CN101477157A - 带平衡绕组大电流互感器抗干扰能力的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测试带平衡绕组大电流互感器抗电磁干扰能力的等效方法。该方法可以较准确地模拟邻相通电母线在本相大电流互感器铁心中产生的杂散磁场，从而可等效测试出本相大电流互感器工作在现场条件下的误差和温升。实施该等效方法时，在大电流互感器上缠绕两段做反极性串连且匝数相等的所谓等效绕组，通过控制它们的安匝数和缠绕角度，可以模拟来自一个方向的邻相通电母线产生的杂散磁场。并且，采用正交的两组“等安匝双绕组”，可以模拟来自按任意位置排列的多相通电母线产生的杂散磁场。本发明解决了此前带平衡绕组大电流互感器抗电磁干扰能力一直无法有效测试和检定的问题。

Description

带平衡绕组大电流互感器抗干扰能力的测试方法

技术领域

本发明涉及一种带平衡绕组大电流互感器内的磁场模拟方法，更具体地说，涉及一种通过“多绕组等安匝法”模拟邻相通电母线在大电流互感器铁心中产生的杂散磁场的方法，从而等效且更为准确地测试出大电流互感器在现场条件下工作的误差和温升。

背景技术

随着电力需求的不断增长，发电机机组的装机容量越来越大，而受限于技术因素，发电机出口的额定电压提高得并不多，这就导致其额定电流急剧上升，如60万千瓦发电机组的额定电流已达25000-28000A，而故障电流可能高达其额定电流的5-10倍。大电流母线产生的磁场，严重影响着装设在此处的测量和保护用仪器，如大电流互感器等的正常运行。

电流互感器是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路电流信息的传感器，其实质是升压(降流)变压器，即，将高电流按比例转换成低电流。电流互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等。在测量交变电流的大电流时，电流互感器就起到变流和电气隔离作用，以便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流(我国规定电流互感器的二次额定为5A)，并防止直接测量原线路上的高电压而产生的危险。

目前，为屏蔽三相通电母线间产生的杂散磁场，常采用在大电流互感器铁心上缠绕平衡绕组的方法。但是，因为一次电流太大，很难在实验室中获得匹配的电流源，进而对所采用的平衡绕组的电磁屏蔽能力进行测试。目前常采用模拟现场条件下(工作条件)邻相母线产生的磁场的等效方法来进行测试。已知的等效模拟方法包括“非均绕等安匝法”和“返回导体法”等。

然而，目前还没有一种等效方法能较准确地模拟出邻相母线产生的杂散磁场，无法保证在测试条件下的误差和温升能够与现场条件(工作条件)下的数据相同。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种模拟邻相母线在带平衡绕组大电流互感器内产生的杂散磁场的方法。通过该方法，可以模拟邻相母线工作在稳态和瞬态下的大电流互感器抗干扰性能，从而可以明确判断带平衡绕组大电流互感器抗电磁干扰的能力。与上面提到的现有“非均绕等安匝法”和“返回导体法”等方法相比，根据本发明的方法结果准确且实施简便，解决了之前无法对大电流互感器抗干扰性能进行准确测试的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种磁场模拟方法，用于对至少一个邻相通电母线在大电流互感器铁心内产生的磁场进行模拟，所述方法包括：

在大电流互感器的铁心上缠绕至少一对等效绕组，其中，每对等效绕组由两段安匝数相同且反极性串联在一起的绕组构成，并且基于大电流互感器铁心的外径R以及邻相母线距大电流互感器铁心中心的距离D来确定每对等效绕组的安匝数及缠绕角度。

优选地，在大电流互感器上缠绕的每个等效绕组对中的两段等效绕组做反极性串联，且它们的匝数和其中的电流均相等。

优选地，当模拟单条邻相母线在大电流互感器铁心中产生的磁场时，在大电流互感器的铁心上缠绕一对安匝数相同且反极性串联的等效绕组，所述等效绕组对的安匝数和缠绕角度由以下的公式确定：

$I_s=\frac{I_p}{\mathrm{N\π}}\arcsin \frac{R}{D}$

${\mathrm{\θ}}_1=2\mathrm{ar}\cos \frac{R}{D}$

${\mathrm{\θ}}_2=2\mathrm{\π}-2\mathrm{ar}\cos \frac{R}{D}$

其中，I_s代表等效绕组对中应通入正弦交流电流的有效值，I_p代表所述单个邻相通电母线中正弦电流的有效值，N代表每段等效绕组的匝数，R表示大电流互感器铁心的外径，D表示邻相母线距大电流互感器铁心中心的距离；θ₁表示等效绕组对中一个绕组的缠绕角度，θ₂表示等效绕组对中另一绕组的缠绕角度。

