蔣大維
江陰市星火電子科技有限公司
1、開合式電流互感器的結構及作用
開合式電流互感器顧名思義就是可以在一次側線路（被測電流線路的一側，通常為電纜或者母牌）上開合的電流互感器，通過感應一次線路上的電流大小，從而為二次設備進行測量或為繼電器進行保護。
近年來，我國的配電網發展雖取得明顯改善，但城鄉區域發展不平衡，用電質量有待改善，同時國家對能源管理不斷提出要求，在這樣的大環境下，我們急需對以前的電力線路進行二次改造，在改造項目上就需要用到電流互感器來對線路進行測量或者保護，但是普通的電流互感器是一個完整封閉的結構，（見圖1）由于這種電流互感器是閉環結構（見圖2），所以使用時必須要拆卸一次線路，再者拆卸一次線路，必須要先斷電，如果為了改造而斷上個幾天甚至半個月的電，對一些商場、超市、企業的損失是非常大的。所以開合式電流互感器就應運而生了。（見圖3）開合式電流互感器的特點是：電流互感器一次側為開合式結構，（見圖4）無需拆卸一次線路，亦可帶電操作，不影響客戶使用，從而節省大量的人力、物力及財力，而且很大程度上提高了效率。
圖1：星火電子生產的環氧澆注式電流互感器，一次側閉合鐵心，無法打開，一次線路必須穿孔。
圖2：普通電流互感器的結構：是由漆包線的繞組和閉合的鐵心組成，由于電流互感器的鐵心是閉環結構，所以一次側電纜只能穿心使用。
圖3：星火電子生產的SCT系列開合式電流互感器，一次側開合式設計，即是鐵心經過切割后安裝在外殼內，左為一次側閉合狀態，右為一次側打開狀態。使用時打開上蓋，夾住一次電纜即可。
圖4：開合式電流互感器工作示意圖，鐵心采用開合式設計，從而開合式電流互感器可以夾住一次側線路。
2、開合式電流互感器的技術參數
開合式電流互感器的主要技術參數如下：
2.1、設備電壓，設備的工作電壓決定互感器的絕緣要求，閉合式的電流互感器可以做很高的絕緣，但是開合式電流互感器由于結構的原因，正常只能使用于1KV以下的設備電壓。當然如果一次側是由有可靠絕緣的電纜結構，那開合式電流互感器就可以使用于中壓，但一般設備電壓不能超過35KV。
2.2、輸入電流、輸出電流，這個和普通的閉合式電流互感器一樣，例如：600A/5A，就是把一次側600A的電流轉換為5A的二次電流。
2.3、準確級，通俗叫做誤差，是互感器的重要性能參數，例如0.1、0.2、0.5、0.2S、0.5S，數值越小，誤差要求越高，（見表1和表2）
當然開合式電流互感器由于鐵心經過切割，準確級要比閉合式的電流互感器要低。
表1 ：GB/T20840.1-2010中規定測量用電流互感器的準確級的定義
表2：GB/T20840.1-2010中規定特殊使用的測量用互感器的準確級
2.4、負荷，互感器二次側的負載的視在功率，單位VA，負荷要求越高，互感器的鐵心越大。
2.5、海拔，一般海拔不超過3KM，否則絕緣性能會遭到破壞，同時溫升會升高，影響互感器使用。
2.6、防護等級，由于開合式互感器屬于暴露裝置，故一般IP防護等級為IP20，如果要做到很高的防護等級，必須經過特殊的設計及處理。
3、開合式電流互感器的設計原理及影響因素分析
電流互感器是一個電流信號變換的裝置，是基于電磁感應原理而工作的，在電力回路中，將一次側大電流變換為便于儀表測量或者繼電器保護的二次側小電流信號，從而實現二次側與高壓電網的隔離，保證了二次側回路及人員的安全。
電流互感器的電磁感應原理可以通過等效電路來建立其模型，將二次側電流折算到一次側，畫出的等效模型。（見圖5）
圖5，電流互感器的等效電路模型
