CN102087347B - 一种电流互感器的带电测试方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流互感器的带电测试方法及其应用。该方法在电流互感器带电运行的情况下，通过电流互感器二次侧回路上二次端子盒的两个开关，将分析仪带电串入二次低压回路作为测试回路；由分析仪产生异频测试信号注入到测试回路中，通过测量和计算注入频率信号下的回路关键参数，实现带电误差测试和带电频率响应测试；通过分析仪改变二次负载阻抗的方法改变励磁条件，测量负载变化影响，实现带电励磁特性曲线测试。与现有技术相比，本发明能够无需接触一次高压、无需升流源、无需标准互感器、无需负载箱进行电流互感器的带电测试，既保证不停电测试的安全可靠，又能实现设备高度一体化、便携、轻巧，利于现场、实验室测试和长期在线监测。

Description

一种电流互感器的带电测试方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种电流互感器的检测方法，特别是涉及一种电流互感器的带电测试方法及其应用。

背景技术

现有的电磁式电流互感器误差校验、励磁特性测试等主要依靠周期性停电测试，不仅检测周期长，而且因为电流互感器长期不停电运行，一旦电流互感器出现故障或误差超差，将酿造重大计费或停电损失，重者还可能威胁其他电力设备，影响电力生产。

虽然目前市场上有可用于带电检测电磁式电流互感器误差的设备，但由于需要操作人员接触一次高压(最高可达1000kV)，而且需要携带升流源、标准互感器和外接负载箱等大量设备，因此存在危险性高、可行性低的缺陷。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种无需接触一次高压、无需升流源、无需标准互感器和外接负载箱的电流互感器二次低压带电测试方法，既保证不停电测试的安全可靠，叉能实现设备高度一体化、便携、轻巧，利于现场检测和在线监测。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提出一种电流互感器的带电测试方法，在电流互感器带电运行的情况下，通过电流互感器二次侧回路上的二次端子盒的两个开关，将分析仪带电串入二次低压回路作为测试回路；由分析仪产生异频测试信号并注入到测试回路中，通过测量和计算注入频率信号下的回路关键参数，实现带电误差测试和带电频率响应测试；通过分析仪改变二次负载阻抗的方法改变励磁条件，测量负载变化影响，实现带电励磁特性曲线测试。所述电流互感器的带电测试方法具体步骤如下：

A、保持被测电流互感器二次侧回路上的二次端子盒的开关甲和开关乙闭合，保持被测电流互感器带电运行；

B、开启被测电流互感器二次端子盒的开关甲，此时保持开关乙闭合，保持二次回路畅通；然后将分析仪的两个测试线端子接入二次端子盒的开关两侧；

C、在分析仪中输入被测电流互感器的二次额定电流、二次额定负载、准确限值系数(也称过载倍数)；

D、开启被测电流互感器二次端子盒的开关乙，借助于二次端子盒的开关甲和开关乙的并联结构，使分析仪串入被测电流互感器二次回路，使被测电流互感器的二次回路电流通过分析仪形成通路；分析仪串入二次回路过程和测试过程中均严格保持二次回路畅通，保持被测电流互感器带电运行；

