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如何选择合适的电流互感器设计电功率测量表
点击次数:1349 发布时间:2010-06-21

摘要

  电功率计算包括根据不同应用领域的具体电气和机械特性进行电流测量。在实芯电磁感应技术已经能够暂时以低成本提供良好性能的同时,一些钳形互感器zui近在技术上取得了重大进展,重新彰显了其在涉及将功率表加进现有设备进行更新等应用场合方面的价值。钳形互感器并非新鲜出炉,但是在过去这些互感器又大又笨重,所采用的传统技术有着诸多弊病。这些互感器不是采用昂贵的材料制造就是在度方面性能很差。在这种情况下,不确定度指的不是读数本身,而是线性度、输出电流的移相误差和读数超时的持续性。下文对传统的电流感应技术和一些创新技术进行了分析,侧重这些互感器在不同功率测量应用领域的优点和缺点。

  功率测量应用

  电功率测量已经成为1)电源管理、2)用电控制3)状态监控等工业领域中众多应用场合的重中之重。

  1)由于电源管理是所有工业和商业活动的根本,因此是基本的功率测量应用领域。电源管理主要侧重发电和配电公司,但是也兼顾工业专业人士,这些人员通过监控其电力质量和功率因数来实现对其设备征收的费率进行控制,尤其是当操作低功率因数的负载时。

  2)由于实施能量二次计量可以对能量成本进行跟踪并对其进行分配,同时也对电量消耗进行进一步的分析,从而提高其效率,因此逐步引起设备和工厂的关注。电源选型和计费通常取决于峰值消耗,对整个系统进行动态管理可以降低运营成本并防止故障发生。了解和管理主要消费对象以及确定通常由于故障电器或设备用量不足(比如不合适的照明、加热或空气调节)而造成的能量浪费需要对能量进行二次计量。

  3)状态监控要求对故障进行及时检测并做出反应,从而防止对设备造成损坏或临界进程发生中断。电功率测量给出一套反映电机负载特性(比如传送机、轴承、泵、切削刀具等)的综合信息(电流、有效功率、功率因数、频率等)。通常情况下,这种监控对异常情况的检测速度要比传统互感器快,比如温度、压力、振荡等。及时对这些电气参数的变化进行分析甚至能够实现对故障进行估计,从而可以计划有效的预先维护。

  功率测量不仅在工业领域受到关注,在监控商业和住宅负载方面也是如此。不管从成本还是从环境保护方面来考虑,节约能源在全球日益成为公众关注的话题。 关键问题是如何实现能源消耗实质性的持续降低。zui可靠的解决方案是要了解用户如何消耗他们的能量以及如何使其对这些能量负责。锁定该领域仍然是一个工业课题,而且日益成为政府机构的关注重点。许多国家正在开展各种减少能源消耗的运动并且制定各种激励预算。这些激励措施的启用要求各种机构开发各种的测量性能。

  电流互感器要求

  工程师设计功率监控系统应该根据非常具体的特性谨慎选择所需要的电流互感器:

  1)度-在大多数应用场合,测量度对整个系统的效率有着直接的影响。功率计算的程度明显取决于电流互感器的度。1级功率表可能需要度高于1%的电流互感器,而该度一般会与昂贵的材料和制造工艺相关。一个替代方案是对所应用的每一台互感器都对功率表进行标定。考虑到每台互感器的具体特性,允许将功率表设定在其zui的操作模式以及将变量从一台互感器传递到另外一台互感器。正如我们在本文后面部分所看到的,了解线性度、漂移和可重复性以及对其整体不的读数进行补偿开启了各种新技术研究的大门。

  2)漂移-互感器的漂移与初始系统标定无关的读数超时持续性有关。其特性的一些变化可能由于周围环境湿度和温度或元件老化等原因引起。低漂移电位-意味着互感器对这些限制因素具有很高的抵抗能力-是构建高性能稳定可靠功率表的一个非常重要的特性。

