具有相位补偿电路的环形铁芯电流互感器

摘要

公开了一种环形铁芯电流互感器，包括穿过环形铁芯的初级导体和围绕环形铁芯的次级绕组。测量分路(RSh)或者负载(Zb)被在次级侧提供。为了补偿初级电流(IP)与次级电流(IS)之间的相位误差(f)，其电容(C)被根据等式(I)或者(II)充分测量的补偿电路(K)被在次级侧提供。在等式(I)或者(II)中，C表示补偿电路的电容，ω表示角频率，φ表示初级电流与次级电流之间的相位误差，RSh表示可选的测量分路的电阻，Zb表示可选的负载的阻抗。

说明书

技术领域

本发明涉及根据装置独立权利要求的前序的环形铁芯电流互感器(toroidal core current transformer)，以及根据方法独立权利要求的前序的用于借助于环形铁芯电流互感器判定初级电流的方法。

背景技术

这种类型的环形铁芯电流互感器能被用于借助于环形铁芯将初级导体中的高的初级电流转换为围绕环形铁芯的次级绕组中的低数倍的次级电流。到目前为止，这样的环形铁芯电流互感器被用于诸如计费应用和用于防护目的，其中不同类型的电流互感器(电压输出、电流输出)被用于计费应用和防护目的。

现今，具有电流输出的环形铁芯电流互感器经常被根据IEC60044-1标准和IEC60044-6标准设计，其中根据这些标准，负荷阻抗(负载)只能在规定的窄带内变化(负载阻抗或多或少为恒定的)。具有电流输出但是可变负载的环形铁芯电流互感器代表了关于目前使用的电流测量系统的技术的状态。

上述的环形铁芯电流互感器也可以具有次级侧的电压输出，也即根据IEC60044-8标准。这样的具有电压输出的环形铁芯电流互感器的一个例子被从WO-A-98/58267获知。在所述的环形铁芯电流互感器中，关系式：

${\underset{\‾}{I}}_P=\frac{{\underset{\‾}{U}}_S}{\stackrel{\·\·}{u}\·R_{\mathrm{Sh}}}$

应用于初级电流，其中I_P表示初级电流，U_S表示在测量分路R_Sh处的电压。

但是，由于环形铁芯中的损耗(铁损)以及环形铁芯的所需要的磁化电流的损耗，在两种类型的环形铁芯电流互感器(电压输出，电流输出)中发生复变比误差，其中该复变比误差取决于数量误差：

$\left|\mathrm{\ϵ}\right|=\frac{\frac{\left|{\underset{\‾}{I}}_S\right|}{\stackrel{\·\·}{u}}-\left|{\underset{\‾}{I}}_P\right|}{\left|{\underset{\‾}{I}}_P\right|}\·100\%$

和相位误差：

＝_P-_S

其中，I_P和I_S表示复初级电流和复次级电流，其取决于其量|I_P|和|I_S|以及相应的相位角_P和_S。

由于相位误差，在初级电流的测定中发生误差，以至于即使轻微的相位误差能引起关于成本的非常显著的后果，例如，在测定从电力网络获得的用于能源密集的操作的电力中。本发明的目的之一是提出一种环形铁芯电流互感器，其中相位误差被完全或近似完全地补偿。如果电流互感器能作为通用的电流互感器被操作，也就是说其根据IEC60044-8标准具有电压输出，或者根据IEC60044-1标准和IEC60044-6标准以近似恒定的负载具有电流输出，将是理想的。

发明内容

本发明提出了根据装置独立权利要求的特征的环形铁芯电流互感器。本发明的环形铁芯电流互感器的优选的附加的改进由从属权利要求的特征限定。

本发明特别涉及环形铁芯电流互感器，例如用于中高电压和高电压系统。其包括穿过环形铁芯的初级导体和围绕环形铁芯的次级绕组。测量分路或者负载被在次级侧提供。为了补偿初级电流与次级电流之间的相位误差，补偿电路被在次级侧提供，其中补偿电路的电容被分别按照以下等式额定：

或

其中，

C表示补偿电路的电容，

ω表示角频率，

表示初级电流和次级电流之间的相位误差，

R_Sh表示可选的测量分路的电阻，以及

Z_b表示可选的负载的阻抗。

如同在下文详细描述的，这样的环形铁芯电流互感器使得可能将相位误差补偿至远低于1°，也就是说，照这样相位误差能被完全或者近似完全地补偿。

在本发明的环形铁芯电流互感器的一个实施例中，补偿电路的电容是由电缆的电容与附加的电容的和组成(例如在具有电流输出的环形铁芯电流互感器中)。

在本发明的环形铁芯电流互感器的一个优选实施例中，补偿电路包括两个极性相反的串联的电容器，优选地是钽电容器(干电解电容器)，其中也可使用液体电解电容器，但是依赖于正发生的最大电压。具有同样的电容的这种电容器具有比通常的敷金属纸/箔电容器小得多的体积，因此它们可以更容易地被容纳在容器中并且也更有成本效益。

