[发明专利]电流互感器用磁芯、电流互感器及瓦时计

说明书

技术领域

本发明涉及一种电流互感器用磁芯，以及使用其的电流互感器及瓦时计，其适于对半正弦波交流电流等的非对称波形的交流电流或直流重叠后的交流电流进行检测。

背景技术

用于测量家庭及工业领域中的电气设备和装置的电力消耗量的瓦时计，有感应式瓦时计和电子式瓦时计。现有的主流是采用转盘的感应式瓦时计，近年来随着电子技术的发展，电子式瓦时计日益得到普及。对应IEC62053-22等原有规格的瓦时计，已经不能准确测出半正弦波交流电流等扭曲波形的电流，导致出现不能对电力进行准确测量的问题。因此，欧洲制定出了用于测量扭曲波形(半波整流波形)的瓦时计相关的IEC62053-21规格。在欧洲以外的地区，也废止使用现有的不能对扭曲波形进行准确电量测量的转盘式瓦时计，逐渐采用适合IEC62053-21规格的、将电流互感器(CT)或霍耳效应器件用于检测电流的瓦时计。在逆变器等工业用途中，电流互感器对扭曲波形的交流电流或直流重叠后的交流电流的检测也发挥出重要的作用。

采用霍尔效应器件的电流传感器，是在磁芯上形成间隙并将霍耳效应器件配置在间隙部中，使被测电流流过的导线贯通于磁芯闭合磁路内，通过用霍尔效应器件检测出与在间隙部产生的电流大致成比例的磁场而进行电流测量。

电流互感器(CT)以较多匝数将二次绕组卷绕在一个闭合磁路磁芯上，通常使一次线(被测电流流经的线路)贯通于闭合磁路内使用。图8所示为电流互感器(CT)型电流传感器的构成。磁芯的形状有环形和成组磁芯形，但在环形磁芯上绕组的方式，可以实现小型化并降低磁通泄漏，从而获得接近理论动作的性能。

在交流的贯通电流I₀，且R_L＜＜2πf·L₂的条件下，理想的输出电流i为I₀/N(N：二次绕组数)，输出电压E₀为I₀·R_L/N(R：负载电阻)。实际上，受到磁芯材的损失和磁通泄漏等的影响，输出电压E₀要低于理想值。电流互感器的感度相当于E₀/I₀，但实际上该值由一次和二次的耦合系数决定。将耦合系数设为K的话，则E₀＝I₀·R_L·K/N(K：耦合系数)。

在理想的电流互感器中，耦合系数K为1，但在实际的电流互感器中，由于受到绕组的内部电阻及负载电阻所需的励磁电流、泄露磁通及导磁率的非直线性等的影响，当R_L在100Ω以下时，K值为0.95～0.99左右。磁路中存在间隙时会导致K值下降，因此无间隙的环形磁芯可以实现耦合度最高的理想的电流互感器。截面面积S越大，二次绕组数N越多，负载电阻R_L越小，K值接近于1。该K值也因贯通电流I₀而变化，当I₀为100mA以下的微小电流时，K值呈下降趋势。特别是将低导磁率的材料用作磁芯材料时，这种趋势会变大，所以，必须高精度地测量微小电流时，可以使用高导磁率的磁芯材料。

相对误差是各测量点上的理想值和实测值的误差比率，表示电流值的精度，耦合系数特性与相对误差特性相关联。相位差表示波形的精度，表示对于测定原波形的输出波形的相位偏移。电流互感器输出通常成为前进相。这两个特征，对用于积算瓦特计等的电流互感器是非常重要的特性。

在需要测量微小电流的电流互感器中，为了提高耦合系数K而减小相对误差和位相差，一般可以采用起始导磁率高的坡莫合金等材料。电流互感器的最大贯通电流I_0max为能够确保直线性的最大电流，不仅受到负载电阻和内部电阻的影响，还受到使用的磁芯材料的磁特性的影响。为了能够测量大电流，优选使用饱和磁通密度尽可能高的磁芯材料。

作为用于电流互感器的磁芯材料，已知的有硅钢、坡莫合金、非晶态合金、Fe基纳米结晶合金材料等。材料便宜且磁通密度高的硅钢钢板，其导磁率低，磁滞大，磁化曲线的直线性也差，因此相对误差和相位差大且发生变动，难以获得高精度的电流互感器。另外因为剩余磁通密度大，难以对半波电流等非对称的电流进行准确的测量。