CN101171653A - 互感器的误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种互感器的误差补偿方法，其中，互感器的误差通过反映铁芯的磁滞特性来补偿。当执行该误差补偿时，不是使用表示磁通和激励电流之间的关系的磁滞回线，而是使用铁损阻抗和磁通－激励电流曲线，因此实现更精确的补偿。根据本发明，可以显著地减小互感器的误差。因此，制造具有高准确度的互感器并显著地减小互感器的尺寸是可能的。此外，不需要为了增加准确度来使用具有高磁导率的材料。

Description

互感器的误差补偿方法

技术领域

本发明涉及一种互感器的误差补偿方法。在该误差补偿方法中，互感器的误差通过反映铁芯的磁滞特性(hysteresis characteristics)来补偿。当执行该误差补偿时，不是使用表示磁通和激励电流之间的关系的磁滞回线，而是使用铁损阻抗(core-loss resistance)和磁通-激励电流曲线，从而实现更精确的补偿。

背景技术

互感器被用来测量在多种电气设备诸如发电机、输电线路和变压器等中流动的电流和电压。就互感器而言，提供有用来测量电压的电压互感器和用来测量电流的电流互感器。根据用途，互感器分为保护用互感器和测量用互感器。

就电流互感器而言，根据芯的材料，提供有使用铁的铁芯电流互感器、使用空气芯的空芯电流互感器和使用具有气隙的铁芯的气隙电流互感器。根据结构，电流互感器分为绕线式电流互感器(wire-wound current transformer)和套筒式电流互感器(bushing-type current transformer)。在电压互感器的情况下，铁用作芯，并只提供有绕线式电压互感器(wire-wound voltage transformer)。

在互感器中，仅应该减小一次电压或一次电流的大小。然而，由于芯的材料或结构的原因导致误差总是出现。将通过利用互感器的简化等效电路来检查互感器中误差出现的原因。

图1至图3示出了简化等效电路，其中，套筒式电流互感器、绕线式电流互感器和电压互感器被转化到二次侧。图中，R₁、L_m和R分别表示转化到二次侧的一次绕线阻抗、励磁电感和二次阻抗。此外，v₁表示转化到二次侧的一次电压，v₂表示二次电压，i₁表示转化到二次侧的一次电流，i₂表示二次电流，i_m表示励磁电流。

通常，可以认为励磁电感L_m导致了互感器的误差。即，如果L_m小，则i_m增加。因此，在电流互感器的情况下，i₁和i₂之间的差(误差)增加，并且在电压互感器的情况下，按传输的比例的误差(即v₁和v₂之间的差)增加。因此，为了提高电流互感器和电压互感器的准确度，应该建立ωL_m＞＞R。

励磁电感L_m可以通过下面的表达式(1)来表示。

$L_m=\frac{{\mathrm{\μ}}_o{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{AN}}^2}{l}---\left(1\right)$

这里，μ₀、μ_r、A、N和l分别表示空气的磁导率、介质的磁导率、芯的截面积、线圈匝数和芯的磁路的长度。

传统地，已经通过增加L_m制造出具有高准确度的互感器。为此，使用了如下的方法。

1)增大芯的截面积。

2)使用具有优良磁导率的介质。

3)增加线圈匝数。

4)减小磁路的长度。

即，增大芯的截面积、增加线圈匝数或使用由具有高磁导率的材料形成的芯为提高互感器的精确度的传统方案。然而，在这种情况下，互感器的尺寸增大，并且成本增加。

作为提高电流互感器的准确度的另一尝试，考虑到电流互感器的误差是由激励电流导致的，提供通过利用图4中的表示磁通和激励电流之间的关系的磁滞回线来估算激励电流以补偿误差的方法。即，通过从磁滞曲线中估算激励电流来执行补偿，从而得到准确的一次电流。因此，提高准确度是可能的。

然而，在这种方法中，因为补偿是通过利用磁滞回线来执行的，所以应该事先测量非常多的磁滞回线并将它们存入存储器。此外，在两个邻近的磁滞曲线之间执行插值(interpolation)的过程中出现许多误差。特别地，当磁通大时，因为插值误差增加，所以提高电流互感器的准确度受限。

在另一方法中，使用在多条磁滞回线中的最大的回线(主回线)，从而根据磁通的大小来执行补偿。在这种方法中，当电流大时，因为磁滞特性在一定程度上与主回线重合，所以提高准确度。然而，当电流降低时，磁滞特性不与主回线重合。因此，提高准确度受限。