根据本发明的环形铁芯电流互感器的这个实施例的一个附加的改进，保护二极管被并联到极性相反地串联的两个电容器的每一个。保护二极管的极性分别与相应的电容器的极性相反。如同它们的名字所暗示的，保护二极管用作保护电容器免于不正确的极性，因为这种电容器只能经受相当小的极性不正确的电压。因此二极管的导通状态电压需要被选择为低于电容器所能承受的极性不正确的电压的最大值。

为了保护环形铁芯电流互感器特别是其次级侧的部分(特别是电解电容器)免于过电压，根据另一实施例的补偿电路包括压敏电阻(可变电阻器；在超过某个电压时表现为短路的氧化锌放电管(ZnOarrester))。例如，在上述的具有极性相反地串联的电容器的实施例中，压敏电阻例如被并联到两个电容器的串联电路(并且，如果可应用地，并联到保护二极管)。因此压敏电阻保护电容器在过电压的情况下免于被破坏。

根据本发明的环形铁芯电流互感器的另一实施例，环形铁芯包括一个(或多个)空气隙。空气隙用于线性化环形铁芯的磁化曲线，但是也降低电流互感器的电感并因此提高了初级电流和次级电流之间的相位误差。

本发明的另一方面涉及相应的用于判定根据方法独立权利要求的特征的初级电流的方法。对本发明的方法的有益的变化由从属权利要求的特征所限定。

本发明特别涉及用于补偿环形铁芯电流互感器的初级电流和次级电流之间的相位误差的方法，特别是对于中高电压和高电压的系统。环形铁芯电流互感器包括穿过环形铁芯的初级导体、围绕环形铁芯的次级绕组、以及在次级侧提供的测量分路或者负载。补偿电路被在次级侧提供，以补偿相位误差，其中所述补偿电路的电容实质上分别是根据以下等式所额定的：

或者

其中，

C表示补偿电路的电容，

ω表示角频率，

表示初级电流与次级电流之间的相位误差，

R_Sh表示可选的测量分路的电阻，

Z_b表示可选的负载的阻抗。

本方法以及下文所描述的本方法的变化的优点分别对应于上文在关于环形铁芯电流互感器的描述以及其各自的实施例和附加的改进中已经提及的相应的优点。

在该方法的一个变化中，补偿电路的电容由电缆的电容和附加的电容(例如在具有电流输出的环形铁芯电流互感器中)组成。电缆电容被从补偿电路的(全部)电容中减去，以判定所需要的附加电容。

在本发明的方法的一个变化中，可以使用具有两个极性相反地串联的电容的补偿电路，其中，尽管也可考虑液体电解电容器，优选地以钽电容器的形式实现所述电容——取决于所需要的电气强度。

特别地，根据该变化的补充改进，还可以使用补偿电路，在该补偿电路中保护二极管被并联到两个极性方向相反地串联的电容器的每一个，其中保护二极管的极性分别与相应的电容器的极性相反。

在本发明的方法的另一变化中，具有压敏电阻的补偿电路可被用作避免过电压的保护。在该方法的另一变化中，可能使用具有一个或多个空气隙的环形铁芯。

如上文已经提到的，所述方法的各变化的优点对应于上文对环形铁芯电流互感器的相应的实施例中所提到的优点。

本发明的其它方面的优点来源于以下参照附图对优选实施例的描述。

附图说明

在这些示意图中：

图1示出了本发明的环形铁芯电流互感器的实施例的初级侧的等效电路图，以便说明补偿原理；

图2示出了参考具有电压输出的环形铁芯电流互感器的测量分路处的电压的初级电流的相量(Phasor)；以及

图3示出了本发明的具有补偿电路的示例的电流互感器的次级侧的一部分。

具体实施方式

在图1所述的本发明的环形铁芯电流互感器的实施例的初级侧的等效电路中，R_Fe表示对铁损的等效线性电阻，L_m表示电流互感器的电感。次级绕组的电阻由指示符号R_S表示，并且测量分路由指示符号R_Sh表示。在这种情况下，如在WO-A-98-58267中所述的，测量分路R_Sh可以被实现为第二绕组的一部分。由于图1所示的等价电路图参照初级侧，因子ü²，也即产生于初级导体的绕组的数量N_P与次级绕组的绕组的数量N_S的商的变比ü的平方，被分别分配给这些电阻。该图也示出了附加电容的电容C_Z和线路的电缆电容C_C。在所示出的例子中，在次级连接S₁和S₂处指示了具有电阻R_b的纯欧姆负载(在这种情况下负载的基本复阻抗Z_b仅具有实分量R_b，并且因此是欧姆电阻)。附加电容的阻抗值总计为

