CN103207379B - 电流互感器直流偏磁误差特性测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电流互感器直流偏磁误差特性测量方法及装置,依据等安匝原理,一次模拟电流分别为两个独立的工频电流源与直流电流源,利用标准CT检测被测量CT受到直流偏磁影响后的误差特性发生的变化,包括电流比较型误差特性测量或者是电压比较型误差特性测量方法及装置,全过程数据可进行对比,该方法及装置不仅适合穿心式电流互感器直流偏磁时的误差特性测量,也适用于验证不同铁心材料制造的电流互感器线圈的直流偏磁误差特性。

Description

电流互感器直流偏磁误差特性测量方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电流互感器直流偏磁误差特性測量方法及装置,具体为ー种采用 等安匝原理模拟电流互感器一次回路的エ频电流含有直流分量吋,验证电流互感器误差特 性的測量方法及装置,属高压电器测量与检验技术领域。
背景技术
[0002] 传统电流互感器工作原理是电磁感应原理,一般情况下电流互感器一次回路电流 是正负对称的交流电流,ー个周波内铁心的工作磁密也是对称分布,但当一次エ频电流含 有直流电流成分时,电流互感器铁心工作磁密会出现不对称现象,导致电流互感器铁心磁 滞回线出现不对称,二次感应电流出现偶次谐波。根据能量守恒原理,偶次谐波的出现,基 波含量必然減少,电流互感器对应的一次回路基波电流与二次回路基波电流之比,就会发 生负向偏移。
[0003] 随着我国电网容量的増加,交流电网和直流电网同点落地现象越来越多,在交流 电网回路中出现直流分量,使得变压器铁心磁通量上下半周不对称,导致变压器损耗増大、 投合操作励磁涌流増大,亦称之为直流偏磁影响。同样,用于电网电能计量、继电保护的电 流互感器,也会因一次エ频电流含有直流分量,造成电流互感器磁通量正负半周不对称,影 响电流互感器的误差特性。例如,双级高压直流输电线路检修,或单级故障需以"单级一大 地回线"方式运行时,将有直流电流通过中性点直接接地的变压器进入交流系统,出现直流 偏磁现象,有的线路故障电流中含有直流分量,且衰减很慢。此外,地磁暴效应产生的地磁 感应电流(GIC)也可以引起变压器的直流偏磁效应。
[0004] 电网电压等级的不同、电网出现的直流分量幅值的不同、电流互感器铁心材料的 不同、安匝数的不同以及二次负荷的不同,对电流互感器误差特性影响程度是不同的,需要 进行系统和完整的理论计算、试验验证。用于电能计量的电流互感器,主要考虑エ频分量, 误差特性计算的边界条件是以铁心磁滞曲线完全对称为前提,直流偏磁情况下的电流互感 器误差特性计算,需考虑磁滞回线上下不对称影响。
[0005] 在验证试验中,如果采用エ频电流分量与直流电流分量可调节的合成电流源,不 仅有合成电流源技术上的难度和成本上的因素,还有测量系统的溯源问题。这种測量系统 是采用宽频标准电流测量装置,要考虑宽频标准电流测量装置频响特性的校准。若采用等 安匝原理,一次模拟电流分别为エ频电流与直流电流,两个独立的电流源便于幅值的控制, 并且エ频电流与直流电流的測量系统相互独立,可以分别溯源。
[0006] 电流互感器(CT)的等效电路如附图1所示,图中:ZpZ2、ZpZtl分别为CT的一次 阻抗、二次阻抗、二次侧负载阻抗和等效励磁阻杭;ii、i2、分别为折算到二次侧的一次电 流、二次电流和励磁电流;E为励磁阻抗上的感应电动势,相应的励磁曲线如图2所示,图2 中:Hm和BM分别为磁场强度H和磁感应强度B的最大值;H。为矫顽磁力;B,为剩磁。对于 计量用CT,重点研究其稳态传变特性,对准确度的要求较高,需纳入磁滞非线性,可采用图 2的励磁特性曲线进行分析。对于保护用CT,需考虑其暂态特性,得到其在大电流下达到饱 和的时间。相应的励磁特性以折线等效,如图3所示,图3中N为饱和点,BS、HS分别为饱和 磁密、饱和磁场强度,并将未饱和ON段的等效电感记为L6。