在上述两种方法中，当电流中包含直流分量时，误差因为磁滞特性不同而增加。此外，当电流中出现谐波分量使得电流反复增加和降低时，误差也增加。

发明内容

技术问题

本发明的优点在于提供了一种互感器的误差补偿方法。在该误差补偿方法中，铁芯的磁滞特性被用来补偿误差。在这种情况下，不是使用表示磁通和激励电流之间的关系的磁滞回线，而是使用铁损阻抗和磁通-激励电流曲线。因此，容易和精确地执行插值，使得精确的补偿不但可以对额定电流来执行，而且可以对远小于额定电流的电流来执行。

技术方案

根据本发明的一方面，互感器的误差补偿方法包括：以预定的间隔接收二次电流；由二次电流计算磁通；从由铁芯的磁滞特性得到的多个在磁通和励磁电流之间的关联信息和铁损阻抗中来选择对应于计算出的磁通的磁通和励磁电流之间的关联信息及铁损阻抗；通过利用选择的铁损阻抗得到铁损电流；由所选择的磁通和励磁电流之间的关联信息得到与计算出的磁通相关的励磁电流，并将得到的励磁电流与得到的铁损电流和接收的二次电流相加以计算一次电流。

根据本发明的另一方面，互感器的误差补偿方法包括：以预定的间隔接收二次电压并得到与二次电压相关的二次电流；由所述二次电压计算磁通；从由铁芯的磁滞特性得到的多个在磁通和励磁电流之间的关联信息和铁损阻抗中来选择对应于计算出的磁通的磁通和励磁电流之间的关联信息及铁损阻抗；通过利用选择的铁损阻抗得到铁损电流；由所选择的磁通和励磁电流之间的关联信息得到与计算出的磁通相关的励磁电流，并将得到的励磁电流与得到的铁损电流和得到的二次电流相加以计算一次电流；通过利用得到的一次电流和接收的二次电压来计算一次电压。

根据本发明的又一方面，通过测量得到多个铁损阻抗和在磁通和励磁电流之间的关联信息的步骤包括：由一个测得的磁通-激励电流曲线得到铁损阻抗；通过利用得到的铁损阻抗来得到铁损电流；由得到的铁损电流和测得的磁通-激励电流曲线得到磁通-励磁电流曲线；对不同的测得的磁通-激励电流曲线来重复上述过程以得到多个铁损阻抗和多个磁通-励磁电流曲线。

有益效果

根据本发明，可以显著地减小互感器的误差。因此，可以制造具有高准确度的互感器，并且可以显著减小其尺寸。

此外，互感器的误差通过利用铁芯的磁滞特性来补偿。当执行这种误差补偿时，不是使用表示磁通和激励电流之间的关系的磁滞回线，而是使用铁损阻抗和磁通-激励电流曲线，从而在更宽的电流范围中实现精确的补偿。

此外，在磁滞回线中，因为难以执行插值，所以提高准确度受限。然而，当使用铁损阻抗和λ-i_m函数时，可以容易地执行插值，并且执行插值所需的函数的数量显著地减少。

附图说明

图1是示出了传统套筒式电流互感器的简化等效电路的视图；

图2是示出了传统绕线式电流互感器的简化等效电路的视图；

图3是示出了传统电压互感器的简化等效电路的视图；

图4是示出了铁芯的磁滞特性的视图。

图5是示出了考虑了磁滞特性的套筒式电流互感器的等效电路的视图。；

图6是示出了磁通-激励电流曲线和磁通-励磁电流曲线的视图；

图7是示出了磁通-励磁电流(λ-i_m)曲线的组的视图；

图8是图7的延伸图(extended view)；

图9和图10示出了本发明的补偿结果。

<参考标号>

R₁一次绕线阻抗

L_m励磁电感

R二次绕线阻抗

R_c铁损阻抗

v₁转化到二次侧的一次电压

v₂二次电压

i₁转化到二次侧的一次电流

i₂二次电流

i₀激励电流

i_c铁损电流

i_m励磁电流

具体实施方式

下文中，将参照附图来详细描述根据本发明的互感器的误差补偿方法。在这种情况下，将以铁芯电流互感器为示例。

图5是示出了电流互感器的等效电路的视图，其中，考虑了铁芯的磁滞特性。这里，R_c和L_m分别表示铁损阻抗和励磁电感，两者都具有非线性特性。此外，i₀、i_c和i_m分别表示激励电流、铁损电流和励磁电流，其中，建立i₀＝i_c+i_m的关系。

铁芯的磁滞特性通过示出磁通和激励电流之间的关系(λ-i₀)的曲线来表示。图6示出了从图4的多个磁滞曲线中选择的磁滞曲线(参照图6的两条曲线中的外部曲线)。

图6中，由磁滞曲线环绕的内在面积为常数。因此，可以通过实验等得到的铁损阻抗R_c为常数。此外，因为i_c为在R_c中流动的电流，所以可以通过利用表达式(2)来得到i_c。

i_c＝v₂/R_c    (2)