E、带电误差测试：分析仪向二次回路注入异于工频的异频测试电压序列U_n(n＝1，2，3...)，测试对应频率的响应电流序列I_n(n＝1，2，3...)，并根据第C步骤中输入的二次额定电流、二次额定负载，计算不同测试电压下的复合误差、比差和角差，然后根据插值法、或曲线拟合、或最小二乘方法、或其他误差数据处理方法对所述复合误差、比差、角差这三个误差值进行修正，计算任一响应电流的误差(指复合误差、比差和角差)。所述不同测试电压下的复合误差e_n、比差f_n和角差δ_n分别根据下列公式计算： $e_n=\frac{I_n}{I_s\×{\mathrm{\η}}_n},$ $f_n=-\frac{I_n}{I_s\×{\mathrm{\η}}_n}\×\cos \left({\mathrm{\α}}_n\right),$ ${\mathrm{\δ}}_n=\frac{I_n}{I_s\×{\mathrm{\η}}_n}\×\sin \left({\mathrm{\α}}_n\right),$ ${\mathrm{\η}}_n=\frac{U_n}{U_s},$ U_s＝I_s×|Z_s|，n＝1，2，3...分别对应各注入测试电压；式中：e_n-复合误差；f_n-比差；δ_n-角差；I_n-对应注入测试电压序列的响应电流序列；I_s-二次额定电流；α_n-注入测试电压和对应频率响应电流之间的相位角，通过实测得到；η_n-注入测试电压占二次额定电压的比例；U_n-注入测试电压序列；U_s-二次额定电压；Z_s-二次额定负载；|Z_s|-二次额定负载的复数模值。复合误差也等于比差和角差的向量和，即 $e_n=\frac{I_n}{I_s\×{\mathrm{\η}}_n}=|-f_n+{\mathrm{j\δ}}_n|,$ 其中j为虚部单位。所述向二次回路注入的异于工频的异频测试电压序列可以采用单频率、或双频率、或一段频带；可以是正弦波、或余弦波、或方波、或尖峰触发脉冲、或其他非正弦信号等；频率范围可以是非工频外的任意频率信号。需要说明的是，严格的电流互感器误差还包括二次漏电抗引起的误差，但由于该参数影响很小，在此将其忽略；对于需要计算漏抗影响的场合，可以通过软件算法进行补偿。

或者带电频率响应测试：分析仪向二次回路注入异于工频的异频测试电压序列或电流序列，测试对应频率的回路导纳或阻抗，然后绘制导纳频率响应曲线或阻抗频率响应曲线；所述导纳频率响应曲线可以是导纳与频率、或导纳复数模值与频率、或导纳角与频率、或以导纳复数为基础衍生出的三角函数与频率、或导纳与角频率、或导纳复数模值与角频率、或导纳角与角频率、或以导纳复数为基础衍生出的三角函数与角频率、或以导纳复数为基础衍生出的三角函数与时间之间的关系曲线，等等。所述向二次回路注入的异于工频的异频测试电压序列或电流序列可以采用单频率、或双频率、或一段频带；所述向二次回路注入的异于工频的异频测试电压序列或电流序列可以是正弦波、或余弦波、或方波、或尖峰触发脉冲、或其他非正弦信号等；频率范围可以是非工频外的任意频率信号。

或者带电励磁特性曲线测试：分析仪先测试被测电流互感器的二次回路电流，然后根据第C步骤中输入的二次额定电流、二次额定负载、准确限值系数计算出被测电流互感器的二次最大电压和二次最大阻抗，接着通过分析仪产生小于等于所述二次最大阻抗的电阻序列接入二次回路，并分别测试该电阻条件下的电压序列和电流序列，根据测试的所述电流序列和二次回路电流计算励磁电流序列，然后绘制测试的所述电压序列和励磁电流序列的关系曲线，或绘制电阻序列和励磁电流序列的关系曲线。所述分析仪产生的小于等于二次最大阻抗的电阻序列可以是分析仪内部的电阻序列、或电子可控负载、或其他模拟负载等。带电励磁特性曲线测试不受电流互感器工作电流频率的影响，即不仅可用于50Hz，60Hz的工频信号，还适用于变电站、厂区或室内采用非工频法带电调试的场合。

测试完成后，分析仪退出被测电流互感器二次回路的过程也必须严格保持二次回路畅通，首先闭合被测电流互感器二次端子盒的开关乙，然后退出分析仪，最后再闭合被测电流互感器二次端子盒的开关甲。