[0007] 在直流偏磁条件下,当电流互感器一次绕组存在直流分量Id。时,直流偏磁磁通和 交流磁通相叠加,与直流偏磁方向一致的半周铁心饱和程度増加,另外半周饱和程度减弱, 使得励磁电流呈现正负不对称形状,并产生谐波。
[0008] 对于计量用CT稳态传变特性的影响主要用比值差f和相位差S来衡量,二者皆 基于电流的基波分量进行定义。电流互感器由于励磁电流Itl的存在,使得乘以匝数比后 的二次电流不仅数值与一次电流I1不等,而且相位也产生了差异,也就产生了误差e,即:
Figure CN103207379BD00051
[0011] 其中12为二次电流(有效值)22为二次回路总阻杭;B为磁通密度;H为磁场强 度;A。为铁心有效截面积;L。为铁心的平均磁路长;ii为铁心材料的导磁率;N1为额定一次 匝数;N2为额定二次匝数。
[0012] 通过式(1)和式(2)可见,当存在直流偏磁电流时,产生的磁通导致铁心磁导率ii 下降,使励磁电流增加。不管偏磁方向如何,总是使原有误差曲线向负方向偏移。由于电网 一次电流不受电流互感器变化的影响,磁通密度非线性的增加造成二次电流高次谐波增 カロ,基波有效成分相应减弱。目前互感器质检站和各生产厂家检定电流互感器的误差均以 基波频率作为检测对象。磁通密度的高次谐波分量的増加,使得二次感应电势的基波成分 比无偏磁情况下减少,因此造成比值差向负方向变化,相位差向正方向变化。
[0013] 已有的对于变压器受直流偏磁影响的研究比较多,对电流互感器的研究也有,但 大多停留在理论计算,没有与实际电カ行业用的电流互感器结合起来。因此,当电カ系统 出现直流偏磁后或者是采用各种公知的抑制直流的设备没有达到预想的抑制能力时,用于 计量或保护所需的电流互感器受直流偏磁影响后自身产生的误差情况的研究,非常重要内 容。依据等安匝原理,一次模拟电流分别为エ频电流与直流电流,两个独立的电流源便于幅 值的控制,并且エ频电流与直流电流的測量系统相互独立,利用更高精度的CT来检测被测 量CT的准确性方法及装置,未见于已公开的专利或文献著作中。
发明内容
[0014] 本发明的目的是针对背景技术提出的问题,公开一种电流互感器直流偏磁误差特 性測量方法及装置,是依据等安匝原理,一次模拟电流分别为エ频电流与直流电流,两个独 立的电流源便于幅值的控制,并且エ频电流与直流电流的測量系统相互独立,利用更高精 度的CT来检测被測量CT受到直流偏磁影响后的误差特性发生的变化进行测量的方法及装 置,全过程数据可进行对比,该方法不仅适合穿心式电流互感器直流偏磁时的误差特性测 量,也适用于验证不同铁心材料制造的电流互感器线圈的直流偏磁误差特性。
[0015] 本发明的技术方案是:电流互感器直流偏磁误差特性測量方法,是采用等安匝原 理测量电流互感器受直流偏磁影响的误差特性并进行验证;其特征在干:所述测量方法是 电流比较型误差特性測量并验证方法、或者是电压比较型误差特性測量并验证方法;
[0016] 所述电流比较型误差特性測量并验证步骤为:
[0017] ⑴按设定要求选取标准エ频交流电流源、标准直流电流源、标准电流互感器ctn, 还有常规互感器检验仪HEC;
[0018] ⑵将标准电流互感器CTn的输出信号作为标准信号,CTN与被测电流互感器CTx的 二次输出接成差值回路,标准电流互感器CT1JX接入エ频电流源中,被测电流互感器CTx同 时经过エ频电流源和直流电源,CTx与CTN的同名端对接,CTN与CTx之间的电流差进入互感 器校验仪ffiC测差端子K,CTx的另一端接被测互感器端子;
[0019] ⑶利用常规互感器校验仪HEC检测电流互感器CTx的误差特性的相对改变量,即 可获取被测互感器在直流偏磁干扰情况下的误差特性;