根據等效電流可知： I0N1=I1N1+I2N2；——公式1
I0=I1+I2。——公式2
畫出電流互感器的向量圖。（見圖6）
圖6，電流互感器的向量圖。
可知互感器一次電流與二次電流并非嚴格的等比例關系，關鍵在于勵磁電流I0，勵磁電流又是互感器工作的主要原因，所以互感器必然是有誤差的。
依據電流互感器的定義，其比差公式為：
F=(I2-I1)/I1≈-cb/I1=-(I0/I1)sin(α+φ)*100,%；——公式3
相位差公式為：
Δ≈sinΔ=ca/I1=I0/I1cos(α+φ)*3438′；——公式4
其復合誤差公式為：
ε=F+jΔ= 25.3 Z2L/ N2 ²μSk 。——公式5
式中 L為鐵心的平均磁路長度，單位 cm；
Z2 為互感器總阻抗，包含負荷阻抗及繞組阻抗，單位 ?；
μ 為鐵心磁導率，單位 T/Oe；
S為鐵心截面積，單位cm²；
K為鐵心的疊片系數，根據不同材質的鐵心，其疊片系數從0.8-0.95之間。
所以影響互感器準確級的因素如下：
3.1、平均磁路長度L對互感器的誤差的影響
公式5表明，誤差與平均磁路長度成正比。鐵心的磁路長度，主要取決于鐵心窗口的面積，而鐵心窗口的大小，必須保證能裝下一次和二次繞組以及它們之間的絕緣。在滿足這個要求以后，應該盡可能的縮小鐵心的窗口面積，縮短鐵心的磁路長度。很明顯，鐵心的磁路長度越小，越省鐵心材料，誤差也越小。
3.2、鐵心截面對互感器誤差的影響
從公式5看到，誤差與鐵心的截面S成反比。一般說來，增加鐵心截面可以減小誤差。但是，實際上伴隨著鐵心截面的增大，鐵心的平均磁路會隨著增長，二次繞組的內阻抗也會增大。所有這些都限制了互感器誤差的減小，甚至在某些情況下，鐵心截面S的增大，反而使誤差增大。
3.3、繞組匝數對互感器誤差的影響
根據公式5，我們可以看到互感器的誤差與互感器二次繞組匝數的平方成正比，即是增加互感器二次繞組的匝數能夠大大的減小互感器的誤差。但是隨著二次繞組匝數的增多，二次繞組的內阻抗也隨著增大，會限制互感器誤差的減小，同時增加二次繞組的匝數，用銅量也會增加，增加了互感器的成本。
3.4、互感器一次電流對互感器誤差的影響
公式并沒有表明互感器一次電流對互感器誤差的影響，但是隨著互感器一次電流的增大，互感器鐵心的磁密會升高，（見圖7）在一定的范圍內，鐵心導磁率會上升，這樣互感器的誤差會隨著一次電流的升高而減小。（見圖8）
圖7：鐵心初始B-H磁化曲線，隨著一次電流上升，磁導率會逐漸增大，直至飽和。
圖8，星火電子開合式電流互感器SCT0016，隨著一次電流增大，誤差逐漸變小，直至飽和。
3.5、鐵心材料對互感器誤差的影響
從公式5看到，鐵心的磁導率越高，互感器的誤差越小，所以選取合適的互感器鐵心是提高互感器誤差的關鍵，互感器所用的鐵心屬于磁性材料，而磁性材料又有軟磁和硬磁材料之分，軟磁材料容易被磁化和被退磁，退磁所用的矯頑力又很小，而硬磁材料退磁所用的矯頑力很高，這就是兩者較明顯的差別，軟磁材料擁有較高的磁導率和很小的矯頑力，所以互感器鐵心使用軟磁材料。
軟磁材料的總類又有很多，有金屬軟磁和非金屬軟磁，晶態軟磁和非晶態軟磁，性能也各不相同，有的磁密高，有的磁導率高，有的頻率特性好，所以軟磁材料不同，性能也有所不同，我們給軟磁大致分類如下。（見圖9）
圖9，軟磁材料大致分類
4、鐵心材料對開合式互感器的影響分析
常用的鐵心材料做個介紹：