误差测试即实际工作负荷电流下(比如变比为600的电流互感器，假设实际一次负荷电流为600A，因此二次电流为600/600＝1A)的计量误差。频率响应测试可以是二次回路的导纳频率响应曲线，即不同频率下响应电流信号除以注入的电压信号的商等于导纳，将不同导纳值对应的频率绘制成的曲线(导纳为纵坐标，频率为横坐标)，成为导纳频率响应曲线；频率响应测试也可以是二次回路的阻抗频率响应曲线，即不同频率下响应电压信号除以注入的电流信号的商等于阻抗，将不同阻抗值对应的频率绘制成的曲线(阻抗为纵坐标，频率为横坐标)，成为阻抗频率响应曲线。忽略电流互感器二次绕组上的压降，励磁特性曲线可以是二次端电压与励磁电流的关系曲线；其中励磁电流与二次电流的向量和乘以变比即等于一次电流，因此励磁电流可以看作是内部旁路电流，励磁电流越大，损耗越大，误差越大，供给二次负载的电流就越小；理想的电流互感器应该是励磁电流为零，即所有的电流信号经一次变换后全部供给二次负载，但实际中励磁电流不可能为零，因此测试励磁电流是衡量电流互感器误差特性的重要参数。

所述电流互感器带电测试方法适用于计量、保护类电磁式电流互感器的带电误差测试、带电励磁特性测试、过载能力测试，也可用于电流互感器及二次回路综合故障分析或运行风险评估，还可用于电压互感器、变压器的过负载能力测试、带电励磁特性测试以及负载误差特性测试等。针对电压互感器和变压器，允许二次开路，仅需将本发明中的分析仪从串入二次回路改为并联到电压互感器或变压器的二次回路即可；当然由于电压互感器和变压器二次电压较高，需要考虑分析仪接入的电压测试量程和安全操作问题。本发明适用的计量、保护类电磁式电流互感器、电压互感器、变压器包括普通油绝缘式、干式、电容式、气体绝缘式或其他交流变换设备。所述电流互感器带电测试方法不仅适用于单相或三相(包括独立和非独立式)电流互感器、或电压互感器、或变压器等，还可以适用于多个电流互感器、电压互感器的远程在线监测。本发明可用于便携式移动检测设备，实验室试验、分析设备，出厂检验设备，也可用于长期在线监测设备或系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：能够无需接触一次高压、无需升流源、无需标准互感器、无需负载箱进行电流互感器的带电误差测试、带电频率响应测试和带电励磁特性曲线测试，既保证不停电测试的安全可靠，又能实现设备高度一体化、便携、轻巧，利于现场测试、实验室测试和长期在线监测；该带电测试方法还适用于电压互感器或变压器的带电测试。

附图说明

图1是分析仪与被测电流互感器二次回路的连接示意图。

图2是分析仪的内部结构框图。

图3是测试电压序列与对应电流点的复合误差、比差、角差的关系曲线。

图4是导纳频率响应曲线。

图5是电压序列与励磁电流序列绘制成的关系曲线，即励磁特性曲线。

图6是电阻序列和励磁电流序列的关系曲线。

图中标号如下：

1被测电流互感器        2开关甲

3开关乙                4分析仪

5测试线端子

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例1

如图2所示，一种分析仪，包括带电误差测试、带电频率响应测试和带电励磁特性曲线测试功能。如图1所示，现场带电测试时，应用具有上述功能的分析仪4串入单相被测电流互感器1的二次回路，进行对被测电流互感器1的带电测试，带电测试方法步骤如下：

首先，保持被测电流互感器1二次侧回路上的二次端子盒的开关甲2和开关乙3闭合，保持被测电流互感器1带电运行。

第二步，开启被测电流互感器1二次端子盒的开关甲2，然后将分析仪4的两个测试线端子5接入二次端子盒的开关两侧。

第三步，测试前，在分析仪4中输入被测电流互感器1的二次额定电流I_s＝5A，二次额定负载Z_s＝2欧姆，5P10，其中5为复合误差上限，10为准确限值系数，即在10倍过载范围之内，被测电流互感器1的复合误差要求不能超过5％，如果该复合误差超过5％，则说明被测电流互感器1工作不良或存在故障，需要进行维护或更换。

