基于新型纳米晶材料的两级低功耗电磁式电流互感器设计

陈伟峰，林 磊，卢德祥，吴姝婷，陈丽仙

（国网龙岩供电公司，福建 龙岩364000）

电流互感器（TA）作为建设坚强智能电网的重要组成部分，其在电力系统计量、继电保护、系统诊断与电流信息监测等领域都发挥着不可忽视的作用，其测量精度、运行可靠性关乎电网的安全运行。因而，研制一种在保证准确度、安全性等前提下，实现低功耗的电流互感器具有一定现实意义。

1 电流传感原理的研究分析

在电力系统中，各类电气、电子应用中电流信息无处不在，其在电气隔离，精确度等级，带宽测等方面都有不同的性能要求，不同的电流测量方法应需而生[1]。常见的电流互感器有电阻分流器、Rogowski线圈型电流互感器以及电磁式电流互感器。

1.1 电阻分流器

电阻分流器的原理相对简单，其一阶等效图如图1，包括寄生电感Ls和集肤效应引起的电阻Rs，常被用于简单的电流检测。但电流流经电阻分流器会产生大量的功率损耗，这种功率损耗会限制在高电流应用中使用电阻分流器[2]。此外，当流经电流达到100 kA及以上时，集肤效应明显，其测量带宽将会被严重影响，如图2所示。实验结果表明，当电阻分流器被用于测量大电流时，将会导致低带宽和低输出电压。

图1 电阻分流器的一阶等效电路

图2 典型的贴片电阻分流器阻抗测量图

1.2 Rogowski线圈型电流互感器

图3 呈现了基于法拉第磁感应定律的典型Rogowski线圈。

图3 典型Rogowski线圈示例图

根据Ampere定理可得公式（1）：

当电流ic流过导线所包裹的区域时，假定电流ic在线圈内居中，则磁通密度B可以简化为公式（2）：

根据Faraday定律来确定可得，在Rogowski线圈中，电流ic的变化而产生的感应电压ν可以被描述为：

其中，A是绕组的横截面积，N是匝数。感应电压ν与待测电流ic的导数成正比。利用具有积分常数k和高输入阻抗的积分器可以产生精确的结果：

Rogowski线圈的传感原理是通过对磁通量变化检测来实现的，感应电压与电流变化成比例。在t=0处的电流是vout(0)无法获取直流值。因此，一般的Rogowski线圈不适合用于测量低频电流。

1.3 电磁式电流互感器

电流互感器利用法拉第感应定律来实现电流测量。该结构的线圈通常有一个主匝和多个二次匝数，并采用了相对磁导率较高的磁芯[3]。其等效原理如图4。

图4 电磁式电流互感器的等效电路图

电磁式电流互感器具有与初级电流成正比的输出电压的优点，且其无须采用积分器，具有极高的几何选择性，同时N，Rs内的损耗也可保持在较低水平。但遗憾的是，直流或磁芯饱和来会降低测量精度的问题，这对电能计量测试、保护精度的判断会带来较大的影响。

基于上述3种类型的电流互感的描述，其输出带宽、大电流输入以及功耗方面都在不同程度的影响，在如今对电能质量、用电安全不断提高，损耗更低、性能更优的电流互感器设计需求亟待解决。

2 基于新型纳米晶材料的两级低功耗电流互感器设计

考虑到极端大电流和磁饱和的影响，本文以电磁式电流互感器的设计为基础，选择具有高磁导率的新型材料纳米晶为磁芯，其特有的高饱和度，线性B-H曲线，低剩磁，中频低磁芯损耗，热稳定性强等优点，极大地满足了设计的需求。此外，本设计还采用高、低磁导率两级磁芯，可电流互感器的线性，重复性，精度等性能。

设计的额定电流为1 kA，其频率带宽为10 Hz～1 MHz，原理如图5所示。

图5 两级电流互感器配置框图

该系统由两个磁芯组成，第一个磁芯（TC1）的次级线圈套入第二个磁芯（TC2）并进行短路连接。由于输出负载接近零，TC1的截止频率f1较低。TC1选择具有低磁导率的材料，可以避免存在测量电流中含有直流分量导致磁芯饱和的问题。TC2的次级线圈与检测电阻R2相连，该磁芯具有高磁导率值以及低截止频率。基于两级电流互感器的电气低频模型被建立起来，在模型中漏磁和寄生电容被忽略，如图6所示。电流的表达式如下：

图6 两级电流互感器的电气低频模型

对于TC1变压器，使用了具有低磁导率的FeSiBCuNb纳米晶制成的磁芯。主要优点是高饱和度（1.2 T），无气隙情况下具有低磁导率，极佳的磁导率稳定性和热稳定性。由于TC2变压器应具有高磁导率以获得提高的磁化电感，因此我们使用退火纳米晶作为磁芯。具体的磁芯参数如表1所示。

表1 纳米晶磁芯参数表

在图7和图8中，实验结果显示实际的频率行为与仿真模型相比显示出良好的一致性。低截止频率实际上约为10 Hz，高截止频率为1 MHz。

图7 两级电流互感器的设计结果（幅度）

图8 两级电流互感器的设计结果（相位）

观察实验结果，该种基于新型纳米晶材料的两级低功耗电流互感器设计能够满足较宽的带宽输出，而且保留了电磁式电流互感器低损耗的优点。此外其还具有电磁式电流互感器缺乏的磁导率稳定性和热稳定性，这将极大程度提高电流互感器在不同工况下的运行稳定程度。

3 结束语

本文分析了当前几类电流互感器的传感机理，并针对不同类型TA的相关优缺陷进行阐释。从极端大电流和磁饱和以及截止频率等几个关键性能进行考量，综合分析后给出了基于新型纳米晶材料的两级低功耗电流互感器设计。从理论分析和实验结果来看，该种设计能够较大程度提升现有互感器的相关性能，设计成效超出预期。