优选地，当模拟三相系统中两条邻相母线在大电流互感器铁心中产生的磁场时，在大电流互感器的铁心上缠绕一对缠绕匝数与流经电流数相同且反极性串联的等效绕组，所述绕组对的安匝数和缠绕角度由以下的公式确定：

${\mathrm{\θ}}_1=2\mathrm{ar}\cos \frac{R}{D}$

其中，I_s代表等效绕组对中应通入正弦交流电流的有效值，I_pA、I_pB分别代表两条邻相母线中正弦电流的有效值，

表示两条邻相母线中正弦电流的相位差，R表示大电流互感器铁心的外径；D表示邻相母线距大电流互感器铁心中心的距离，θ₁表示等效绕组对中每个绕组的缠绕角度。

优选地，当模拟六相排列母线中五条邻相母线在大电流互感器铁心中产生的磁场时，在大电流互感器的铁心上分别缠绕第一对等效绕组和第二对等效绕组，第一对等效绕组的安匝数和缠绕角度由以下公式确定：

$I_s=\frac{I_p}{\mathrm{N\π}}\arcsin \frac{R}{D}$

${\mathrm{\θ}}_1=2\mathrm{ar}\cos \frac{R}{D}$

${\mathrm{\θ}}_2=2\mathrm{\π}-2\mathrm{ar}\cos \frac{R}{D}$

其中，I_s代表第一对等效绕组中应通入正弦交流电流的有效值，I_p代表所述单个邻相通电母线中正弦电流的有效值，N代表每段等效绕组的匝数，R表示大电流互感器铁心的外径，D表示邻相母线距大电流互感器铁心中心的距离，θ₁表示第一对等效绕组中一个绕组的缠绕角度，θ₂表示第一对等效绕组中另一绕组的缠绕角度；并且

第二对等效绕组的安匝数和缠绕角度由以下公式确定：

${\mathrm{\θ}}_1=2\mathrm{ar}\cos \frac{R}{D}$

其中，I_s代表第二对等效绕组中应通入正弦交流电流的有效值，I_pA、I_pB分别代表两条邻相母线中正弦电流的有效值，

表示两条邻相母线中正弦电流的相位差，R表示大电流互感器铁心的外径，D表示邻相母线距大电流互感器铁心中心的距离；θ₁表示等效绕组对中每个绕组的缠绕角度。

优选地，当模拟按任意位置排列的多相通电母线在大电流互感器铁心中产生的磁场时，还包括以下步骤：

对多相通电母线的排列方式其进行矢量变换，变换成两条正交的通电母线；以及

在大电流互感器的铁心上分别缠绕第一对等效绕组和第二对等效绕组，所述第一对和第二对等效绕组的安匝数和缠绕角度由以下公式确定：

$I_s=\frac{I_p}{\mathrm{N\π}}\arcsin \frac{R}{D}$

${\mathrm{\θ}}_1=2\mathrm{ar}\cos \frac{R}{D}$

其中，I_s代表等效绕组对中应通入正弦交流电流的有效值，I_p代表所述单个邻相通电母线中正弦电流的有效值，N代表每段等效绕组的匝数，R表示大电流互感器铁心的外径，D表示邻相母线距大电流互感器铁心中心的距离，θ₁表示等效绕组对中每个绕组的缠绕角度。

优选地，根据本发明的每段等效绕组应尽可能均匀密绕，选择较柔软的导线，并且在保证安匝数一定的条件下，尽可能增加匝数、减小电流。

根据本发明的另一方面，公开了一种测试带平衡绕组大电流互感器抗电磁干扰能力的方法，所述方法利用根据本发明描述的磁场模拟方法来模拟邻相通电母线在大电流互感器铁心内产生的磁场，从而等效测试出大电流互感器工作在现场条件下的误差和温升。

本发明优选地可在在稳态和瞬态状况下，模拟按任意位置排列的多相通电母线在大电流互感器铁心中产生的磁场。并且，本发明很好地解决了此前带平衡绕组大电流互感器抗电磁干扰能力一直无法有效测试和检定的问题。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的单条邻相通电母线对大电流互感器铁心的干扰原理示意图。