第四步，开启被测电流互感器1二次端子盒的开关乙3，使分析仪4串入被测电流互感器1二次回路，使被测电流互感器1的二次回路电流通过分析仪4形成通路；分析仪4串入二次回路过程严格保持二次回路畅通，保持被测电流互感器1带电运行。

第五步，通过分析仪4选择测试内容，分为带电误差测试、带电频率响应测试、带电励磁特性曲线测试。

选择带电误差测试：为防止工频干扰，分析仪4向二次回路注入异于工频的异频测试电压序列U_n(n＝1，2，3...)，所述测试电压序列是单频率的正弦波，测试对应频率的响应电流序列I_n(n＝1，2，3...)。注入测试电压U₁＝0.1V，即额定1％电流工作点，测试得到的响应电流I₁＝0.00005A，根据输入的二次额定电流I_s＝5A，二次额定负载Z_s＝2欧姆，计算得到二次额定电压U_s＝I_s×|Z_s|＝5×2＝10V，注入测试电压占二次额定电压的比例 ${\mathrm{\η}}_1=\frac{U_1}{U_s}=\frac{0.1}{10}=0.01,$ 复合误差 $e_1=\frac{I_1}{I_s\×{\mathrm{\η}}_1}=\frac{0.00005}{5\×0.01}\×100\%=0.1\%;$ 实测得到注入测试电压U₁和对应频率响应电流I₁之间的相位角α₁＝30°，那么

比差

角差

(单位：弧度)。

同理，分别注入测试电压U₂＝0.5V(即额定5％电流工作点，η₂＝5％)、U₃＝2V(即额定20％电流工作点，η₃＝20％)、U₄＝10V(即额定100％电流工作点，η₄＝100％)、U₅＝12V(即额定120％电流工作点，η₅＝120％)，通过测试并计算得到对应的复合误差、比差和角差，具体数据见表1。

注入测试电压Un	对应额定电流工作点	复合误差en	比差fn	角差δn(弧度)
					U1＝0.1V	1％Is	0.1％	-0.0866％	0.0005
U2＝0.5V	5％Is	0.048％	-0.0164％	0.00045
					U3＝2V	20％Is	0.019％	-0.0049％	0.00018
U4＝10V	100％Is	0.003％	-0.0005％	0.00003
					U5＝12V	120％Is	0.004％	-0.0003％	0.00004

表1

然后根据插值法对复合误差、比差、角差这三个误差值进行修正，绘制出测试电压序列与对应电流点的复合误差、比差、角差的关系曲线(如图3所示)，进而计算任意响应电流点的误差。

需要说明的是，因为被测电流互感器1的工作一次电流可能是一直变化的，因此误差考核需要照顾到各种工作环境。行业标准规定二次额定电流的1％，5％，20％，100％，120％点的误差必须满足要求，因此需要根据这些工作点折算向二次回路注入的测试电压值。测试的误差可以包括至少5个电流点(1％，5％，20％，100％，120％)的误差，即分别有η₁＝1％，η₂＝5％，η₃＝20％，η₄＝100％，η₅＝120％；也可以是1％-120％任意电流点的误差，即η_n＝1％，2％，...120％或n＝1，2，...120。对于保护电流互感器而言，根据准确限值系数的要求，需要考核10倍过载情况下的误差，即：最大100％×10＝1000％电流工作点下的误差，有η＝10。对所述复合误差、比差、角差这三个误差值进行修正还可以采用曲线拟合或最小二乘方法，以提高测试精度。同样需要说明的是测试频率不能偏离工频太远，否则测试的数据需要折算到工频(如50Hz或60Hz)条件，从而产生折算误差。