  3)线性度-互感器的线性度指的是在整个操作模式范围内其特性的稳定性。模拟感应部件的高线性度对大范围一次电流进行测量来说必不可少,尤其是在低电流值的情况下。几种技术只对有限的测量范围提供良好的性能,因此将应用领域的电流限制到相当高或相当低。

  4)相移-实际有效功率或能量计算的度不仅仅与交流电流和电压互感器的度和线性度的幅度有关,而且与两个相关值测量之间可能发生的相移有关。当然,相移应该尽可能的低。

  5)集成-由于采用自供电,因此除了接到主要功率监控仪装置的两根输出线之外,电流互感器不需要任何其他的接线 。很多这种互感器都提供经过标定的标准输出,以便在功率监控系统中进行集成。典型的1A 和 或 333 mV输出均与市场上的大多数标准功率表相匹配。高精度功率表需要根据不能再互换的每台互感器进行特定的标定。然后这些互感器可能会产生低电流输出,在系统运行过程中接触这些低电流会比传统的1A/信号要安全。此外,电流输出还几乎不受干扰的影响,因此当需要采用长距离导线将互感器连接至功率表时应优先选用电流信号输出而非电压信号输出。

  6)价格-互感器的价格固然重要,尤其是三相功率测量需要3台电流互感器时。但是,不应单独考虑电流互感器的价格,同时也要考虑其安装和维护成本。尽管实芯互感器成本更高,但是总的来说性能更可靠以及更便于安装和取代钳形互感器还是确实降低了系统成本。

  实芯电流互感器

  由于分流器比无触点电流互感器更容易产生功率损失以及安装和安全问题,因此功率测量系统一般采用无触点电流互感器。传统的实芯电流互感器基于互感器原理,即初级和次级绕组通过一根铁芯连接。测量电流感应铁芯内的磁场,从而在次级绕组内产生一个电流,这个电流与初级电流除以次级绕组匝数的商成正比。这些普通的电流互感器设计用于测量50/60 Hz典型范围内的正弦交流电流。由于采用了普通材料和工艺,该项众所周知的技术非常普及。

  实芯电流互感器为设计专用于新型设备和建筑的功率表提供经济核算的标准解决方案。但是对于涉及现有机器和设施的功率监控的众多应用场合来说,这些互感器并不合适,其中在可能使用的所有场所更新实芯互感器之前,必须要切断电源并且断开导线。安装功率计量系统时如果要求断电,哪怕只是一会(例如中断生产线、电信或数据中心电源、某些核电站设备等),一般来说也是不可能的,究其原因是费用太高或异常危险。

  钳形电流互感器

  无触点自供电钳形电流互感器能够仅仅与一个导体相连,而无需拧到或焊接到复杂的支架上,这样使安装和维护更简单。为了避免复杂的接线,这些互感器可以安装在电气控制盘内来实现对有时在难以接近的或恶劣的环境中运行的设备进行远程监控。钳形互感器的好处在于无需对一台带电装置的运行产生干扰即可将其重新装配进去,这经常使钳形互感器成为工程师设计功率表的*选择。

  但是这些优点都是有代价的,使钳形电流互感器比实芯互感器价格更贵、度也更低。因此,了解可以应用的各种技术之间的区别并根据特定应用限制条件进行选择非常重要。

  钳形电流互感器通常基于上述用于实芯互感器的原理。但是在这种情况下,磁芯是由两个能够分离的截然不同的部分组成。不确定度主要来自两部分之间的不良接触,以及次级绕组在磁芯的周围分布不均匀而且仅分布在两部分其中之一的周围。这些互感器的价格和性能与设备的物理和机械特性有关。在铁芯的两个部分之间需要非常平滑的接触面以及足够的压力。这种情况一般具有产生足够压紧力的灵活部件或材料和/或铰链以及可靠的开放式机构的特点。

图:钳形电流互感器(1000A)