4.1、鐵氧體系列：主要分為鎳鋅和錳鋅，鎳鋅磁導率低、但頻率特性好，錳鋅磁導率導率相對較好，但頻率特性相對較差，鎳鋅通常使用于高頻電感，錳鋅用作于低頻濾波電感。開關電源用變壓器通常使用鐵氧體做為磁芯，只是根據頻率高低而采用不同材質的鐵氧體。當然鐵氧體由于價格便宜，容易成型也可以適用于開合式電流互感器，但是由于其導磁率和磁密都不是很高，所以互感器的過載、負荷及其誤差都不是較佳的狀態。
4.2、硅鋼片鐵心：硅鋼片是一種合金，在純鐵中加入少量的硅（一般在4.5％以下）形成的鐵硅系合金稱為硅鋼。該類鐵心具有較高的飽和磁感應強度值為2T；由于它們具有較好的磁電性能，又易于大批生產，價格便宜，機械應力影響小等優點，在電力電子行業中獲得極為廣泛的應用，特別是在低頻、大功率下適用。所以硅鋼鐵心是現在開合式互感器的主流使用材料。
4.3、坡莫合金：坡莫合金常指鐵鎳系合金，鎳含量在30~90％范圍內。是應用非常廣泛的軟磁合金。通過適當的工藝，可以有效地控制磁性能，飽和磁感應強度比硅鋼稍低一些，但磁導率比硅鋼高幾十倍，鐵損也比硅鋼低2~3倍。由于其較高的初始磁導率，所以通常適用于零序電流互感。
4.4、納米晶：納米晶（1K107）是在非晶（1K101）的基礎上開發出來的，擁有很高的磁導率、較高的磁感應強度（1.2T），可以說納米晶是磁性能綜合能力較好的磁性材料，也可以說適用于各項電磁轉換的產品，對互感器、變壓器、電感、電抗來說都是不錯的選擇。它的缺點是物理特性較差，由于鐵心要切割，納米晶的機械應力影響較大，所以目前為止，納米晶的開合式互感器并非主流。
下面我先列出互感器使用常見的磁性材料（見下表3）。
| 參數 | 納米晶 | 鐵氧體 | 坡莫合金 | 冷軋硅鋼 |
| 磁感應強度 | 1.2T | 0.5T | 0.9T | 2.0T |
| 初始磁導率 | 4-8 | 1-4 | 5-8 | 1000 |
| 使用頻率 | 50HZ-100KHZ | 50HZ-5MHZ | 50HZ-8KHZ | 50HZ-400HZ |
| 損耗 | 較低 | 一般 | 很低 | 高 |
| 價格 | 較高 | 很低 | 很貴 | 一般 |
| 機械應力 | 差 | 一般 | 一般 | 較好 |
表3：互感器常見磁性材料對比
所以根據上表，納米晶是制作普通電流互感器較好的材料，它可以制作準確級高同時有一定負荷的互感器。但考慮到價格，納米晶的價格遠高于硅鋼，同時在互感器的工藝處理上要難于硅鋼，所以現在常規的一次互感器（輸出5A/1A）使用硅鋼鐵心。準確級要求很高，則采用納米晶。對于二次互感器（輸出ma級電流），由于其準確級要求較高，一般采用納米晶制作。對于準確級要求及負荷要求不高的互感器，考慮到成本，也可以采用錳鋅鐵氧體的磁芯。
但如果是開合式電流互感器，這就要考慮到鐵心切割時的應力，由于納米晶機械應力較差，所以正常切割完，其性能會明顯下降，磁導率甚至降到比硅鋼鐵心還要低，本來納米晶的特點就是高磁導率，比硅鋼還要低了，那么就不再適用于開合式電流互感器。所以現在多數開合式電流互感器（輸出5A/1A）使用硅鋼的切割鐵心。對于準確級要求及負荷要求不高的互感器，考慮到成本，也可以采用錳鋅鐵氧體的磁芯。
綜上所述，開合式電流互感器的鐵心主流還是使用硅鋼的切割鐵心，當然，目前很多廠家都在研究納米晶的切割工藝，相信不久就會有所突破。
5、氣隙對開合式互感器的影響
那么硅鋼切割的鐵心與常規未切割的電流互感器相比有哪些變化呢。見圖10。
圖10：氣隙鐵心仿真的磁滯回線。
從圖10當中可以看出，鐵心在開了氣隙后，磁性能發生了明顯的變化，變化點如下：
5.1、氣隙是鐵心磁導率變小
