CN103105594B - 基于小信号斜率映射的电流互感器剩磁检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于小信号斜率映射的电流互感器剩磁检测方法，通过在电流互感器二次施加小电压信号计算初始运行点磁通对励磁电流的导数，利用电流互感器铁芯磁化曲线进行斜率映射来确定电流互感器铁芯剩磁。本发明提供的基于小信号斜率映射的电流互感器剩磁检测方法，通过对实际的电流互感器进行充磁，使电流互感产生不同大小的剩磁，评估该发明中剩磁检测方法及理论的有效性和检测系统平台实用性，检测结果表明，利用该检测平台能快速、准确的反映被试电流互感器铁芯剩磁大小。

Description

基于小信号斜率映射的电流互感器剩磁检测方法

技术领域

本发明涉及电流互感器铁芯剩磁的检测方法，尤其涉及一种基于小信号斜率映射的电流互感器剩磁检测方法，属于电力自动化技术。

背景技术

电力系统的线路切合操作、短路故障或谐波严重时，线路电流在暂态过程中会存在相当大的直流分量，会使铁心存在剩磁现象。运行中的电流互感器（Current Transformer，简称CT）普遍存在剩磁，剩磁对电流互感器的危害较大，且剩磁一旦产生，不会自动消失，在正常运行条件下将长期存在，因而影响电流互感器传遍特性及准确度。

对于已经在运和将来大量入网的电流互感器，剩磁的残留量测量评定亟待深入开展。研究表明励磁电流中含有谐波是铁芯剩磁存在的标志，通过对励磁电流谐波的测量可判断电流互感器是否有剩磁，但这种方法难以对剩磁的大小和极性进行定量的判断。传统利用磁电式磁通计来测试剩磁的试验方法主要问题是精度低、速度慢、操作极为不便。通过在电流互感器二次加交流电压或直流电压的方法主要用来测量电流互感器剩磁系数，即电流互感器铁芯材料在饱和磁化状态的剩余磁感应强度和最大磁感应强度的比值。这些方法无法测量任意剩磁状态下电流互感器剩磁的大小。在数据采集、计算机软硬件技术高速发展的今天，剩磁测量数字化、自动化已成为亟待解决的问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于小信号斜率映射的电流互感器剩磁检测方法，基于小信号映射的电流互感器剩磁检测方法通过在电流互感器二次施加小电压信号计算初始运行点磁通对励磁电流的导数，利用电流互感器铁芯磁化曲线进行斜率映射来确定电流互感器铁芯剩磁，该方法能够方便用于电力生产现场及实验室电流互感器铁芯剩磁的检测。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于小信号斜率映射的电流互感器剩磁检测方法，包括如下步骤：

（1）绘制电流互感器铁芯的平面曲线图，所述平面曲线图包括φ_b-i_μ曲线和曲线，所述φ_b-i_μ曲线为基本磁化曲线，所述曲线为φ_b对i_μ的导数曲线；其中i_μ表示励磁电流，记实际磁化曲线为φ-i_μ曲线，φ对i_μ的导数曲线为曲线；

（2）电流互感器一次开路，二次接入励磁电流i_μ，计算其中，L为φ-i_μ曲线上点(φ_r,0)的斜率，对应曲线上的点A(0，L)；其中φ_r为电流互感器铁芯初始状态下的剩磁，为电流互感器二次电压小信号的相量值，ω=2πf₀为系统额定角频率，为测得的电流互感器二次侧电流有效值相量；