[0020] 所述电压比较型误差特性測量并验证步骤为:
[0021] ⑴按设定要求选取标准エ频交流电流源、标准直流电流源、标准电流互感器ctn、 分流器Rni、分流器Rn2和R。、常规双通道数据采集卡、模拟量电子式互感器校验仪;
[0022] ⑵エ频电源中标准信号通过标准电流互感器CTn及后续连接的分流器Rni将标准 电流信号转化为标准电压信号Ua、标准直流信号通过分流器Rd获得,エ频信号与直流信号 按同样比例进行转化,标准电流互感器连同后面连接的分流器Rn2共同转化得到的电压信 号与标准直流信号的分流器Rd转化比例一致,エ频电流源与直流源分别变化得到的电压信 号Ua和Ud叠加后作为标准电压信号Un,即Un=Ua+Ud,再将Un接至数据采集卡的标准通道 CH0,被测电流互感器CTx的输出信号通过分流器RN2转化为被测电压信号Ux后接入数据采 集卡被测通道CHl;
[0023] ⑶将数据采集卡输出信号接至电子式互感器校验仪模拟量测试接ロ,并通过既有 的模拟量测试软件进行分析,得到电流互感器受直流干扰后响应特性的绝对改变量。
[0024] 如上所述的电流互感器直流偏磁误差特性測量方法,其特征在干:所述标准エ频 交流电流源设定容量>IOkVA,或者是根据測量回路感抗选择相应电流源容量,输出エ频 电流0~5kA;所述标准直流电流源设定容量>IkVA,或者是根据测量回路感抗选择相应电 流源容量,输出电流〇~5〇a;所述标准电流互感器度等级0. 05级,所述被测电流 互感器准确度等级0. 2级,标准电流互感器CTn的变比应覆盖被测电流互感器所需测量变 比;所述校验仪采用比较仪式电流互感器校验仪,准确度等级2级;所述常规双通道数据采 集卡为将模拟电压信号转化为数字量并将转化后数字量上传至电脑的模数转化采集卡;所 述电子式互感器校验仪模拟测量部分为常规电子式互感器校验仪中測量模拟信号功能的 測量装置。
[0025] ー种采用电流互感器直流偏磁误差特性測量方法的电流互感器直流偏磁误差特 性測量装置,是采用等安匝原理测量电流互感器受直流偏磁影响的误差特性并进行验证的 装置,包括电源部分、信号转化部分和信号分析部分;其特征在干:所述电源部分由独立的 エ频电流源和独立的直流源构成;信号转化部分由标准电流互感器CTn与被测电流互感器 CT5^Q成,所述标准电流互感器CTN接入エ频电流源中,被测电流互感器CTx同时经过エ频电 流源和直流电源,CTx与CTn的同名端对接;所述信号分析部分是常规比较仪式电流互感器 校验仪,所述CTn与CTx之间的电流差接入比较仪式电流互感器校验仪测差端子K,所述CTx 的另一端接入比较仪式电流互感器校验仪被测端子Tx、CTn的另一端接入比较仪式电流互 感器L端子。
[0026] 如上所述的电流互感器直流偏磁误差特性測量装置,其特征在干:所述信号转化 部分或者是包括标准电流互感器CTn、被测电流互感器CTxW及分流器RN1、Rn2和RD,还有双 通道信号采集卡及电子式互感器校验仪;所述分流器Rm接在标准电流互感器CT1<输出端子 上,所述分流器Rn2接在被测电流互感器CT)(输出端子上,所述分流器RD接在直流电源回路 中;所述分流器Rni上的电压信号与分流器RD上的电压信号叠加后连接至双通道采集卡标 准通道CHO,所述分流器Rn2上的电压信号连接至双通道采集卡被测通道CHl;所述信号分析 部分或者是电子式互感器校验仪模拟量分析部分,所述双通道采集卡的标准通道CHO及被 测通道CHl均接入电子式互感器校验仪模拟量信号输入端。
[0027] 本发明的有益效果是:
[0028] ⑴本发明用于交流电网中含有直流分量时检验用于电能计量和继电保护的电流 互感器的误差特性;
[0029] ⑵本发明測量系统既可以用于检测当一次回路エ频电流含有直流分量时电流互 感器的基波误差特性,也可以用于电流互感器二次侧输出与一次回路电流的实际波形差 异;
