0028] 图3是差分式零序电流互感器匝比模型示意图；

[0029] 图4是差分式零序电流互感器T型电路示意图；

[0030] 图5是差分式零序电流互感器Maxwell仿真模型图；

[0031] 图6是差分式零序电流互感器Maxwell仿真结果图。

具体实施方式

[0032] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0033] 请参阅图1‑6，本发明提供一种技术方案：一种差分式零序电流互感器主参数设计方法，包括依次进行的匝比设计步骤和铁心设计步骤；

[0034] 所述匝比设计步骤包括以下步骤：

[0035] S1、根据差分式零序电流互感器的变比需求和差分式零序电流互感器的变比模型进行计算，获得各绕组匝比关系和各匝数关系；

[0036] S2、根据误差关系选定各绕组匝数；

[0037] S3、对选定的匝比进行需求验算，直至选定的匝比满足需求；S3包括：根据差分式零序电流互感器的T型等效电路推导出匝比与误差关系，根据误差关系选定各绕组匝数，对
选定的匝比进行需求验算，直至选定的匝比满足需求。

[0038] 所述铁心设计步骤包括以下步骤：

[0039] S4、根据设计匝比，通过有限元软件仿真分析样式和气隙对差分式零序电流互感器的影响；

[0040] S5、结合抗饱和能力和精度需求选择合适的铁心样式，获得合适的铁心参数。

[0041] 在本实施方式中，差分式零序电流互感器是一种新型零序电流互感器，由三个取电互感器和一个合成零序互感器组成，合成零序电流互感器上安装有四路耦合绕组，其中
三组与取电互感器二次侧相连，剩余一组作为第四绕组。通过三相取电互感器将电缆三相
电流引入合成零序电流互感器，利用磁通叠加原理得到三相磁通之和，采用第四绕组感应
三相磁通之和并输出零序电流给零序检测装置。三个取电互感器分别感应三相电流，包括
原边电缆、穿心式铁心和副边绕组构成，如图2所示。合成零序电流互感器感应三相磁通之
和并输出零序电流，包括三相进线绕组、合成零序铁心和第四绕组构成。其中设定以下数
据：三相电缆额定通过电流I1N，额定零序电流I01N，零序电流互感器输出额定I0N，最大零序
电流I0Nmax。

[0042] 请参阅图1，差分式零序电流互感器匝比设计方法，具体包括如下步骤：

[0043] 步骤A，匝比关系确定；差分式零序电流互感器匝比模型如图3所示：为了方便推导，在A相中对称电流和零序电流的叠加，根据理想CT的电流关系可以推导出：

[0044]

[0045] 由于I1,I2,I3三相对称化简可得：

[0046]

[0047] 根据零序电流互感器的变比要求可得：

[0048]

[0049] 步骤B，匝数范围确定步骤；三相输入额定电流为I1N，最大电流为I1NMAX,根据理想CT的电流关系可以推导出：

[0050]

[0051] 则取电互感器副边绕组长期工作电路密度与短时热电流密度为：2
根据电流密度的取值范围：长期工作电流密度，对铜线取0.8‑1.2A/mm ；短时热电流密度，
2
对铜线不大于160A/mm可得：

[0052]

[0053] 根据零序电流互感器所用铜线规格可以推导出N1的取值范围；由于取电互感器副边与合成零序互感器原边线圈通过电流相同，同理可取N2＝N1；

[0054] 比值差的补偿值为(下式字中的I1,I4均为实际电流)：

[0055]

[0056] 由于第四绕组电流与零序电流间的相角差很小，可以近似认为：

[0057] 则比值差的补偿值为：

[0058]

[0059] 为了保证整数匝补偿后能够满足误差要求，可以得到N3的取值范围。

[0060]

[0061] 根据功率平衡可以得到：

[0062]

[0063] 上式中：

[0064]

[0065]

[0066]

[0067] (ρ为铜导线75℃时的电阻率，L为单匝线圈长度，S1、S2和S3为铜导线截面积)带入得：

[0068]

[0069] 上式子中 为三相的输入功率。

[0070] 联立可得N1、N2的取值范围；上述为匝数设计的必要条件，选定N1、N2后仍需进行核算。

[0071] 步骤C，多绕组变压器可知差分式零序CT的T型电路等效原理图如图4所示，根据上述T型电路可以推导出：

[0072]

[0073]

[0074]

[0075]

[0076]

[0077]

[0078]

[0079]

[0080] 由于三个取电互感器设计参数完全一致，所以：

[0081] XAm＝XBm＝XCm＝X1m，RAm＝RBm＝RCm＝R1m

[0082] XA2'＝XB2'＝XC2'＝X2'，RA2'＝RB2'＝RC2'＝R2'

[0083] 合成零序互感器三相进线绕组对称绕制且匝数相同，可以得出：

[0084] RA3'＝RB3'＝RC3'＝R3'，XAA'＝XBB'＝XCC'＝X3'

[0085] XAB'＝XBA'＝XBC'＝XCB'＝XAC'＝XCA'＝X4'

[0086] 整理上述公式可得：

[0087]

[0088] 根据上式可知，差分式零序电流互感器的误差与取电互感器误差，合成零序互感器第四绕组匝数，第四绕组截面积，合成零序电流互感器磁芯励磁电抗负相关；与第四绕组
单匝长度，合成零序互感器三相取电绕组匝数正相关。故在设计取电互感器时应在合适的
范围内增大取电互感器二次绕组的匝数N1和第四绕组N3的匝数，减小合成零序互感器三相
进线绕组匝数N2。