（3）利用斜率映射方法，曲线上的点A(0，L)对应曲线上的点B(i_μr，L)；

（4）曲线上的点B(i_μr，L)对应φ_b-i_μ曲线上的点C(i_μr，φ_br)；

（5）根据点C(i_μr，φ_br)确定φ_r=φ(0)≈φ_br。

上述方法，利用电流互感器二次施加的小电压、电流信号与电流互感器运行点附近铁芯磁通对励磁电流的关系，通过电流互感器磁化曲线斜率映射来确定铁芯剩磁。当电流互感器一次开路，二次侧接入交流励磁电流i_μ时，电流互感器铁芯磁通φ从剩磁通φ_r开始沿相应磁滞回线变化；若励磁电流i_μ足够小时，铁芯磁通φ在剩磁磁通φ_r附近做小范围波动，可确定电流互感器初运行点(i_μ=0）铁芯磁通对励磁电流i_μ的导数。根据电流互感器铁芯基本磁化曲线（φ_b-i_μ曲线）与局部磁化曲线的相似性，在励磁电流i_μ足够小的情况下，剩磁点小范围内实际磁化曲线（φ-i_μ曲线）与对应的基本磁化曲线（φ_b-i_μ曲线）平行。根据计算的初始状态下(i_μ＝0）铁芯磁通关于励磁电流i_μ的变化率，通过磁化曲线斜率映射的方法根据铁芯磁通变化率确定对应基本磁化曲线（φ_b-i_μ曲线）上的点，确定电流互感器铁芯剩磁φ_r。

在构建基于上述方法的电流互感器铁芯剩磁检测平台时，可以利用软件程序开发基于小信号斜率映射的电流互感器剩磁检测算法；另外，还可以通过软件程序和高精度D\A板卡产生电压小信号波形，并结合高精度功率放大器，产生小信号电压源，利用高精度数据采集板卡及硬件接口实现电流互感器二次侧电流的采集，具体为：首先通过软件构造电压信号波形，再将电压信号波形通过D/A板卡接出，最后经过线性功率放大器后形成二次接入的电压源u_μ。

有益效果：本发明提供的基于小信号斜率映射的电流互感器剩磁检测方法，通过对实际的电流互感器进行充磁，使电流互感产生不同大小的剩磁，评估该发明中剩磁检测方法及理论的有效性和检测系统平台实用性，检测结果表明，利用该检测平台能快速、准确的反映被试电流互感器铁芯剩磁大小。

附图说明

图1为电流互感器剩磁检测回路示意图；

图2为平面曲线图；

图3为电流互感器铁芯剩磁检测平台结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

首先对基于小信号斜率映射的电流互感器剩磁检测方法给出原理说明，如图1所示，电流互感器（简称CT）一次开路，二次接交流电源回路，对CT施加小的交流电压u，测量回路电流i。

设在t=0时刻，CT一次开路，二次加入电压为u=U_msinωt（ω=50Hz），忽略CT二次侧电阻，则CT二次电压平衡方程为：

$u=\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{di}}\·\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

假设u=U_msinωt很小，使电流i足够小，可以近似认为：

$\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{di}}\≈{\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{di}}|}_{i=0}=L---\left(2\right)$

则有：

$u=L\·\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

对上式进行拉氏变换：

$\stackrel{\·}{U}\left(s\right)=L\·(s\stackrel{\·}{I}\left(s\right)-i_0)---\left(4\right)$

取s=jω，则有：

${\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{di}}|}_{i=0}=L=\mathrm{img}\left(\frac{\stackrel{\·}{U}}{\mathrm{\ω}\stackrel{\·}{I}}\right)---\left(5\right)$

电流互感器铁芯的平面曲线图可以通过实测获得，如图2所示，φ_b-i_μ曲线为基本磁化曲线，曲线为φ_b对i_μ的导数曲线，φ_a-i_μ曲线为上升支极限磁滞回线，所述φ_d-i_μ曲线为下降支极限磁滞回线；其中i_μ表示励磁电流，记实际磁化曲线为φ-i_μ曲线，φ对i_μ的导数曲线为曲线。

当CT一次开路，二次侧接入励磁电流i时，由于CT铁芯磁通不能突变，铁芯磁通φ从剩磁通φ_r开始沿相应的磁滞回线变化；由于励磁电流i很小，铁芯的实际磁通φ在剩磁通φ_r附近做小范围波动。根据CT铁芯基本磁化曲线（φ_b-i_μ曲线）与局部磁化曲线的相似性，在励磁电流i足够小的情况下，可假设在剩磁点小范围内实际磁滞曲线（φ-i_μ曲线）与对应基本磁化曲线（φ_b-i_μ曲线）平行。进而利用式（5）计算初始状态下（i＝0）铁芯磁通关于励磁电流i的变化率，通过斜率映射的方法根据铁芯磁通变化率确定对应基本磁化曲线（φ_b-i_μ曲线）上的点(i_μr，φ_br)，可得到铁芯剩磁φ_r=φ(0)≈φ_br。