实施例2

如图1、图2所示，与实施例1相同的地方不再重复叙述，不同之处在于：将分析仪4串入三相被测电流互感器1的二次回路，进行对被测电流互感器1的带电测试。

第五步，选择带电频率响应测试：分析仪4向二次回路注入异于工频的异频测试电压序列，所述测试电压序列是非工频频率的正弦波，测试对应频率的回路导纳，即响应电流除以注入测试电压之值 $Y=\frac{I}{U}=g-\mathrm{jb},$ 式中g为电导，b为电纳，j为虚数单位。设注入测试电压U＝2V，频率5kHz，对应频率的响应电流测得为I＝0.55A，注入测试电压与响应电流的相角差为15°，那么导纳模值|Y|＝0.55/2V＝0.275，电导g＝|Y|cos(15⁰)≈0.266，电纳b＝|Y|sin(15⁰)≈0.0711，导纳模值、电导、电纳的单位为mS。由于测试频率不断改变，因此可绘制导纳频率响应曲线(导纳为纵坐标，频率为横坐标)，如图4所示。正常时导纳频率响应曲线表现比较平坦；如被测电流互感器1内部出现匝间短路故障后造成导纳频率响应曲线异变，导纳在一定频率范围出现陡增，与正常时数据比较可明显区分出来；如果因为被测电流互感器1二次端子触点腐蚀造成接触电阻增大，导纳频率响应曲线会下移，低于正常时导纳频率响应曲线的数值。

需要说明的是，测试频率原则上可以为任意值，可以是从数毫赫兹到数兆赫兹。根据上述方法，还可以绘制导纳复数模值与频率、或导纳角与频率、或以导纳复数为基础衍生出的三角函数与频率、或导纳与角频率、或导纳复数模值与角频率、或导纳角与角频率、或以导纳复数为基础衍生出的三角函数与角频率、或以导纳复数为基础衍生出的三角函数与时间之间的关系曲线。

带电频率响应测试还可以是：分析仪4向二次回路注入异于工频的异频测试电流序列，所述测试电流序列是一段频带的方波，测试对应频率的阻抗(即响应电压除以注入电流之值)，由于测试频率不断改变，因此可绘制阻抗频率响应曲线(阻抗为纵坐标，频率为横坐标)。

实施例3

如图1、图2所示，与实施例1相同的地方不再重复叙述，不同之处在于：

第五步，选择带电励磁特性曲线测试：分析仪4先测试被测电流互感器1的二次回路电流I₀；然后根据第三步中输入的二次额定电流I_s＝5A、二次额定负载Z_s＝2欧姆、准确限值系数为10，计算出被测电流互感器1的二次额定电压U_s＝I_s×Z_s＝10V，二次最大电压为10×U_s＝100V，二次最大阻抗为100V/5A＝20欧姆；接着通过分析仪4内部的电阻序列产生0-20欧姆之间的电阻序列接入二次回路，并分别测试该电阻条件下的电压序列U_n和电流序列I_n，根据测试的所述电流序列I_n和接入电阻序列前的二次回路电流I₀计算励磁电流序列I_e＝I₀-I_n；由于I_n是一组负载电阻序列影响下的二次回路电流，因此计算的励磁电流也是一组电流值，即励磁电流序列，将测试的所述电压序列U_n与该励磁电流序列I_e绘制成的关系曲线即为励磁特性曲线(如图5所示)，也可以绘制电阻序列和该励磁电流序列的关系曲线(如图6所示，也可称为过载特性曲线)。注入二次回路的电阻序列还可以是分析仪4内部的电子可控负载。

需要说明的是，完整的励磁特性曲线分为饱和线性部分和非线性部分，其中线性与非线性部分的交点部位称作拐点区域。由于电流互感器本身的特点，有时候按照准确限值系数、二次额定电压值计算的最大二次阻抗并不能保证准确测试到曲线的拐点及拐点之后的非线性部分。判断励磁特征曲线是否到达拐点的方法即随着二次注入电阻增大，测试的二次电压U_n增加10％，引起励磁电流I_e增加50％。