$\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_z}\·{\stackrel{\·\·}{u}}^2$

并且电缆的阻抗值总计为$\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_z}\·{\stackrel{\·\·}{u}}^2$

系数ü²还被分配给这些阻抗——类似于负载的欧姆电阻R_b——因为等效电路图指示初级侧并且阻抗被从次级侧变换到初级侧。总电容C产生于电容C_Z和C_C的和并且因此总计为C＝C_Z+C_C。在次级连接S₁和S₂处的电压总计为U_S·ü，因为向初级侧的变换，次级侧的电压U_S需要与变比ü相乘。R_E指示所连接的计费仪表、控制和/或保护装置的输入阻抗，其中因子ü²还被分配给这个输入阻抗，因为等效电路图指示初级侧。

初级电流I_P经由初级连接P₁和P₂流动。初级电流I_P被划分为局部电流I_P(Fe)和I_L，以及局部电流I_S/ü，因为向初级侧的变换，次级电流I_S需要被除以变比ü(参见上文)。

取决于电流互感器的类型(电压输出、电流输出)，测量分路R_Sh或者负载R_b可在图1中提供。在相应的前提条件R_E＞＞R_Sh或者R_E＞＞R_b下，初级电流I_P和在次级连接S₁和S₂处(或者在这种情况下在相应的测量分路R_Sh处)的电压U_S之间的关系与以下产生于等效电路图(图1)的等式一致：

$\frac{{\underset{\‾}{I}}_P}{\stackrel{\·\·}{u}\·{\underset{\‾}{U}}_S}=\frac{1}{{\stackrel{\·\·}{u}}^2\·R_{\mathrm{Sh}}}+\frac{1}{R_{\mathrm{Fe}}}\·(1+\frac{R_S}{R_{\mathrm{Sh}}})+\frac{R_S\·C}{L_m}-j\frac{1}{\mathrm{\ω}{L}_m}\·(1+\frac{R_S}{R_{\mathrm{Sh}}})+\mathrm{j\ωC}\·(\frac{1}{{\stackrel{\·\·}{u}}^2}+\frac{R_S}{R_{\mathrm{Fe}}})---\left[1\right]$

这个关系也可由图2中示出的相量图确定。未被补偿的电流互感器的总电容C等于零(没有电容呈现)。因此，在初级电流和电压U_S(经由测量分路的次级电流I_S与电压U_S同相)之间的相位误差被如下计算：

其中$\frac{1}{{\stackrel{\·\·}{u}}^2\·R_{\mathrm{Sh}}}>>\frac{1}{R_{\mathrm{Fe}}}\·(1+\frac{R_S}{R_{\mathrm{Sh}}})---\left[3\right]$

随后的关系式结果为：

对于完全补偿，等式[1]的虚分量需要等于零(在I_P与U_S之间无相位差别)，也就是说，必须应用下式：

$\frac{1}{\mathrm{\ω}\·L_m}\·(1+\frac{R_S}{R_{\mathrm{Sh}}})=\mathrm{\ω}\·C(\frac{1}{{\stackrel{\·\·}{u}}^2}+\frac{R_S}{R_{\mathrm{Fe}}})---\left[5\right]$

如果等式[4]现在被插入等式[5]，并且如果进一步考虑

$\frac{R_S}{R_{\mathrm{Fe}}}\<\<\frac{1}{{\stackrel{\·\·}{u}}^2}$

对总电容C有以下的结果：

或者因此在负载Z_b的情况下：

例如，从等式[6a]可以确定，如果测量分路R_Sh的值被削减一半，总电容C需要被加倍以实现补偿。如果总电容C被如上述的确定，相位误差能如图2中的点线箭头所指示的被补偿。

