具有电磁平衡功能的抗干扰零序电流互感器的设计与制造

封容平，顾小良，唐福新，姜小贵，徐 冰

（1.浙江天际互感器有限公司，浙江 江山 324100；2.国网浙江省电力有限公司江山市供电公司，浙江江山 324100）

零序电流互感器是一种专门用来变换零序电流的电流互感器。在电力系统中，零序电流互感器通常与继电保护装置配合，当线路产生零序接地电流时（或接地故障时），使装置元件有选择性地跳闸或发出信号，以实现保护或检测线路正常运行的作用。然而在互感器行业中，涉及到零序电流互感器在复杂场源环境中的抗电磁干扰技术实践较少，国内对于零序电流互感器的抗电磁干扰研究基本仅限于简单屏蔽室设计或是单独的平衡绕组绕制，抗电磁干扰效果不理想，互感器残余电压较高，对于配合使用的继电保护装置其电压信号采集影响较大，同时，国内对于互感器主绕组平衡铁芯内磁场技术的研究更是相当匮乏，技术手段少。而随着中低压电气自动化的不断普及，市场对不同种类和结构的具有电磁平衡功能的抗干扰零序电流互感器产品的需求不断增加，加之该类产品当前不成熟的抗电磁干扰技术水平，这无疑将会给电网的安全可靠运行带来更多的不安全因素和巨大的风险。

本文提供了一种具备强抗干扰能力、在复杂电磁环境下能够准确测量零序电流互感器的实施方案。通过主绕组分段绕制与平衡绕组技术组合，平衡铁芯内磁场；使用硅钢片作为屏蔽层材料，对互感器内外上下各方位进行屏蔽层，对外磁场进行电磁屏蔽，解决零序电流互感器在穿心一次导体位置差异和邻近电流、或周边导体等多场源环境中，所受电磁场干扰导致零序电流互感器输出“失真”继而影响继电保护装置失准的设计问题。

本文以如下这款零序电流互感器参数要求进行阐述。

系统额定电流：600 A。

使用环境：SF6气体中（0～0.3 MPa）。

额定频率：50/60 Hz。

运行温度：-5～40 ℃。

准确度要求：零序一次电流为0.2～30 A时，输出电压（二次）（连接200 Ω和2 kΩ电阻时的输出电压）满足表1要求。

表1 误差限值表

残留电压特性：三相平衡50 Hz 600 A 电流下，二次电压小于6 mV。

为了保证零序电流互感器在电力系统中保持自身电磁平衡和抗外界电磁干扰的性能，并满足长期可靠运行的技术性能和安全要求，需要从零序电流互感器自身结构设计开始，并设计抗电磁屏蔽和电磁平衡结构。下面介绍本型零序电流互感器的设计过程。

1 互感器绕组设计

1.1 绕组设计

为保证产品电气性能的可靠性，结构主材料使用高导磁、低损耗及良好的稳定性的超微晶合金，二次导线使用耐高温、高导电率的漆包铜线（QZ-2/155）。降低了互感器损耗，有效地减小互感器的比差和角差，提高了精度。

根据用户使用场所，安装互感器的空间尺寸，给出初步的铁芯尺寸，采用电流互感器误差计算程序，多次逼近法算出符合要求的铁芯尺寸。

结合生产实际，选择跑道型超微晶合金规格为134 mm×454 mm×20 mm（200 mA，0.32≥mV），漆包线线径为0.41mm。

1.2 绕组绕制工艺

使用绕线机分四段同方向均匀绕制，其中跑道型左、右绕组匝数为1800匝，上、下两边绕组匝数为900 匝，串联(11 和12 相联)上、下边绕组成为中间绕组。将左、右、中间绕组并联二次出线（如图1所示）。此均匀布线方式可保证一次导体通过跑道型零序互感器时，互感器二次电气性能不随一次穿心导体位置的不同而受影响。

图1 二次绕组绕制方式设计

1.3 绕组检验

为了验证一次导体穿过绕组时在不同位置时的二次输出误差，检测了5 组误差数据，一次导体的位置如图2所示，实测参数详如表2所示。

图2 一次导体布置位置

表2 实测参数表

表3 实测参数表

2 屏蔽层结构设计

为了防止临近导体的影响及外磁场的干扰，确保精度满足要求，在绕组外围设置两层屏蔽层。

根据二次绕组的形状，第一层屏蔽选用硅钢片作为屏蔽材料，在绕组的上、下、内、外用硅钢片进行包裹，如图3所示。

图3 抗电磁屏蔽结构图

上下屏蔽层制作。

采用186 mm×486 mm×20 mm×0.5 mm 跑道型硅钢片12 片，分6 片重叠两组，并置于绕组上下表面固定。

内外屏蔽层制作。

采用厚0.23 mm 宽17 mm 带状硅钢片，在绕组内圈及外圈各包扎10层。

2.1 平衡绕组的屏蔽原理

屏蔽绕组是由在互感器的环形铁芯圆周上正交布置的2 对屏蔽绕组构成，每个绕组各占铁芯周长的1/4。邻近电流对互感器环形铁芯的影响可用图4表示，视为邻近电流杂散磁通的主路径，磁通由a1、b1 点进入铁芯，分2 路经铁芯两侧半圆周汇合到a2、b2点流出。

图4 邻近电流对互感器跑道型铁芯的影响

图5 平衡绕组布置图

图4中的2对屏蔽绕组连接，分别相当于形成短路的2个开磁路低精度电流互感器。其一次安匝、二次安匝基本上数值相等方向相反，正好平衡外来磁势，起着屏蔽铁芯的作用。

2.2 平衡绕组的制作方式

平衡绕组选择线径为0.55 mm 的漆包线，绕组匝数相等（N1=N2=800 T），绕制方向相反（如图4所示）。

残留电压特性测试：在三相平衡50 Hz 600 A电流下，二次电压3.5 mV。

经过检测各性能指标均符合相关要求。

3 结束语

一种具有电磁平衡功能的抗干扰零序电流互感器，绕组分四段均匀绕制，然后同极性并联二次出线；抗电磁屏蔽结构包括内外和上下屏蔽层，包覆在互感器本体表面，屏蔽层采用抗电磁干扰材料组成；电磁平衡结构由平衡绕组组成，每组平衡绕组由两段匝数相同的绕组组成。产品可配合相电流互感器，或直接配备安装支架直接用于零序电流控制，简单便捷。实现了电磁平衡和抗干扰与零序电流互感器的结合，使得零序电流互感器在运行过程中其精度性能不受其他因素的干扰，大大提高了电力系统运行的稳定性和安全性，为电力系统安全可靠运行提供了一个有效的实现方案。