[0030] ⑶本发明方法不仅适合穿心式电流互感器直流偏磁时的误差特性測量,也适用于 验证不同铁心材料制造的电流互感器线圈的直流偏磁误差特性;
[0031] ⑷电源部分由独立的エ频电流源和独立的直流源构成,电流幅值调节容易,且测 量系统也相互独立,溯源性得到解決。
附图说明
[0032] 附图1为电流互感器等效电路图;
[0033] 附图2为电流互感器励磁特性图;
[0034] 附图3为电流互感器简化励磁特性图;
[0035] 附图4为本发明电流比较型误差特性测量并验证线路图;
[0036] 附图5为本发明电压比较型误差特性测量并验证线路图;
[0037] 附图6为图5中电子式互感器校验仪模拟量测试流程图。
具体实施方式
[0038] 以下结合附图对本发明实施例作进ー步说明:
[0039] 本发明电流互感器直流偏磁误差特性測量方法及装置,是采用等安匝原理测量电 流互感器受直流偏磁影响的误差特性并进行验证的方法及装置,包括电流比较型误差特性 測量并验证、或者是电压比较型误差特性測量并验证二个方案,以下结合实施例一、实施例 二分别说明如下:
[0040] 实施例一,电流比较型误差特性測量并验证方法及装置:
[0041] 按设定要求选取标准エ频交流电流源、标准直流电流源、标准电流互感器CTn,还 有常规互感器检验仪HEC-H,參见附图4,将标准电流互感器CTn的输出信号作为标准信 号,CTn与被测电流互感器CTx的二次输出接成差值回路,标准电流互感器CT"又接入エ频 电流源中,被测电流互感器CTx同时经过エ频电流源和直流电源,CTx与CTn的同名端对接, CTn与CTx之间的电流差进入互感器校验仪HEC测差端子K,CTN的另一端接入互感器校验仪 JEC的Ttl端,CTx的另一端接被测互感器端子Tx。利用常规互感器校验仪HEC检测电流互感 器CTx的误差特性的相对改变量,即可获取被测互感器在直流偏磁干扰情况下的误差特性。
[0042] エ频电流源Sa容量15kVA,输出电流范围0~5kA;直流电源Sd容量lkV,电流输 出范围0~50A;标准电流互感器CTn,变比覆盖600A:5A,准确度等级0. 05级;被测电流互 感器变比为600A:5A,准确度等级0. 2级;校验仪采用HEC-H比较仪式电流互感器校验仪, 准确度等级2级。该电流互感器在直流干扰前、后的相对误差如下表1所示。干扰的直流 量为6A,占一次额定交流信号的1%。
[0043] 表1电流互感器受直流干扰前后的相对误差測量数据
[0044]
Figure CN103207379BD00081
[0045] 根据表1可知,当直流量占一次额定电流的1%时,电流互感器的误差将发生变 化。在5%额定电流时,直流分量使得比值差减小了 1.9倍,相位差増大了 11倍;在120% 额定电流时,直流分量使得比值差减小了 10. 1倍,相位差増大了 9. 3倍。改变后的数据已 超过该电流互感器的误差限制。
[0046] 实施例二,电压比较型误差特性測量并验证方法及装置:
[0047] 按设定要求选取标准エ频交流电流源、标准直流电流源、标准电流互感器CTn、分 流器Rni、分流器Rm和R。、常规双通道数据采集卡(本实施例中采用NI公司的5922采集 卡)、电子式互感器校验仪模拟量测量部分。參见附图5,エ频电源中标准信号通过标准电 流互感器CTn及后续连接的分流器Rm将标准电流信号转化为标准电压信号Ua、标准直流信 号通过分流器Rd获得,エ频信号与直流信号按同样比例进行转化,标准电流互感器连同后 面连接的分流器Rn2共同转化得到的电压信号与标准直流信号的分流器Rd转化比例一致, エ频电流源与直流源分别变化得到的电压信号Ua和Ud叠加后作为标准电压信号Un,即Un= Ua+Ud,再将Un接至数据采集卡的标准通道CH0,被测电流互感器CTx的输出信号通过分流器 Rn2转化为被测电压信号Ux后接入数据采集卡被测通道CHl。
