广东白云学院科研团队在剩余电流互感器优化设计方面取得新进展

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广东白云学院等单位的科研人员曾晔 等，在2022年第4期《电气技术》上撰文指出，通过分析剩余电流互感器的工作原理可知，比值差与相位差是产生误差的主要因素。通过公式解析，得出误差对灵敏度和平衡性的传变特性产生影响。考虑产品设计中器件参数值的影响，进一步通过实验对剩余电流互感器的物理特性进行优化，验证原理分析的结论，确定在不同条件下剩余电流互感器灵敏度和平衡性的传变特性。实验结果表明优化设计的合理性并据此设计了一个精度高达0.5级的剩余电流互感器。

研究背景

电气化发展日新月异，在设备不断更新的同时，许多老化的线路或不达标的电网系统依然未得到优化。这不仅会使线路发生过载，还会带来漏电等电气隐患危及人身安全。由于线路改造成本过大，故将预防电气隐患的设备应用于线路十分必要。随着电网的升级改造，将剩余电流漏电保护器应用在家用电网或低压电路上可以更大程度地保证设备的安全运行，也可为人身安全提供必要保障。

论文所解决的问题及意义

剩余电流漏电保护器最主要的检测元件是剩余电流互感器（RCT）。本文从RCT的工作原理展开分析，对RCT的传变特性进行多项实验性研究；然后对器件理论参数值进行优化，通过改变材料和工艺得出实验数据与图表，并对传变特性及其误差进行分析，总结出性能更强的RCT优化方案并设计出一款准确度等级达到0.5级的剩余电流互感器。

图1 RCT工作原理

论文方法及创新点

由于隔离电路不利于分析电路中各项参数，本文采取等效电路的方法，等效电路如图2所示，通过将等效电路中的参数与一次绕组和二次绕组参数进行对比来分析等效电路的参数关系。通过对相量的分析，RCT的参数相量图如图3所示。

图2 等效电路

图3 RCT参数相量图

一般来说，提高铁心材料的磁性能，是提升RCT性能的主要途径，特别是对于准确级越高的RCT。影响磁导率的因素还有铁心的截面积，随着铁心截面积的增大，铁心的磁导率将有所下降，误差也会随之改变。RCT常用于大功率场合检测漏电流，由于额定电流较大，使开启电流过高，产生过大的漏磁通。因此，针对这种类型的RCT可以通过增加屏蔽的方法对互感器的铁心进行屏蔽，以减少漏磁通的影响，增强RCT的平衡性。

根据上述分析，测试条件设定在周围无磁场干扰，室温为28℃，湿度为70%的环境条件下。 实验接线如图4所示，测试设备为HESE互感器校验装置，其准确度等级高达0.005级。

图4 实验接线

平衡性测试原理如图5所示，测试设备需增加三相交直流指示仪表校验装置、组合式电气火灾监控探测器和电流互感器。将一根导线连接交流电后，按照图示穿过RCT，其二次侧需连接一个20Ω的电阻。根据平衡特性测试可知，当RCT加装屏蔽层之后，可以确保磁心中磁场的均匀分布，漏电流能够明显减少，误差从10%左右优化到2%左右。

图5 平衡性测试原理

结论

本文通过工作原理分析和实验分析，结合公式计算研究了不同参数对RCT传变特性的影响，并通过改变铁心材料、绕组匝数、绕组分布等参数观察灵敏度和平衡性的传变特性，验证了理论分析的正确性与可行性。基于实验结果可以得到以下结论：

1）影响RCT传变特性的两个主要因素为相位差和比值差。通过改变绕组分布方式和开口方式，相位差和比值差的变化是最明显的，误差主要体现在绕组分布不均匀和开环切口处漏磁过大。

2）加装屏蔽层对RCT的灵敏度没有明显影响，两组实验的灵敏度表现都在0.5级的准确度，但添加屏蔽层对RCT的平衡性提升显著。

3）当实验采取最优的均匀分布绕组方式，并使用闭口的结构和添加屏蔽层的方式优化RCT时，该RCT最高准确度等级可达0.2～0.5级。通过分析，当采取磁导率更高的坡莫合金材料时，可以使RCT准确度等级达到0.1级。

本文编自2022年第4期《电气技术》，论文第一作者为曾晔，1995年生，硕士，主要从事与电气工程及其自动化专业相关的教学工作。

引用本文

曾晔, 李春来, 兰雄. 剩余电流互感器传变特性研究与优化设计[J]. 电气技术, 2022, 23(4): 55-62. ZENG Ye, LI Chunlai, LAN Xiong. Analysis and optimization design of transmission characteristics of residual current transformer. Electrical Engineering, 2022, 23(4): 55-62.

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2022年9月16-18日 重庆市

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