Claims (6)

1.一种电流互感器的带电测试方法，其特征在于：所述电流互感器带电测试方法步骤如下：

A、保持被测电流互感器(1)二次侧回路上的二次端子盒的开关甲(2)和开关乙(3)闭合；

B、开启被测电流互感器(1)二次端子盒的开关甲(2)，然后将分析仪(4)的两个测试线端子(5)接入二次端子盒的开关两侧；

C、在分析仪(4)中输入被测电流互感器(1)的二次额定电流、二次额定负载、准确限值系数；

D、开启被测电流互感器(1)二次端子盒的开关乙(3)，使分析仪(4)串入被测电流互感器(1)二次回路，使被测电流互感器(1)的二次回路电流通过分析仪(4)形成通路；

E、分析仪(4)向二次回路注入异于工频的异频测试电压序列，测试对应频率的响应电流序列，并根据第C步骤中输入的二次额定电流、二次额定负载，计算不同测试电压下的复合误差、比差和角差，然后根据插值法、或曲线拟合、或最小二乘方法对所述复合误差、比差、角差这三个误差值进行修正，计算任一响应电流的误差；

或者分析仪(4)向二次回路注入异于工频的异频测试电压序列或电流序列，测试对应频率的回路导纳或阻抗，然后绘制导纳频率响应曲线或阻抗频率响应曲线；

或者分析仪(4)先测试被测电流互感器(1)的二次回路电流，然后根据第C步骤中输入的二次额定电流、二次额定负载、准确限值系数计算出被 测电流互感器(1)的二次最大电压和二次最大阻抗，接着通过分析仪(4)产生小于等于所述二次最大阻抗的电阻序列接入二次回路，并分别测试该电阻条件下的电压序列和电流序列，根据测试的所述电流序列和二次回路电流计算励磁电流序列，然后绘制测试的所述电压序列和励磁电流序列的关系曲线，或绘制电阻序列和励磁电流序列的关系曲线。

2.根据权利要求1所述的电流互感器的带电测试方法，其特征在于：所述不同测试电压下的复合误差e_n、比差f_n和角差δ_n分别根据下列公式计算：

U_s＝I_s×|Z_s|；n＝1，2，3...分别对应各注入测试电压

式中：e_n-复合误差；f_n-比差；δ_n-角差；I_n-对应注入测试电压序列的响应电流序列；I_s-二次额定电流；α_n-注入测试电压和对应频率响应电流之间的相位角；η_n-注入测试电压占二次额定电压的比例；U_n-注入测试电压序列；U_s-二次额定电压；Z_s-二次额定负载。

3.根据权利要求1或2所述的电流互感器的带电测试方法，其特征在于：所述导纳频率响应曲线是导纳与频率、或导纳复数模值与频率、或导纳角与频率、或以导纳复数为基础衍生出的三角函数与频率、或导纳与角频率、或导纳复数模值与角频率、或导纳角与角频率、或以导纳复数为基础衍生出的三角函数与角频率、或以导纳复数为基础衍生出的三角函数与时间之间的关系曲线。

4.根据权利要求1或2所述的电流互感器的带电测试方法，其特征在于：所述分析仪(4)产生的小于等于二次最大阻抗的电阻序列是分析仪(4)内部的 电阻序列或电子可控负载。

5.根据权利要求1或2所述的电流互感器的带电测试方法，其特征在于：所述向二次回路注入的异于工频的异频测试电压序列或电流序列采用单频率、或双频率、或一段频带；所述向二次回路注入的异于工频的异频测试电压序列或电流序列是正弦波、或余弦波、或方波、或尖峰触发脉冲。

6.根据权利要求1所述的电流互感器的带电测试方法，其特征在于：所述电流互感器带电测试方法适用于单相或三相电流互感器。 

Images