[0048] 将数据采集卡输出信号接至电子式互感器校验仪(本实施例中采用武汉华瑞深 光电技术有限公司生产的J1EN23型电子式互感器校验仪)模拟量測量端ロ,两路信号在电 子式互感器校验仪模拟量分析软件中进行处理,其处理过程如附图6所示,最后得到电流 互感器受直流干扰后响应特性的绝对改变量。
[0049] 选择试验直流电流源Sd输出电流6A,按被测量电流互感器额定电流(交流电 流)600A的1%考虑。标准电流互感器%输出端接的交流分流器RN1变比为5A/2V;直流 回路标准分流器Rd的变比为6A/20mV,这样选择在合成二次输出标准信号U1<时交流信号与 直流信号的比例相对应。标电流互感器与被试电流互感器的參数按案例1所示。标准电流 互感器与标准直流产生的标准信号叠加后Un通入标准通道CH0,被测电流互感器产生的被 测信号Ux通入測量通道CH1,两路信号在电脑上进行分析。电流互感器在直流干扰前、后的 绝对误差如表2所示。
[0050] 表2电流互感器受直流干扰前后的绝对误差測量数据
[0051]
Figure CN103207379BD00091
[0052] 采用绝对误差測量法,将被试品中引入的直流量叠加在一次标准信号中,使得标 准信号与被测信号的幅值一致,直流信号不会引入相位差,所以表2中的数据反映了与相 对误差相比,比值差略变好,相位差基本不变的特性。

Claims (4)

1. 电流互感器直流偏磁误差特性测量方法,是采用等安匝原理测量电流互感器受直流 偏磁影响的误差特性并进行验证;其特征在于:所述测量方法是电流比较型误差特性测量 并验证方法、或者是电压比较型误差特性测量并验证方法; 所述电流比较型误差特性测量并验证方法步骤为: ⑴按设定要求选取标准工频交流电流源、标准直流电流源、标准电流互感器CTn,还有 常规互感器检验仪HEC、被测电流互感器CTX;K述常规互感器检验仪HEC是比较仪式电流 互感器校验仪HEC- H ; ⑵将标准电流互感器CTn的输出信号作为标准信号,所述标准电流互感器CT N与被测 电流互感器CTx的二次输出接成差值回路,标准电流互感器CT N仅接入标准工频交流电流 源中,被测电流互感器CTx同时经过标准工频交流电流源和标准直流电源,被测电流互感器 CTx与标准电流互感器CT N的同名端对接,标准电流互感器CT N与被测电流互感器CT )(之间 的电流差进入所述比较仪式电流互感器校验仪HEC - H的测差端子K,标准电流互感器CTn 的另一端接入所述比较仪式电流互感器校验仪HEC-H的Tci端,被测电流互感器CT x的另一 端接入所述比较仪式电流互感器校验仪HEC - H的被测端子Tx; ⑶利用所述比较仪式电流互感器校验仪HEC - H检测被测电流互感器CTx的误差特性 的相对改变量,即可获取被测电流互感器(^^在直流偏磁干扰情况下的误差特性; 所述电压比较型误差特性测量并验证方法步骤为: ⑴按设定要求选取标准工频交流电流源Sa、标准直流电流源Sd、标准电流互感器CTN、 分流器Rm、分流器Rn2和RD、常规双通道数据采集卡、模拟量电子式互感器校验仪,还有被测 电流互感器CT x; ⑵所述标准工频交流电流源Sji出的标准工频交流电流信号通过标准电流互感器CT N 及后续连接的分流器Rm,将标准工频交流电流信号转化为标准工频电压信号Ua、所述标准 直流电流源S d输出的标准直流信号通过分流器Rd转化为标准直流电压信号U d,所述标准工 频交流电流信号与标准直流电流信号按同样比例进行转化,也就是标准电流互感器cgi 同后续连接的分流器Rm共同转化得到的标准电压信号1与分流器Rd转化得到标准直流电 压信号仏的转化比例一致,将标准工频电压信号U a和标准直流电压信号U d叠加后作为标 准电压信号Un,8卩Un=Ua+U d,再将Un接至数据采集卡的标准通道CHO,被测电流互感器CT游 输出信号通过分流器R n2转化为被测电压信号U x后接入数据采集卡被测通道CHl ; ⑶将数据采集卡输出信号接至模拟量电子式互感器校验仪模拟量测试接口,两路信号 进入分析系统后在所述模拟量电子式互感器校验仪内部做差,以50个点为一组数据,使用 FFT将直流分量分离出来,得到被测电流互感器CTx受直流干扰后响应特性的绝对改变量。