  硅钢钳形电流互感器

  硅钢材料已经被广泛用在钳形电流互感器上,究其原因主要由于其普及的价格。但是,特别是由于其线性度很差(尤其在低电流值时)和相移太大(典型特性如图1所示),这种材料所表现的性能却非常差。这些缺点限制了其用于低成本电流互感器进行相当高强度电流的测量,而在这些互感器中功率监控不需要很高的度。许多应用场合仅需要对功率消耗进行大概的估计,而不是对电量消费对象进行检测从而对其准确的消耗进行分析。对于某些场合来说,采用一个固定电压值而非采用的测量值来检测设备是否在耗电以及绘制工作时间曲线也许就足够。在这种情况下,相移高不是大问题。典型的应用场合是在配电板上对分支电流进行监控,以便使系统能够检测一些电路何时会过载并且发生报警或对负载进行平衡。

  硅钢电流互感器的另外一个缺点是这些互感器又大又笨重,因此不太适合在空间有限的环境中使用。

  铁-镍合金钳形电流互感器

  好长一段时间内铁-镍合金材料都是用于钳形电流互感器的zui佳材料,可以实现良好的性能,但是价格昂贵。当度和相移都很重要时,或者当互感器需要测量小电流时,铁-镍合金可以成为铁硅钢材料不错的替代。

  除了价格之外,铁-镍合金电流互感器还具有其他方面的限制。由于硅钢电流互感器体积庞大,因此在工业设备和配电板内占用了宝贵的空间。这些互感器还因非常差的线性度和漂移而“受害非浅”,原因主要是因为钳形结构造成的气隙。

  铁氧体钳形电流互感器

  尽管铁氧体多年来一直被人们所熟知,但是其在饱和电平和导磁率方面的拙劣性能使其不能在低至50/60 Hz的频率下使用。但是,近来的发展却彻底改变了铁氧体在这些频率下的特性,为各种不同的功率监控应用场合提供了许多优势。新型铁氧体具有显著改善的导磁率;此外,尽管其磁性饱和电平很低,但是仍然能够作为硅钢或铁-镍合金芯的替代,用于50/60 Hz的电流互感器。

  钳形电流互感器采用新型铁氧体能够实现在一个更宽的频率范围内对交流信号进行准确测量,这个频率范围包括50/60 Hz应用域。这些互感器利用铁的固有特性,即使在非常低的电流水平下依然可以提供高度和良好的线性度。另外,这些互感器还具有输入和输出电流之间的非常低的相移特点,这对于实际有效功率或能量进行准确测量至关重要。坚硬的致密铁芯将气隙减至zui小;与其他材料(如硅钢或铁-镍合金)相比,铁芯更不容易受到老化和温度变化的影响。zui后一点但并不是zui不重要的一点是,铁氧体的所有特性都可以低成本获得,这样能以非常有吸引力的价格将高性能钳形电流互感器投放市场。

  对于大电流测量,应该采用大得多的铁氧体磁芯进行测量,但不幸的是,由于制造方面的限制,这种铁芯还相当稀有。目前来讲,下文所述的铁-镍合金互感器或罗果夫斯基线圈(Rogowski Coil )技术对于高强度电流来说更合适些。

图:800A铁氧体钳形电流互感器和100A铁氧体钳形电流互感器

  硅钢、铁-镍合金和铁氧体材料之间的对比

  高导磁率铁氧体材料在实芯电流互感器上不能达到zui佳效果,因此我们来关注一下钳形电流互感器。只要气隙降低到能够稳定好多年的几微米,固体材料的硬度(将铁氧体视为陶瓷)就允许进行非常精细的机加工。层压材料(比如硅钢或铁-镍合金)禁止存在小于20或30微米的气隙,而且更容易受老化和空气变化的影响。在低磁激励(即用于低强度电流)时,更小的气隙可以使铁氧体材料获得更好的线性度,而且铁氧体材料比铁-镍合金-80%具有更好的性能以及更低的投入成本。