基于上述理论分析说明，可得到本案的具体方法为：

基于小信号斜率映射的电流互感器剩磁检测方法，包括如下步骤：

（1）绘制电流互感器铁芯的平面曲线图，所述平面曲线图包括φ_b-i_μ曲线和曲线，所述φ_b-i_μ曲线为基本磁化曲线，所述曲线为φ_b对i_μ的导数曲线；其中i_μ表示励磁电流，记实际磁化曲线为φ-i_μ曲线，φ对i_μ的导数曲线为曲线；

（2）电流互感器一次开路，二次接入足够小的交流励磁电流i_μ，计算其中，L为φ-i_μ曲线上点(φ_r,0)的斜率，对应曲线上的点A(0，L)；其中φ_r为电流互感器铁芯初始状态下的剩磁，为电流互感器二次电压小信号的相量值，ω=2πf₀（f₀=50Hz）为系统额定角频率，为测得的电流互感器二次侧电流有效值相量；

（3）利用斜率映射方法，曲线上的点A(0，L)对应曲线上的点B(i_μr，L)；

（4）曲线上的点B(i_μr，L)对应φ_b-i_μ曲线上的点C(i_μr，φ_br)；

（5）根据点C(i_μr，φ_br)确定φ_r=φ(0)≈φ_br。

一种用于实现上述方法的电流互感器铁芯剩磁检测平台如图3所示，包括剩磁检测算法软件模块、电压源输出模块、数据采集及接口模块、输出模块。

剩磁检测算法软件模块是该平台的算法核心，利用软件编程开发基于信号斜率映射的电流互感器剩磁检测算方法，程序能自动读入用户提供的电流互感器基本磁化曲线上的数据点，并通过差值对基本磁化曲线进行拟合，并计算基本磁化曲线上磁通关于励磁电流的导数曲线；利用采集的电压电流信号计算电压、电流相量，并进行斜率映射确定被试电流互感器铁芯的剩磁大小。

电压源输出模块是该平台的重要组成部分，利用软件生成电压小信号波形，并控制高精度D/A输出板卡进行小电压输出，D/A板卡输出的小电压经高精度线性功率放大器放大后作为测试用小信号电压源，接被测电流互感器二次侧。

利用高精度数据采集板卡及硬件接口实现电流互感器二次电流小信号的采集，并将电流值给输入板卡，用于剩磁检测算法。

基于以上软件硬件模块构建的电流互感器铁芯剩磁检测平台，可以自动完成电流互感器铁芯剩磁大小的测试，并对试验数据进行输出据和存储。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.基于小信号斜率映射的电流互感器剩磁检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）绘制电流互感器铁芯的平面曲线图，所述平面曲线图包括φ_b-i_μ曲线和曲线，所述φ_b-i_μ曲线为基本磁化曲线，所述曲线为φ_b对i_μ的导数曲线；其中i_μ表示励磁电流，记实际磁化曲线为φ-i_μ曲线，φ对i_μ的导数曲线为曲线；

（2）电流互感器一次开路，二次接入励磁电流i_μ，计算其中，L为φ-i_μ曲线上点(φ_r,0)的斜率，对应曲线上的点A(0，L)；其中φ_r为电流互感器铁芯初始状态下的剩磁，为电流互感器二次电压小信号的相量值，ω为系统额定角频率，为测得的电流互感器二次侧电流有效值相量；

（3）利用斜率映射方法，曲线上的点A(0，L)对应曲线上的点B(i_μr，L)；

（4）曲线上的点B(i_μr，L)对应φ_b-i_μ曲线上的点C(i_μr，φ_br)；

（5）根据点C(i_μr，φ_br)确定φ_r=φ(0)≈φ_br。

2.根据权利要求1所述的基于小信号斜率映射的电流互感器剩磁检测方法，其特征在于：所述步骤（2）中，二次接入励磁电流i_μ的方式为：先将电压信号波形通过D/A板卡接出，再经过线性功率放大器后形成二次接入的电压源u_μ。