图2是根据本发明第一实施例利用双绕组等安匝法模拟单条邻相通电母线对大电流互感器干扰的示意图。

图3是根据本发明第二实施例的三相排列的母线系统示意图。

图4是根据本发明第二实施例利用双绕组等安匝法模拟左右两相通电母线对大电流互感器干扰的示意图。

图5是根据本发明第三实施例的六相排列的大电流母线系统示意图。

图6，是根据本发明第三实施例利用多绕组等安匝法模拟多条邻相通电母线对大电流互感器干扰的示意图。

图7是将图5所示的六相排列的大电流母线进行矢量变换后的母线排列方式的示意图。

图8是将按任意位置排列的多条通电母线等效变换成两条正交的通电母线的示意图。

具体实施方式

在对本发明的多个具体实施例进行详细说明之前，为方便理解，先简要阐述本发明的基本原理。本发明的基本原理是，在大电流互感器上缠绕多个绕组，以较准确地模拟出邻相母线在大电流互感器的铁心中产生的杂散磁场，从而等效测出大电流互感器工作在现场条件下的性能指标。本发明的基本出发点是，平衡绕组既然能很好抵御外来磁场的干扰，那么，它产生的磁场必然与外来磁场的大小基本相同，方向相反。所以，在无外磁场时，也可以在平衡绕组中人为通入一定大小的电流，以再现(模拟)外来磁场存在时的情况。这是因为，此时，平衡绕组与邻相母线相当于构成了一个低精度的电流互感器，邻相母线相当于原边，平衡绕组相当于副边；故可以在副边(平衡绕组)内通入电流，以模拟原边(邻相母线)产生的磁场。

下面结合附图对本发明的多个实施例进行具体说明。

图1是根据本发明第一实施例的单条邻相通电母线对大电流互感器铁心的干扰原理示意图。如图1所示，标号101表示大电流互感器，标号102表示通电的邻相母线。根据本发明的一个实施例，大电流互感器101是B相大电流互感器，并且通电邻相母线102是A相通电母线。图1示出了通电邻相母线在大电流互感器101的铁心中产生的具体磁场。

图2是根据本发明第一实施例利用“双绕组等安匝法”模拟单条邻相通电母线102对大电流互感器101干扰的示意图。参考图2及以上对本发明原理的描述，大电流互感器101上被缠绕两段等效绕组1和2，通过控制其连接方式、安匝数及缠绕角度等，可以准确地复现(模拟)出图1所示的单条邻相通电母线在大电流互感器101的铁心中形成的杂散磁场。具体来说，根据本发明的第一实施例，为复现(模拟)A相通电母线102在B相大电流互感器101的铁心中形成的杂散磁场，在B相大电流互感器101上缠绕两段绕组1和2，绕组1和绕组2做反极性串连，且两段绕组的匝数和流过的电流均相同，两段绕组的匝数和流经电流可由以下的公式(1)决定：

$I_s=\frac{I_p}{\mathrm{N\π}}\arcsin \frac{R}{D}---\left(1\right)$

其中，I_s代表等效绕组1和2中应通入正弦交流电流的有效值；I_p代表邻相通电母线102中正弦电流的有效值；N代表每段等效绕组的匝数；R表示大电流互感器101的铁心的外径；D表示邻相母线102距本相大电流互感器101的铁心中心的距离。

并且，绕组1的缠绕角度θ₁由以下的公式(2)决定；绕组2的缠绕角度θ₂由以下的公式(3)确定：

${\mathrm{\θ}}_1=2\mathrm{ar}\cos \frac{R}{D}---\left(2\right)$

${\mathrm{\θ}}_2=2\mathrm{\π}-2\mathrm{ar}\cos \frac{R}{D}---\left(3\right)$

其中，θ₁表示绕组1的缠绕角度；θ₂表示绕组2的缠绕角度；R为大电流互感器101铁心的外径；D表示邻相母线102距本相大电流互感器101铁心中心的距离。

在确定两段绕组的连接方式后(即，反极性串联)，由以上公式(1)、(2)和(3)可以确定两段绕组1和2的缠绕匝数、缠绕角度以及流经电流数。从而，在B相大电流互感器101的铁心中，由这两段绕组1和2产生的磁场与单条邻相通电母线102产生的磁场基本一致，故B相大电流互感器101在测试、工作两种情形下的误差和温升便基本相同，如此，就达到了等效的目标。