这里，v₂表示可以利用v₂＝Ri₂来得到的二次电压。

因为通过从激励电流中减去铁损电流来得到i_m，所以i_m可以通过i_m＝i₀-i_c来得到。λ-i_m曲线由i_m和λ来得到并在图6中示出(两条曲线中的内部曲线)。

图6的λ-i_m曲线表示λ和i_m之间的关系。因此，如果已知磁通λ，则可以从λ-i_m曲线中得到对应于λ的i_m。

这里，λ可以如下得到。在图5的电路中，建立如下关系。

$v_2={\mathrm{Ri}}_2=\frac{\mathrm{d\&lambda;}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

因此，如果将等式两边积分，则得到如下等式。

$\mathrm{\&lambda;}\left(t\right)-\mathrm{\&lambda;}\left(t_0\right)=R{\&Integral;}_{t_0}^t{i}_2\mathrm{dt}---\left(4\right)$

这里，λ(t₀)为初始磁通，可以通过利用如在一个周期期间λ(t)的平均值为0的特性来得到。

如上面的描述，通过利用一条磁滞曲线由R_c得到i_c，并且由此得到λ-i_m曲线。此外，如果从λ-i_m曲线得到对应于λ的i_m，则可以通过将i_c和i_m相加来估算激励电流。因此，可以由激励电流和二次电流得到准确的一次电流。

图7示出了通过上述过程从图4的多条λ-i₀曲线中得到的λ-i_m曲线。图8是示出了图7的上半部分的延伸视图。

从多个磁滞曲线中可以得到关于对应的曲线的R_c，并可以做出λ-i_m曲线。此外，在没有测量的磁滞曲线的情况下，通过插值来估算R_c，并且也可以通过插值来做出λ-i_m曲线。可以在得到将事先提供给互感器的基础信息的过程中执行这种插值，或者可以在互感器的实际补偿过程中执行这种插值。

在补偿步骤中，测量(或计算)在预定的周期期间的磁通，并选择对应于包括测得的磁通的每个间隔(interval)的λ-i_m曲线(操作点(operating point)的选择)，使得补偿沿所选择的曲线执行。可选择地，新λ-i_m曲线由选择的λ-i_m曲线得到，并且从中得到所需信息，从而执行补偿。

同时，这种方法(R_c的插值和λ-i_m曲线的插值被分开执行)比λ-i₀曲线的插值更方便和更精确。

即，当图8的各回线(曲线)被分成两个间隔(磁通大的间隔和磁通小的间隔)时，磁通小的间隔中的回线可以被逼近(approximate)为一个直线函数或一个曲线函数。此外，在磁通大的间隔中，以回线形状形成曲线。然而，在这种情况下，当电流增加时，多个曲线函数可以被逼近为一个曲线函数。仅当电流减小时，需要多个曲线函数。此外，在当电流增加时多个曲线函数不能被逼近为一个曲线函数的情况下，如在电流减小的情况下一样，对于每条回线需要一个曲线函数。即使在这种情况下，至少在磁通小的间隔中，可以通过一个函数来实现更方便的逼近。

与当通过利用磁滞曲线来执行插值时比较，这种逼近的优点变得清楚。

当通过利用磁滞曲线来执行插值时，不根据操作点来拟合其图案。因此，寻找插值函数是困难的，使得提高准确度受限。然而，在本发明中，铁损阻抗的插值及磁通和激励电流之间的插值被容易地执行。因此，显著地提高准确度是可能的。

图9和图10比较性地示出了在本发明的补偿方法中，在1.2In、In、0.5In、0.2In、0.1In和0.05In(In表示额定电流)的多种条件下的补偿结果。在这种情况下，电流比为200∶5，二次负载为0.5Ω，并且过电流常数为2。如图9和图10所示，可以发现与没有执行补偿时相比，多种误差显著地减小。

虽然到现在为止已经描述了铁芯互感器，但是本发明的误差补偿方法也被应用到空芯电流互感器或电压互感器中。

在空芯电流互感器的情况下，本发明的应用被简化。即，因为在空芯互感器中铁损阻抗为0，所以不需要考虑铁损电流。因为在磁通和激励电流(因为铁损电流不存在，所以激励电流对应于励磁电流)之间为线性关系，替代多条λ-i_m曲线，仅一条直线被用于补偿。

在电压互感器的情况下，因为除了用电压来取代电流之外在电压互感器中表现出的铁芯的特性，所以以与处理铁芯电流互感器的相同的方法来处理电压互感器。即，可以由图3中二次电压和阻抗之间的关系(v₂＝i₂R)得到二次电流，并且可以以与在铁芯电流互感器中一样，通过将激励电流和二次电流相加来得到一次电流(i₁＝i₀+i₂)。同样地，在得到一次电流后，由v₁＝i₁R₁+v₂的关系得到v₁。

