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    鐵芯開氣隙電流互感器暫態特性仿真(下)

    作者:威博特鐵芯   發布時間:2019-03-30 15:01:11 瀏覽次數:
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    三、鐵芯開氣隙電流互感器的仿真模型建立
        由上篇的分析可知,開氣隙電流互感器的等效電流與閉合鐵芯的等效電路在形式上具有統一性,故可以得到如圖 6所示的簡化電路。

    開氣隙鐵心電流互感器的簡化電路
    圖 6 中,Z0為勵磁電流,R2為二次繞組電流與二次負荷電阻之和的等效電阻,L2 為二次繞組漏電感和二次負荷電感之和的等效電感,N1、N2 分別為一次繞組的匝數。運用基本電磁關系和 KCL 定律可以得到電流互感器的基本方程如下:
    式中 Sc為鐵芯的有效截面積。因為 Hlc=i0N1,結合公式(9)有
    式中,lir、lair分別表示磁路中有效的鐵芯長度和氣隙長度,即磁路長度 lc= lir+ lair。實際上,氣隙磁路 lair 的設計長度往往只有鐵芯磁路 liron 的千分之幾,由前面的分析可以認為,鐵芯有效截面與氣隙有效截面相等,即 Sir= Sair=Sc,同時通過鐵芯截面的磁感應強度與通過氣隙的磁感應強度相等,即
    這樣在給定一次電流 i1的情況下,結合式(20)和(3),采用四階 Runge-Kutta 法求解微分方程(19),即可得到微分方程的解,即電流互感器二次電流暫態輸出波形。仿真計算的流程如圖 7。
    仿真計算流程
     
    式(3)、(19)和(20)完整地構建了開氣隙鐵芯電流互感器的仿真模型,圖 7 直觀地描述了這一仿真模型的計算過程。該仿真方法充分地運用了計算機軟件的數值計算功能,使得數值計算這一仿真技術中重要的研究手段在電流互感器仿真領域得到了較好的應用和推廣。

    四、仿真結果輸出與分析
     1、仿真對象

        仿真研究的對象分為兩組,一組是設計有不同氣隙的互感器,另外一組是閉合鐵芯互感器,其中閉合鐵芯互感器作為比較研究的對象。兩組互感器的除了有無氣隙設計的不同之外,其他參數均相同。具體參數如下:
    變比:1300/1;鐵芯硅鋼牌號:35W360;鐵芯截面積:SC = 40.6mm^2;鐵芯平均磁路長度:LC = 50.2mm;二次繞組內電阻和漏電抗:r2=100.5?;x2=0.05?;一次額定電流:L1N= 50A;氣隙比例:λ=0.001 

    2、結果輸出與分析
        (1) 氣隙鐵芯互感器與閉合鐵芯互感器的波形比較由前面對開氣隙電流互感器的暫態特性的理論分析可知,鐵芯開氣隙后,整個磁路的磁阻增大,磁導率降低,這樣使得開氣隙鐵芯比閉合鐵芯不容易飽和,從而提高了電流互感器飽和電流的倍數,改善了大電流下的暫態過程。下面將通過仿真結果進一步證明。
        圖 8(a)和(b)分別是閉合鐵芯和開氣隙鐵芯電流互感器在一次電流有效值為 200A 時的二次電流波形,圖 9(a)和(b)則是對應的勵磁電流仿真波形。其中開氣隙鐵芯的氣隙比例為 λ=0.001。圖中的二次電流已折算至一次側。
        從圖 8 和 9 可以看出,當一次回路流過有效值為 200A的正弦電流時,閉合鐵芯電流互感器的二次電流波和勵磁電流波形均出現明顯的畸變,表明互感器的鐵芯工作區間已進入飽和區;而開氣隙鐵芯互感器的二次電流輸出未出現畸變,仍然呈現為比較標準的正弦波形,表明鐵芯開氣隙后,互感器的飽和特性得到了明顯的改善。
        (2) 不同氣隙對開氣隙電流互感器暫態特性的影響為了研究不同氣隙大小對于互感器暫態特性的影響,下面給出了同樣是在一次電流有效值為 200A 的情況下,不同氣隙比例的互感器二次電流輸出波形。圖 10 和圖 11 分別為氣隙比例λ = 0.0012和0.0015時的電流互感器互感器二次電流仿真波形。

    閉合鐵芯和開氣隙鐵芯互感器的二次電流波形比較
    閉合鐵芯和開氣隙鐵芯互感器的勵磁電流波形比較
    互感器二次電流仿真波形
    從圖 9 至 11 的變化趨勢可以看出,隨著鐵芯氣隙的增加,互感器的二次電流波形基本能維持正弦波,但是波形的幅值卻在相應的減少,也即二次電流輸出的有效值在減少,互感器的傳變誤差增大。另一方面,輸出正弦波的相位誤差也在增大。這一變化趨勢表明,雖然鐵芯開氣隙能夠改善電流互感器的飽和特性,但絕不是氣隙越大越好。氣隙過大反而會增大傳變誤差和相角差,從而降低了互感器的暫態性能,所以在設計氣隙互感器時,應該充分考慮互感器實際工作環境,在滿足抗飽和要求和誤差要求的前提下合理選擇氣隙大小。
     

     




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