由于使用了两段绕组，且两段绕组的缠绕匝数和流经电流数均相同，为方便起见，我们将上面描述的方法命名为“双绕组等安匝法”。

图3示出了根据本发明第二实施例的三相(A/B/C)排列的母线系统示意图。为复现(模拟)图3所示的三相排列的母线系统中A、C两相通电母线在B相大电流互感器铁心中形成的杂散磁场，仍可采用上面描述的“双绕组等安匝法”，具体如图4所示。与图2所示出的方法类似，图4中对大电流互感器401缠绕两个平衡绕组1-1＇和2-2＇，区别在于在图4中两段绕组不再绕满B相大电流互感器401的整个圆环铁心。具体来说，两段绕组1-1＇和2-2＇进行反极性串连，并且两段绕组中的电流和缠绕角度均相同，其中电流由下面的公式(4)确定：

其中，I_s代表等效绕组1-1＇和2-2＇中应通入正弦交流电流的有效值；I_pA、I_pB分别代表A、C两相母线中正弦电流的有效值；

表示A、C两相母线中正弦电流的相位差；R表示大电流互感器401的铁心的外径；D表示邻相母线距本相大电流互感器401的铁心中心的距离。

与上面描述的第一实施例类似，绕组1-1＇和2-2＇的相同缠绕角度由前述的公式(2)确定。

根据上述双绕组等安匝法，可以模拟邻相通电母线在大电流互感器的铁心中产生的杂散磁场，从而可以等效测出大电流互感器工作在现场条件下的性能指标。

图5示出了根据本发明第三实施例的六相排列的大电流母线系统示意图。对于图5所示的六相排列的母线系统，需要采用两组上述的“双绕组等安匝法”。在下文中，将其称为“多绕组等安匝法”具体如图6所示。首先，在对大电流互感器缠绕多个绕组的前，对图5中的六相排列母线系统进行矢量变换，将其等效成图7所示的母线(S1、S2、S3)排列方式。这里，本领域普通技术人员可以设想出任何公知的矢量变换方法进行从图5所示到图7所示母线排列方式的变换。因此，说明书对此不再进行赘述。图6示出了根据本发明第三实施例，针对图7所示的母线排列方式利用多绕组等安匝法模拟多条邻相通电母线对大电流互感器601干扰的示意图。在图6中，绕组A和B首先组成第一对“等安匝双绕组”。绕组A和B的安匝数(电流数和缠绕匝数)和缠绕角度由上面的公式(1)、(2)和(3)来分别确定。并且，绕组C和D构成第二对“等安匝双绕组”，绕组C和D的安匝数和缠绕角度由上面的公式(4)和(2)来分别确定。

根据上述多绕组等安匝法，可以模拟多条邻相通电母线在大电流互感器的铁心中产生的杂散磁场，从而可以等效测出大电流互感器工作在现场条件下的性能指标。

图8是将按任意位置排列的多条通电母线等效变换成两条正交的通电母线的示意图。对于其它按任意位置排列的多相母线系统，可首先对各通电母线进行矢量变换，转化成图8所示的两条正交的通电母线S1和S2，然后在用图6所示的“多绕组等安匝法”进行模拟等效；两段绕组的安匝数和缠绕角度可以由上面的公式(1)和(2)来分别确定。

在这里需进一步指出，在具体实施本发明时，应遵循均匀密绕的原则缠绕多个等效绕组；尽可能采取较柔软的导线，增加匝数，减小电流；先保证等效绕组均匀占满整个缠绕角度范围，然后再确定其电流的大小。

综上所述，图2描述了根据本发明模拟单条邻相通电母线在大电流互感器中产生电磁干扰的操作方法，图4描述了根据本发明模拟三相系统中A、C两相通电母线对B相大电流互感器干扰的操作方法，并且图6描述了根据本发明模拟六相系统中其余五条邻相通电母线对B相大电流互感器干扰的操作方法。并且，根据本发明，对于按任意位置排列的多相母线系统，可以先对其进行矢量变换，将其等效成图8所示的两条正交通电母线，之后，再按照图6所示的“多绕组等安匝法”进行操作。

在本说明书中所谈到的“第一实施例”、“第二实施例”、“第三实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中任何地方出现这种表述不是一定都指的是该同一个实施例。进一步，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点，落在本领域技术人员的范围内。

尽管参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (9)

1、一种用于对至少一个邻相通电母线在大电流互感器铁心内产生的磁场进行模拟的方法，所述方法包括：

在大电流互感器的铁心上缠绕至少一对等效绕组，其中每对等效绕组由两段安匝数相同且反极性串联在一起的绕组构成，并且基于大电流互感器铁心的外径R以及邻相母线距大电流互感器铁心中心的距离D来确定每对等效绕组的安匝数及缠绕角度。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于每个等效绕组对中的两段等效绕组做反极性串联，且它们的缠绕匝数和流经电流数均相等。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当模拟单条邻相母线在大电流互感器铁心中产生的磁场时，在大电流互感器的铁心上缠绕一对安匝数相同且反极性串联的等效绕组，所述等效绕组对的安匝数和缠绕角度由以下的公式确定：

