电流互感器磁心设计 1引言 电流互感器（CURRENT TRANSFORMER）属于通称为仪表变压器（INSTRUMENT RTANSFORMER）一类。它们的主要用途是用作测量或控制不同的电路。例如，它可以将高压、大电流变换成可以方便地进行测量的小电流，用以扩大电流表的量程；用于功率电路的过电流或欠电流保护；和继电器配合使用，可以保护电路免受损害；在自动控制电路中，可用其取得控制用的电流信号。图1所示在逆变器和变换器的电源电路中，以多匝数的次级的低电流来测量过电流或欠电流或峰电流以及平均电流的电流互感器。 因为电流互感器的次级电流是以初级电流按匝比产生的。由图1可见，初级绕组与被测量的电源电流以串联方式连接，次级绕组按常规连接到仪表，继电器或负载电阻上。 为了电流互感器能够在最佳状态下工作，必须满足以下条件： a、恒定的负载阻抗 b、零漏磁通 c、零激励电流 d、无限大的磁通密度 第一个条件——恒定的负载电阻，在所有的电流互感器的应用中通常是可以满足的；它也提示我们，常常要求这种阻抗保持尽可能的低值。因为在增大负载阻抗时也将增大磁心的磁通，从而增大激励电流。 电流互感器的次级在工作时近似于短路状态（其筒化等效电路见图2所示，所以其负载阻抗中的接线电阻，接触电阻都应计算为负载阻抗的一部分。 第二个条件——零漏磁通，漏磁通受磁心的材料和绕组的实际形状两个因素的影响。用具有高导磁率的材料制作磁心、又有合适的绕组制造技术，就可以达到近似于零漏磁通，而且误差很小。 电流互感器的最理想的磁心是以初级与次级两个绕组能将其全部包围的圆环形磁心。这样就能提供磁心与两个绕组之间的最紧密的磁耦联接，此时的磁心漏磁通可以达到忽略不计的程度。 第三个条件——零激励电流，在实际应用中，从来没有达到过零激励电流。电路中总是存在一些激励电流的，它们可以使用尺寸较大些或成本较高些的优质材料磁心而使其最小化。由图3“电流互感器矢量图”中可以读出减小激励电流（I8）的主要途径。 第四个条件——无限大磁通密度，这也是从来没有达到过的。用较高成本和较大体积的磁心，将可能接近无限大磁通密度。 在磁性元件的实际应用中，完全无损耗的理想状态并不存在；亦即磁心不产生有功功率的消耗，也不需要用激励电流（I8）来产生主磁通（Φm）的完全理想情况是不存在的。所以，在正常情况下，电流互感器设计需要对精度、尺寸和成本进行折衷考虑。假如需要尺寸最小化，可以使用矩形磁回路材料，以接近于磁饱和状态。大多数电流互感器磁心材料还是使用诸如48合金、Magnesl或超坡莫合金等环形回路材料。这些材料通常工作在小于50%的饱和磁通密度，以使得到元件的较高精度。 电流互感器的结构原理与最简单的变压器相同，故其磁心的基本理论也与其它任何型式的变压器磁心相同，只是在设计程度、使用磁心的选择方法上略有或妙之处。在正常情况下，电流互感器标准的初级绕组是单匝巧最低要求的数匝；而次级绕组的匝数很多，其常见的匝比在1000以上。 2精度 一般而言，大的匝比会引起大的漏电感。这就会造成次级的输出电压小于按预先设计的匝比由初级绕组而应该得到的电压倍数（），从而导致输出误差。 高导磁率材料制作成环形磁心时，封密的磁心与绕组间可以达到了佳耦联使漏磁通最小。如果初级绕组有数匝，则磁耦联将增大。但初级为单匝时，所得的耦联结果是最满意的。为了获得最佳的耦联结果，次级绕组应以完全均匀的间距绕在磁心上。 激励电流I0的大小决定着电流互感器能够达到的最高精度。激励电流可以被定义为在满足磁心的磁滞回线和涡流损耗情况下的初级绕组电流的一部分。因为次级电流的量值是按比例从初级电流并减去激励电流后获得。如果图2中的L和R的值因为磁心材料的导磁率低和磁心的损耗大而太小，那么只有一部分电流Is流入输出负载，图4即表示了激励电流与输出电流的关系。这就是产生误差的第二个原因，因此不能从次级电流精确地测量出初级电流。所产生误差的大小正比于激励电流对初级电流的比值。人们推荐高导磁率和低损耗的磁性材料并做成圆环形磁心，这样便可以减小由于漏磁通和大激励电流所造成的误差。 3磁心材料的选择 电流互感器磁心材料的选择取决于工作频率，精度和成本。如果精度不是很重要，钢带的材料和厚度可以从表1中选取，表1中未包括铁氧体材料。但对于20KHz以上工作频率时，则必须考虑铁氧体材料。 在60HZ和400Hz的工频工作时，表1指出硅钢片可用于标准精度为1%~5%的电流互感器磁心；48合金可提高0.5%的精度；坡莫合金与超坡莫合金材料可更进一步提高0.1%的精度。归纳起来，提高的精度有三个因素：增加磁心材料的导磁率，减小激励电流，采用环形封闭铁心和先进制造技术减小了漏磁通。 