  图1、图2和图3为在电流互感器中硅钢、铁-镍合金和高导磁率铁的相移特性模拟截图。

图:电流互感器中硅钢、铁-镍合金和高导磁率铁氧体材料的相移特性

  铁氧体材料的相移是铁-镍合金磁芯相移的一半,因此铁-镍合金无疑被淘汰。铁芯气隙减小也实现了更好的转换比度(初级匝数比次级匝数)。

  罗果夫斯基线圈(Rogowski Coil)

  罗果夫斯基线圈(Rogowski Coil)用来制作具有开口端的柔性互感器,这种线圈可以很容易地缠绕在待测导体上。罗果夫斯基线圈(Rogowski Coil)包含一个螺旋形线圈,导线一端穿过线圈的中心回到另一端,因此两个端点都在线圈的同一端。线圈长度根据相关的电流测量范围选定,以便获得zui佳的转换性能。

  利用该技术能够对初级电流的变化(演变)速度进行非常的检测,初级电流在线圈的两端感应一个正比例电压。电子积分电路将该电压信号转换成与初级电流成正比的输出信号。换言之,采用罗果夫斯基线圈(Rogowski Coil)能够以额外电子元件和标定的代价制造非常的线性电流互感器。

  罗果夫斯基线圈(Rogowski Coil)的感应系数比电流互感器的感应系数低,同时由于其采用了非磁芯材料,因此具有更好的频率响应。此外,由于不存在可能会饱和的铁芯,它还具有很高的线性度,即使对于高强度的初级电流也是如此。因此该种互感器特别适用于能够承受高强度或快速变化的电流的功率测量系统。 对于测量高强度电流而言,它还具有外形紧凑和易于安装的特点,而传统的电流互感器则体积庞大而且笨重。

  图:罗果夫斯基线圈(Rogowski Coil)原理

  由于需要等间隔的绕组来实现对电磁干扰的zui大抵抗力,所以此类电流互感器的性能在很大程度上取决于罗果夫斯基线圈的制造质量。另外一个关键的特性是导致线圈内不连续的闭合点,致使对外部导体和环路内测量导体的位置产生影响。固定或夹持系统应该确保线圈的末端在一个非常而且可以重新再确定的位置,以及在将其中一个末端接至输出导线时的高对称性。这个领域zui近涌现了一些新技术,这些技术具有特殊的机械和电气特性,可以为低压线定位提供更好的度和抵抗力。由于低压线位置产生的误差在50/60 Hz频率域一般不超过 +/-3%,而在zui新式的罗果夫斯基线圈(Rogowski Coil)互感器上这一误差已经降低到了+/-0.5%以下。

图:LEM公司生产的罗果夫斯基线圈电流 互感器

  结论

  许多新型装置都受益于实芯互感器,钳形技术的电气技术特性并不能与这些实芯互感器相媲美。但是,现存的机器和建筑设备就无法增加各种实芯装置,因为无法承受系统停机的损失。用新型材料和技术来装备先进的钳形电流互感器,实现了高性能经济核算的状态监控、功率计量和设备管理系统的及时更新。快速发展的节能市场和大型功率测量系统的配置支配着对于高性能且经济合算的钳形互感器的需求。

  钳形电流互感器并非新鲜上市,但是这些互感器中所采用的传统技术却表现出众多弊端。这些互感器或者以昂贵的材料制成(如铁-镍合金FeNi),或者性能很差,尤其在线性度和相移方面(比如硅钢FeSi)。新型铁氧体材料具有显著改善的导磁率,zui终实现了在提供高性能的同时也具有普遍接受的价格。罗果夫斯基线圈(Rogowski Coil)zui近也具有很大的进展,实现了用于高强度电流的小型、轻型和灵活的互感器,但是需要一些信号适应和标定来将这些特性发挥到*。设计和制造工艺方面取得的zui重要进步降低了成本以及减小了原边电流电缆定位的罗果夫斯基线圈的影响,克服了这些缺点后,Rogowski Coil技术将是一项非常有前景的技术。

  技术的多样性反映了zui近进展很多的应用领域需求的多样化,由此说明多样化系统和基础设施受到成本和环境的影响。

 

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