如何选择合适的电流互感器，用以设计高性能和经济的电功率测量表

作者：
Bertrand KLAIBER，LEM能源&自动化部策略&市场营销经理
Pierre TURPIN，LEM能源&自动化部项目经理

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，一些钳形互感器最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精确度方面性能很差。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经理的关注。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。最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精确的测量性能。

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）精确度-在大多数应用场合，测量精确度对整个系统的效率有着直接的影响。功率计算的精确程度明显取决于电流互感器的精确度。1级功率表可能需要精确度高于1%的电流互感器，而该精确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最精确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精确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精确测量来说必不可少，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精确度不仅仅与交流电流和电压互感器的精确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 5A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/5A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台精确电流互感器时。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唯一选择。

      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、精确度也更低。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。

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精确度。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精确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<