[0089] 根据上述结论和精度要求：

[0090]

[0091] 结合误差补偿的结论得出的匝数取值原则，归算出差分式零序CT匝数N1、N2、N3的最优取值分别为(900、900、40)。

[0092] 计算磁芯截面，根据误差要求与准备采用的磁芯材料选择磁芯截面积，磁芯截面积的计算公式为：

[0093]

[0094] 其中，K2Z为绕组内阻抗系数，通常取K2Z＝1.1～1.5；

[0095] Ae为磁芯截面积，单位为cm2；

[0096] I2N为额定二次电流，单位为A；

[0097] Z2N为额定二次负载，单位为Ω；

[0098] f为额定频率，单位为Hz；

[0099] N2N为额定二次匝数；

[0100] BN为额定磁密，通常取BN为0.1T～0.2T。

[0101] 取K2Z＝1.3，I2N＝1A，Z2N＝0.5Ω，f＝50Hz，N2N＝40，BN＝0.15T代入式可得：

[0102]

[0103] 磁芯尺寸长a，宽b的取值需满足如下条件：

[0104] 1)磁芯高度a取5mm的倍数；

[0105] 2)a/b的比值大于1；

[0106] 由上节分析可知，Ae＝a*b＝9.7597cm2＝975.97mm2。为保证a，b的取值满足条件2
1)与条件2)，取a＝40mm，b＝25mm。此时Ae＝1000mm。

[0107] 仿真验证，在Maxwell中建立差分式零序电流互感器的仿真模型如图5所示，仿真结果如图6所示，根据仿真结果可知，所设计差分式零序电流互感器的铁心参数满足抗饱和
能力需求，设计合理。

[0108] 进一步，S1中获得各绕组匝比关系和各匝数关系为：获得差分式零序电流互感器副边匝数、合成差分式零序电流互感器三相进线绕组匝数和第四绕组匝数匝比关系。

[0109] 在本实施方式中，三相输入额定电流为I1N，最大电流为I1NMAX,根据理想CT的电流关系可以推导出：

[0110]

[0111] 则取电互感器副边绕组长期工作电路密度与短时热电流密度为：

[0112] 进一步，S2中根据误差关系选定各绕组匝数的方式为：根据热稳定需求、误差补偿需求和带载能力需求进行计算，获得各绕组匝数取值范围。所述各绕组匝数取值范围的确
定步骤包括：

[0113] S21、根据热稳定需求计算出差分式零序电流互感器副边匝数、合成零序电流互感器三相进线绕组匝数取值范围；

[0114] S22、根据误差补偿需求计算出第四绕组匝数取值范围；

[0115] S23、根据带载能力需求进一步缩小差分式零序电流互感器的副边匝数和合成差分式零序电流互感器三相进线绕组匝数的取值范围，并推导出带载能力与差分式零序电流
互感器的副边匝数、合成差分式零序电流互感器三相进线绕组的匝数关系。

[0116] 在本实施方式中，根据零序电流互感器所用铜线规格可以推导出N1的取值范围；由于取电互感器副边与合成零序互感器原边线圈通过电流相同，同理可取N2＝N1；

[0117] 比值差的补偿值为(下式字中的I1,I4均为实际电流)：

[0118]

[0119] 由于第四绕组电流与零序电流间的相角差很小，可以近似认为：

[0120] 则比值差的补偿值为：

[0121]

[0122] 为了保证整数匝补偿后能够满足误差要求，可以得到N3的取值范围。

[0123] 进一步，S4包括以下步骤：

[0124] S41、根据设计匝比通过铁心的理论计算公式计算铁心截面积；

[0125] S42、根据所算铁心截面积对比不同材料的测量精度与尺寸，结合成本因素选择合理的铁心材料；

[0126] S43、根据所算铁心截面积、材料建立差分式零序电流互感器Maxwell仿真模型，校验设计参数。

[0127] 在本实施方式中，计算磁芯截面，根据误差要求与准备采用的磁芯材料选择磁芯截面积，磁芯截面积的计算公式为：

[0128]

[0129] 其中，K2Z为绕组内阻抗系数，通常取K2Z＝1.1～1.5；

[0130] Ae为磁芯截面积，单位为cm2；

[0131] I2N为额定二次电流，单位为A；

[0132] Z2N为额定二次负载，单位为Ω；

[0133] f为额定频率，单位为Hz；

[0134] N2N为额定二次匝数；

[0135] BN为额定磁密，通常取BN为0.1T～0.2T。

[0136] 取K2Z＝1.3，I2N＝1A，Z2N＝0.5Ω，f＝50Hz，N2N＝40，BN＝0.15T代入式可得：

[0137]

[0138] 磁芯尺寸长a，宽b的取值需满足如下条件：

[0139] 1)磁芯高度a取5mm的倍数；

[0140] 2)a/b的比值大于1；

[0141] 由上节分析可知，Ae＝a*b＝9.7597cm2＝975.97mm2。为保证a，b的取值满足条件2
1)与条件2)，取a＝40mm，b＝25mm。此时Ae＝1000mm。

[0142] 进一步，S5包括：若抗饱和能力校验不通过，在铁心上开设气隙，通过Maxwell仿真不同气隙位置对抗饱和能力和精度的影响，选择合适的气隙长度与位置，若校验仍不通过，
需重新设计参数。

[0143] 在本实施方式中，仿真验证，在Maxwell中建立差分式零序电流互感器的仿真模型如图5所示，仿真结果如图6所示，根据仿真结果可知，所设计差分式零序电流互感器的铁心
参数满足抗饱和能力需求，设计合理。

[0144] 以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。