從仿真磁滯回線可以看出，鐵心切割后會產生明顯的氣隙，從而導致磁導率明顯的下降，可以推斷出，氣隙越大，磁導率越低，所以氣隙會影響開合式的誤差，這也是開合式電流互感器的準確級達不到普通電流互感器準確級的原因。
5.2、氣隙使互感器的線性度變好
從仿真磁滯回線可以看出，增加氣隙后，互感器的B-H曲線斜率變好，從而磁導率不再是隨著電流的增大而增大，變的較為線性，這樣互感器的勵磁電流會相對恒定，從而互感器的誤差不再隨著一次電流的增大而變化，這樣互感器的線性也就會變好。
5.3、氣隙增強了互感器的負載能力，增加了互感器的過載能力
增強了互感器的負載能力，增加了互感器的過載能力，這兩點都關乎于互感器的磁密B有關，從仿真磁滯回線可以看出，鐵心加入氣隙后，飽和磁感應強度增大，剩磁減小，這樣互感器的負載能力及過載能力都會有明顯的改善。
綜上所述，我們可以分析出開合式電流互感器相較普通的電流互感器的優點是：1、量程寬：由于磁密增加，剩磁減小，所以開合式電流互感器的量程更寬；2、負載能力強：同樣由于磁密增加，剩磁減小，開合式電流互感器相較普通電流互感器負載能力更強；3、無侵入：當然考慮到開合式結構，它能夠直接夾在被測電纜上，進行非侵入式測量。
6、如何進一步補償開合式互感器的精度
開合式電流互感器與普通電流互感器的性能差別就是準確級不夠好，除了在磁導率、阻抗、平均磁路長度、鐵心截面積等硬件方面來改善互感器的準確級，還有沒有其他的方法來提高開合式電流互感器的準確級呢？
我們知道互感器的誤差主要是由于勵磁電流的存在，所以互感器的補償方法核心思想就是有效的處理互感器的勵磁電流。所以可以進行開合式電流互感器有源補償法，處理的方法有兩種思路：
6.1、自身提取勵磁電流法：通過對開合式鐵心的氣隙控制以及使用磁導率線性度較好的鐵心材料，這樣開合式電流互感器的勵磁電流會相對恒定，從而將勵磁電流提取注入到二次負載，即而達到消滅誤差，從而達到補償的目的。（見圖11）
圖11、自身提取勵磁電流法
6.2、外部注入勵磁電流法：勵磁電流不能完全消除，那么可以從外部提供電路來提供勵磁電流，從而是互感器沒有誤差，從而達到補償目的。
圖12、外部提供勵磁電流法
當然有源補償法還涉及到安全及性價比，作者僅做個初步探討，具體實踐還需要大家去開拓、發展。
7、開合式電流互感器及電子式互感器的發展
作者在《開合式電流互感器的應用及其發展》中提到過，開合式電流互感器未來的發展方向：1、小型化；2、一致化；3、數字網絡化。有人肯定要反駁，開合式電流互感器未必有未來，因為現在國家要搞智能電網，需要使用電子式電流互感器，普通的開合式電流互感器要被淘汰，其實不然，電子式電流互感器也許代表的是未來，如果作為保護用，在一定的范圍內是可以的，但如果用作測量、計量用，那么它的準確級還遠遠不達標，這也是電子式電流互感器（無論是有源型還是無源型）未來發展中急需要解決的問題。
所以在未來補償技術不斷提高、磁性材料不斷發展的情況下，開合式電流互感器的準確級只會越來越高，使用也會越來越廣泛。
參考文獻
1、《電流互感器手冊》 作者：不詳
2、《高精度開合式電流互感器的分析》 作者：胡書紅
3、《互感器原理與設計基礎》 作者：肖耀榮、高祖綿
4、《互感器第1部分：互感器通用技術要求，代號：GB/T20840.1》
5、《互感器第2部分：電流互感器補充技術要求，代號：GB/T20840.2》
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