4电流互感器的磁心设计 电流互感器设计一般从研究其负载要求开始。电流互感器的负载（RB）决定最大输出电阻和电流。负载电流就是次级电流IS，用负载电阻RS与其相乘，决定变压器的次级电压ES： ES=IS×RS （1） 初级电流IP是用作为测量或控制的电流，因此，初级电流IP对次级电流IS的比率与匝比成反比，即 （2） 在多数情况下，初级绕组是用单匝，因此，初级电流等于： IP=IS·NS （3） 利用次级电流IS的值和表2的导线表，导线尺寸及其截面积ACU即可确定。次级匝数所要求的绕组面积为： （4） K为排绕系数，它是两根导线之间的空隙与导线和两层绝缘的函数。K一般选0.2的保守值。但通常导致电流互感器成品的绕组占用了几乎全部的绕线面积。这有利于次级绕组与初级绕组的计算，如果使用高电压——两个绕组间需要更高的绝缘强度并需要更大的绕组面积，则K的值必须减小。从公式（4）和电子变压器设计手册的相关磁心型号性能表格中即能选出磁心。 5磁饱和的计算 在变压器方程式中，由次级电压ES和次极绕组匝数NS即可按下式计算出磁心中的磁通密度B： （5） 式中：B—磁通密度（高斯） f—频率（Hz） Ac—有效磁心面积 B值应按最大导磁率选择。如果B值较高，激励电流就相当低，则不会影响电流比。当选择电流互感器磁心材料时，所谓合理的B值一般就是使ZS和Re（见图2）的值大到足以能够降低流入这个单元电路的电流。 如果B小于所选择的磁心材料的最大的磁通密度，这个公式所得到的磁通密度可以检查出来；如果并非如此，具有最大截面积的磁心（保持同样的或更大些的绕组面积）必须进行磁饱和选择及检验。相反，如果计算结果的磁通密度比所选择的磁心材料的最大磁通密度小得多，就可以使用较小截面积的磁心。 6激励电流计算 为了检验电流互感器设计的精度，计算激励电流的总量是必需要的。利用由公式（5）所得的磁通密度B，初级电压以及磁心材料的数据，决定这种材料的磁心损耗（W/1b—瓦/磅）。见图5。磁心的重量可从手册的图表中查找。该磁心材料的损耗（W/1b）乘以磁心的重量即得到磁心的总损耗（W）。 磁心的损耗严格地逼近材料的伏安容量（VA）。激励电流Im由下式计算： （6） Im值除以总的初级电流乘以100，即是电流互感器的精度（%值）；其数值越小，电流互感器的精度就越高。 7最佳磁心材料的选择 选择电流互感器的的最佳磁心材料受两个主要因素影响：精度与尺寸。综合考虑这两个因素是达到最佳设计所不能缺少的。 如查电流互感器是用来测量小电流的，又要求体积小成本低，则由于80坡莫合金的良好固有精度，选用80坡莫合金材料就是最佳选择。 如果电流互感器是用于测量大电流（≥100A），尺寸和成本变得可以估算，则除了使用中要求很高的精度，一般不选择80坡莫合金材料。在用于测量大电流时，磁心材料通常选择Magnesil合金，因为它的成本较低。 8几种磁心材料的比较 以下研究得出的比较结论是在典型的电流互感器设计中现实使用的各种磁心材料中获取的。为表明这些磁心材料的比较数据是正确的，进行了如下假设： a、磁心形状——采用环形磁心结构，因为这是电流互感磁心的最佳形状。它可以从根本上提供最小漏磁通的零气隙结构。 b、匝比——对所有的磁心材料都采用相同的匝比和导线尺寸。 c、磁心材料——用80坡莫合金，48合金和Magnesil合金制作的磁心，都采用其典型的磁特性数据。 d、磁心尺寸——对第一种材料，其磁心的尺寸是不同的。ID和OD磁心将保持不变，因为它们会对激励电流产生影响。钢带的宽度（即磁心的高度）将变化，以其补偿三种材料的不同磁通密度。对于所有的磁心材料，在用于最大磁通密度时，其磁通密度比则是保持不变的。 使用不同材料时的精度计算都基于铁心的激励电流。这样得到的结果不是假设而是最终精度，但它们又是相当于各种磁心材料的比较精度。影响电流互感器误差的主要因素是：1漏磁通；2绕组中的I2R损耗；3磁心损耗。制作成环形并有合适的制造技术制成的磁心，其漏磁通产生的误差在多数电流互感器中可忽略不计。 合理的磁心尺寸和导线尺寸设计，铜损可以做得很小，激励电流可以用调整匝比来补偿。为此，人们所期望的实际精度，比表3所指出的值更好些。 9结论 综合以上讨论，对电流互感器所用的磁心的主要要求可以归纳为： a、磁心结构应能提供封闭磁路，与绕置在它上面的绕组间可以形成紧密的磁耦联，以达到最小漏磁通；理想的磁心形状是环形。 b、磁心材料应具有高导磁率，低损耗特性对激励电流的影响最小。 c、磁心的尺寸最小时，磁心应用较高的可利用的磁通密度。 参考资料 1、变压器与电感器设计手册 内部资料 2、变压器与电感器磁心的选择 内部资料 3、软磁产品指南 内部资料