图3示出了补偿电路K的实施例，使得其可以实现能被连接以补偿相位误差的附加电容C_Z。在这种情况下附加电容C_Z由两个具有电容C_Z1和C_Z2的附加电容器组成。如果C_Z1和C_Z2相同并且两个附加电容器的串联形成附加电容C_Z，则附加电容的结果为C_Z＝C_Z1/2＝C_Z2/2。如果补偿相位误差所需要的附加电容C_Z需要被确定，必须考虑总电容C被以C＝C_Z+C_C的形式计算，以使任何线路的电缆电容C_C需要被初始地从补偿所需要的总电容C中减去，以决定所需要的附加电容C_Z。在图3中分别以虚线描述了测量分路R_Sh或者负载Z_b以及测量系统的输入电阻R_E。由于分别适用R_E＞＞R_Sh和|Z_b|，在决定补偿所需要的电容时，输入电阻R_E未被考虑。

具有电容C_Z1和C_Z2的补偿电路K的两个电容器被极性相反地串联。图3所描述的电容器包括电解电容器，优选地为钽电容器。与通常的敷金属纸电容器相比，电解电容器(例如液体电解电容器)并且特别是上述的钽电容器(干电解电容器)，通常在同样的电容下具有小得多的体积，并且因此更容易被容纳入容器中。此外，与敷金属纸电容器相比，这些电容器还提供了成本效益。应该采用钽电容器还是液体电解电容器的问题取决于施加到电容器的最大电压等。液体电解电容器的电气强度高于(例如对于铝电解电容器是500v)钽电容器的电气强度(例如总计为50v)。

但是，电解电容器对不正确的极化是敏感的。在电解电容器上被不正确地极化的、超出某个(相对低的)值的电压导致对电解电容器的损坏或破坏。这被通过保护二极管D₁和D₂对电容器的保护所避免，其中一保护二极管D₁和D₂被并联到两个串联的电容器的每一个。但是，保护二极管D₁和D₂各自的极化与相应的电容器的极化相反。保护二极管D₁和D₂各自的导通状态电压，也即在该电压处相应的保护二极管D₁和D₂变为高度导通的电压，低于电解电容器所能承受的最高的不正确极化的电压。这意味着如果出现不正确极化的电压，也就是说在相应的电解电容器被损坏或破坏以前，保护二极管D₁和D₂分别开始变为高度导通。

并联到电解电容器(和保护二极管)的串联电路的压敏电阻(可变电阻器；例如按照氧化锌技术)是电压依赖性的电阻，如果某个电压被超出，压敏电阻表现为短路并保护补偿电路，并且特别是保护电容器避免出现过电压。

虽然上述的数量误差|ε|可被调节到所需要的根据具有电压输出的环形铁芯电流互感器中的测量分路R_Sh的额定的数量误差，用于具有电压输出的环形铁芯电流互感器的附加电容C_Z的额定在下文中将被参照数字表示的例子更详细地描述。在这种情况下，未被补偿的电流互感器的相位误差应该被测量，其中这可通过合适的测量电桥来实现。电缆电容C_C取决于测量线路的长度并且是已知的。测量分路的值被假设总计为R_Sh＝1.125Ω，其中应该考虑到，优选地具有高度恒定的温度的测量分路，例如具有Isabellenhütte，Dillenburg(Germany)公司的ISAOHM^型号的电阻线的测量分路，应该也被使用于数量误差|ε|的恒定性。所述的例子的工作频率被假设为f＝50Hz，也即ω＝314s^-1。在初步测量中相位误差的值被判定为＝30′。

所需要的总电容C根据公式[4]产生：

如果电容相同的两个电解电容器被如图3所描述的串联，串联的结果电容总计为单个电容的一半。在具有相应的电容C_Z1和C_Z2且C_Z1＝C_Z2＝47μF的两个电容器的串联中，结果的附加电容总计为C_Z＝23.5μF。由于根据上述对于C、ω和R_Sh的值(并且根据对小角度的简化，tan≈)

这导致角度＝0.48°＝28.5′。在补偿之后发生的相位误差——未考虑可能的电缆电容(其典型地处于5-200pF/m之间的范围中)——于是只总计为1.5′(角度的分)。

在名义上的电流I_P＝1.25kA，变比ü＝1∶2500，并且第二电阻R_S＝12.6Ω时，测量分路R_sh处的工作电压U_S≈0.5V，其中35v的电压产生于25A的完全非对称短路电流。电容器需要能承受在短路的情况下产生的最大电压，但是对于上述的钽电容器和液体电解电容器，这个方面显示为没有问题。

有益地，还可应用于标准的具有近似恒定负载阻抗Z_b的电流互感器。在对相位误差的测量期间，具有正的或负的相位角的负载被自动考虑。

还应该提及的是，具有一个或多个空气隙的环形铁芯电流互感器是特别有益的，因为这些空气隙对磁化特性的线性化提供了重大贡献。