返回導體對電流互感器復合誤差的影響及減少影響的措施

黃 潔 何泳濤

（保定天威互感器有限公司，河北 保定 071056）

我們這里研究的返回導體是指電流互感器的結構本身實際存在的“返回導體”，電流互感器二次繞組的復合誤差實測值往往大于設計值,甚至超過標準限值,其主要原因就是返回導體的影響。為減少互感器結構本身的返回導體的影響，可采用二次線匝不均勻分布的方法，必要時可采用附加屏蔽繞組。

1 返回導體的形成及返回導體中電流產生的磁場對二次繞組復合誤差的影響

電流互感器存在返回導體時，一次磁場不再是分布均勻的同心圓族，可能會出現局部磁場集中,破壞了鐵心磁場的均勻性，從而對復合誤差造成影響。

U形一次繞組有兩根引線，若環形二次繞組套裝在一根引線上，另一根引線和環部導體就是返回導體。由于返回導體中的電流產生的磁通經過鐵心，靠近返回導體一側的鐵心的磁密增加，遠離返回導體一側的鐵心的磁密減少，使得鐵心各段的磁密不等。因為這種外磁場產生的磁通路徑大部分通過空氣或其它非磁性介質，鐵心磁路只是極小一段，所以其磁感應強度與空氣或其他非磁性介質的磁導率成正比，而且磁力線與二次繞組相鏈，在正常工作情況下是使二次漏抗增加的漏磁。電流互感器在額定電流左右工作時磁化曲線接近于線性,在這種情況下,測量級的誤差和保護級的額定電流誤差實測值與計算值基本吻合。

誤差計算方法如下

式中，ε為電流比差百分數；δ為電流角差。

因為鐵心中主磁通φm與二次感應電勢有下述關系

式中，φm為鐵心中的主磁通（幅值），Wb；E2為二次感應電勢（有效值），V；N2n為額定二次匝數；f為電源頻率，Hz。

又因為

式中，I2為二次電流（有效值），A；Z2為二次回路總阻抗，?。

代入誤差公式

式中，(IN)1為實際一次安匝，A；μ為鐵心的磁導率，H/m；AC為鐵心截面積，m2。

圖1磁化曲線中B為磁通密度，H為磁場強，根據磁路定律可得公式如下

由圖1磁化曲線及以上式（1）、（2）、（3）得知，在電流互感器的二次負荷及其它參數已定的情況下，電流互感器在額定電流左右工作時，鐵心磁通磁密處在磁化曲線的直線段，磁導率和磁通磁密呈線性增長，所以二次繞組額定電流誤差實測值與計算值基本吻合。但當一次電流增長到一定值以后，即在大的過電流情況下，隨著磁通磁密進入飽和，磁通磁密增加，導磁率下降很快，誤差迅速增大，這可能會造成誤差超過限值，在此情況下,隨著靠近返回導體一側的鐵心磁通磁密的加大，即局部磁場很強,所以會出現實測值與計算值的明顯差別。當實際一次電流低于額定值時，磁通磁密和磁導率下降，但此時磁導率下降更快，所以也會出現實測值與計算值的明顯差別。

圖1 磁化曲線

2 減少返回導體影響的措施

2.1 采用二次線匝不均勻分布的方法

受返回導體影響，如果二次繞組的線匝均勻分布，則鐵心磁通會不均勻，復合誤差很大，實測值和常規計算值的差別很大。采用非均勻分布二次繞組的方法可改善鐵心磁通分布,使其達到近乎均勻,復合誤差很小,實測值與計算值接近,從而降低了返回導體的影響。

互感器內部返回導體與鐵心的相對位置是固定的，如能在緊靠鐵心附近建立與返回導體磁勢反相的磁勢，即可抵消返回導體磁勢。根據畢奧—薩伐爾定律，電流在空間某一點產生的磁場的強弱與其間的距離成反比，可知離鐵心近，所需的反磁勢就小。采用二次線匝不均勻分布的方法即可以起這一作用，把本來均勻分布的二次線匝在靠近返回導體側的鐵心段上多繞一些，在遠離返回導體側的鐵心段上少繞一些，此時返回導體側鐵心段的二次磁勢大于正常均勻分布時的磁勢，產生的磁通在這一段鐵心中與返回導體引線的影響磁通方向相反，從而抵消其一部分作用。

2.2 安裝時要保證二次繞組之間線匝疏密對應

二次繞組之間也會互相影響，可能導致誤差變大。繞組之間的磁場的磁力線方向相同，可產生疊加，如果兩個繞組之間磁場分布不均勻，疊加的結果可能打破二次繞組鐵心磁通分布均勻狀況，致使實測值與計算值誤差變大。為避免這種情況，要采用二次繞組安裝時線匝較密的一側對應另一個二次繞組的較密側，較稀疏側對應較稀疏側。相鄰兩個繞組相鄰處導線間間隙較大，會產生較大漏磁，可采用繞組間使用紙圈來弱化漏磁影響。

2.3 二次繞組存在TPY繞組時，可采用增加紙圈的方法來降低漏磁的影響

由于TPY繞組有氣隙，這里產生的漏磁較大，為了避免漏磁的影響，可采用磁導率低的紙圈來減小這種影響，二次繞組之間可增加紙圈來降低漏磁的影響。另外，TPY繞組兩處氣隙處磁勢較弱且產生漏磁，安裝時要與U形一次繞組軸線成90°，以降低及平衡漏磁的影響。

2.4 采用附加的屏蔽繞組

屏蔽繞組的主要作用是保護電流互感器中的環形鐵心避免受到外界雜散磁通的影響。屏蔽繞組是在互感器鐵心上另外繞制的若干個成對的繞組，通常采用匝數相等、繞制方向相反的兩對屏蔽繞組的方案，每對繞組反極性串聯在一起。它們的匝數，繞向和聯結方式使其在大電流互感器中產生一個與雜散磁場（由外電流在鐵心中產生的磁場）大小相同、方向相反的泄漏磁場,以抵消雜散磁場的影響。雜散磁通較高一段的屏蔽繞組感應的電勢高于另一段，屏蔽繞組內流過平衡電流，此電流使雜散磁通較高一段去磁，雜散磁通較低一段增磁，以達到相差很小接近平衡的程度，所以也叫平衡繞組。

設計屏蔽繞組必須遵循以下原則：環形鐵心中的最大磁感應強度就最小，屏蔽效果最好；屏蔽繞組中的電流要保持較小的水平；外層繞組的局部溫升最??；所有屏蔽繞組中的電流分布要保持均勻；屏蔽繞組匝數盡可能少。

3 結論

電流互感器返回導體的影響,是測量級和保護級復合誤差不合格的根本原因，返回導體的存在使一次磁場局部集中,以致常規結構繞組的鐵心磁通分布不均勻,復合誤差特性大為劣化，要想減少返回導體對復合誤差的的影響，就要想辦法使繞組的鐵心磁通分布均勻。