$I_s=\frac{I_p}{\mathrm{N\π}}\arcsin \frac{R}{D}$

${\mathrm{\θ}}_1=2\arccos \frac{R}{D}$

${\mathrm{\θ}}_2=2\mathrm{\π}-2\mathrm{ar}\cos \frac{R}{D}$

其中，I_s代表等效绕组对中应通入正弦交流电流的有效值，I_p代表所述单个邻相通电母线中正弦电流的有效值，N代表每段等效绕组的匝数，R表示大电流互感器铁心的外径，D表示邻相母线距大电流互感器铁心中心的距离；θ₁表示等效绕组对中一个绕组的缠绕角度，θ₂表示等效绕组对中另一绕组的缠绕角度。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当模拟三相系统中两条邻相母线在大电流互感器铁心中产生的磁场时，在大电流互感器的铁心上缠绕一对缠绕匝数与流经电流数相同且反极性串联的等效绕组，所述等效绕组对的安匝数和缠绕角度由以下的公式确定：

${\mathrm{\θ}}_1=2\arccos \frac{R}{D}$

其中，I_s代表等效绕组对中应通入正弦交流电流的有效值，I_pA、I_pA分别代表两条邻相母线中正弦电流的有效值，

表示两条邻相母线中正弦电流的相位差，R表示大电流互感器铁心的外径；D表示邻相母线距大电流互感器铁心中心的距离，θ₁表示等效绕组对中每个绕组的缠绕角度。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当模拟六相排列母线中五条邻相母线在大电流互感器铁心中产生的磁场时，在大电流互感器的铁心上分别缠绕第一对等效绕组和第二对等效绕组，第一对等效绕组的安匝数和缠绕角度由以下公式确定：

$I_s=\frac{I_p}{\mathrm{N\π}}\arcsin \frac{R}{D}$

${\mathrm{\θ}}_1=2\arccos \frac{R}{D}$

${\mathrm{\θ}}_2=2\mathrm{\π}-2\mathrm{ar}\cos \frac{R}{D}$

其中，I_s代表第一对等效绕组中应通入正弦交流电流的有效值，I_p代表所述单个邻相通电母线中正弦电流的有效值，N代表每段等效绕组的匝数，R表示大电流互感器铁心的外径，D表示邻相母线距大电流互感器铁心中心的距离，θ₁表示第一对等效绕组中一个绕组的缠绕角度，θ₂表示第一对等效绕组中另一绕组的缠绕角度；并且

第二对等效绕组的安匝数和缠绕角度由以下公式确定：

${\mathrm{\θ}}_1=2\arccos \frac{R}{D}$

其中，I_s代表第二对等效绕组中应通入正弦交流电流的有效值，I_pA、I_pB分别代表两条邻相母线中正弦电流的有效值，

表示两条邻相母线中正弦电流的相位差，R表示大电流互感器铁心的外径，D表示邻相母线距大电流互感器铁心中心的距离；θ₁表示等效绕组对中每个绕组的缠绕角度。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当模拟按任意位置排列的多相通电母线在大电流互感器铁心中产生的磁场时，还包括以下步骤：

对多相通电母线的排列方式其进行矢量变换，得到两条正交的通电母线；以及

在大电流互感器的铁心上分别缠绕第一对等效绕组和第二对等效绕组，所述第一对和第二对等效绕组的安匝数和缠绕角度由以下公式确定：

$I_s=\frac{I_p}{\mathrm{N\π}}\arcsin \frac{R}{D}$

${\mathrm{\θ}}_1=2\arccos \frac{R}{D}$

其中，I_s代表等效绕组对中应通入正弦交流电流的有效值，I_p代表所述单个邻相通电母线中正弦电流的有效值，N代表每段等效绕组的匝数，R表示大电流互感器铁心的外径，D表示邻相母线距大电流互感器铁心中心的距离，θ₁表示等效绕组对中每个绕组的缠绕角度。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述等效绕组对中的每段等效绕组选择柔软导线，并进行均匀密绕。

8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在等效绕组对安匝数一定的条件下，通过增加匝数、减小电流。

9、一种测试带平衡绕组大电流互感器抗电磁干扰能力的方法，所述方法利用如权利要求1-8中任何一个权利要求描述的磁场模拟方法来模拟邻相通电母线在大电流互感器铁心内产生的磁场，从而等效测试出大电流互感器工作在现场条件下的误差和温升。

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