虽然已经示出和描述了本发明总的发明构思的一些实施例，但是本领域的技术人员应该理解，在这些实施例中可以做出改变而并不脱离本发明总的发明构思的原理和精神，本发明总的发明构思的范围限定在权利要求及其等同物中。例如，本发明的补偿方法可以被应用到多种应用电流或电压的设备诸如继电器、计量器(gauge)、测量工具、PMU和断路器等中。因此，应该保护本发明的补偿方法而不管应用该方法的设备的类型。

Claims (11)

1.一种互感器的误差补偿方法，包括：

以预定的间隔接收二次电流；

由所述二次电流计算磁通；

从由铁芯的磁滞特性得到的多个在磁通和励磁电流之间的关联信息和铁损阻抗中来选择对应于计算出的磁通的磁通和励磁电流之间的关联信息及铁损阻抗；

通过利用选择的铁损阻抗得到铁损电流；

由所选择的磁通和励磁电流之间的关联信息得到与计算出的磁通相关的励磁电流，并将得到的励磁电流与得到的铁损电流和所述接收的二次电流相加以计算一次电流。

2.一种互感器的误差补偿方法，包括：

以预定的间隔接收二次电压并得到与所述二次电压相关的二次电流；

由所述二次电压计算磁通；

从由铁芯的磁滞特性得到的多个在磁通和励磁电流之间的关联信息和铁损阻抗中来选择对应于计算出的磁通的磁通和励磁电流之间的关联信息及铁损阻抗；

通过利用选择的铁损阻抗得到铁损电流；

由所选择的磁通和励磁电流之间的关联信息得到与计算出的磁通相关的励磁电流，并将得到的励磁电流与得到的铁损电流和得到的二次电流相加以计算一次电流；

通过利用得到的一次电流和接收的二次电压来计算一次电压。

3.如权利要求1或权利要求2所述的误差补偿方法，其中，在所述多个铁损阻抗和所述在磁通和励磁电流之间的关联信息中的一部分通过测量得到，在所述多个铁损阻抗和所述在磁通和励磁电流之间的关联信息中的其它部分通过插值得到。

4.如权利要求3所述的误差补偿方法，其中，通过测量得到所述多个铁损阻抗和所述在磁通和励磁电流之间的关联信息的步骤包括：

从一个测得的磁通-激励电流曲线得到铁损阻抗；

通过利用得到的铁损阻抗得到铁损电流；

由得到的铁损电流和测得的磁通-激励电流曲线得到磁通-励磁电流曲线；

对不同的测得的磁通-激励电流曲线重复上述过程以得到多个铁损阻抗和多个磁通-励磁电流曲线。

5.如权利要求4所述的误差补偿方法，其中，在函数按每个间隔来划分的状态下执行用于得到所述铁损阻抗和所述在磁通和励磁电流之间的关联信息的所述插值。

6.如权利要求5所述的误差补偿方法，其中，所述间隔根据磁通的大小被分为两个间隔，在磁通小的间隔中对于每条回线用一个函数来表示，在磁通大的间隔中对于每条回线当励磁电流增加时和当励磁电流减小时分别用一个函数来表示。

7.如权利要求1或权利要求2所述的误差补偿方法，其中，得到所述多个铁损阻抗和在磁通和励磁电流之间的关联信息的步骤包括：

由一个测得的磁通-激励电流曲线得到铁损阻抗；

通过利用得到的铁损阻抗得到铁损电流；

由得到的铁损电流和测得的磁通-激励电流曲线得到磁通-励磁电流曲线；

对不同的测得的磁通-激励电流曲线重复上述过程以得到多个铁损阻抗和多个磁通-励磁电流曲线。

8.如权利要求7所述的误差补偿方法，还包括：

在得到所述磁通-励磁电流曲线和所述重复上述过程之间，由选择的铁损阻抗和选择的在磁通和励磁电流之间的关联信息得到新的铁损阻抗和新的在磁通和励磁电流之间的关联信息。

9.如权利要求8所述的误差补偿方法，其中，在得到新的铁损阻抗和新的关联信息的步骤中，在函数按每个间隔来划分的状态下执行插值。

10.如权利要求9所述的误差补偿方法，其中，所述间隔根据磁通的大小被分为两个间隔，在磁通小的间隔中对于每条回线用一个函数来表示，在磁通大的间隔中对于每条回线当励磁电流增加时和当励磁电流减小时分别用一个函数来表示。

11.一种互感器的误差补偿方法，包括：

以预定的间隔接收二次电流；

由所述二次电流计算磁性电流；

从磁通和激励电流之间的线性关联信息中得到与计算出的磁通对应的激励电流；

将所接收的二次电流与得到的激励电流相加以计算一次电流。

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