2. 如权利要求1所述的电流互感器直流偏磁误差特性测量方法,其特征在于:所述 标准工频交流电流源&设定容量> IOkVA,或者是根据测量回路感抗选择相应电流源容 量,所述标准工频交流电流源Sa输出工频电流0~5kA ;所述标准直流电流源S d设定容量 > lkVA,或者是根据测量回路感抗选择相应电流源容量,所述标准直流电流源5(1输出电流 0~50A ;所述标准电流互感器(:1^隹确度等级0. 05级,所述被测电流互感器CT ^隹确度等 级0. 2级,标准电流互感器CTn的变比应覆盖被测电流互感器所需测量变比;所述比较仪式 电流互感器校验仪HEC-H的准确度等级为2级;所述常规双通道数据采集卡为将模拟电压 信号转化为数字量并将转化后数字量上传至电脑的模数转化采集卡;所述模拟量电子式互 感器校验仪为常规电子式互感器校验仪中测量模拟信号功能的测量装置。
3. -种采用电流互感器直流偏磁误差特性测量方法的电流互感器直流偏磁误差特性 测量装置,是采用等安匝原理测量电流互感器受直流偏磁影响的误差特性并进行验证的装 置,包括电源部分、信号转化部分和信号分析部分;其特征在于:所述电源部分由独立的标 准工频交流电流源S a和独立的标准直流电流源Sd构成;信号转化部分由标准电流互感器 CTn与被测电流互感器CT x构成,所述标准电流互感器CT N仅接入标准工频交流电流源S a中, 被测电流互感器CTx同时经过标准工频交流电流源S a和标准直流电流源S d,被测电流互感 器CTx与标准电流互感器CT ^勺同名端对接;所述信号分析部分是比较仪式电流互感器校验 仪HEC- H,所述标准电流互感器CTn与被测电流互感器CT之间的电流差接入所述比较仪 式电流互感器校验仪HEC - H的测差端子K,所述被测电流互感器CTx的另一端接入比较仪 式电流互感器校验仪HEC - H的被测端子Tx,标准电流互感器CTn的另一端接入比较仪式电 流互感器HEC- H的Tq端子。
4. 如权利要求3所述的电流互感器直流偏磁误差特性测量装置,其特征在于:所述信 号转化部分或者是包括标准电流互感器CTn、被测电流互感器CT xW及三个分流器RN1、RN2和 RD,还有双通道信号采集卡及常规电子式互感器校验仪;所述分流器Rni并联在标准电流互 感器CT n输出端子上,所述分流器Rn2并联在被测电流互感器CT x输出端子上,所述分流器Rd 串联在标准直流电流源\回路中;所述分流器Rni上的电压信号与分流器Rd上的电压信号 叠加后连接至双通道采集卡标准通道CHO,所述分流器R n2上的电压信号连接至双通道采集 卡被测通道CHl ;相应的,所述信号分析部分或者是电子式互感器校验仪模拟量分析部分, 所述双通道采集卡的标准通道CHO及被测通道CHl均接入电子式互感器校验仪模拟量信号 输入端。
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Assignee: Wuhan Pandian Technology Co., Ltd.

Assignor: China Electric Power Research Institute

Contract record no.: 2015420000160

Denomination of invention: Method and device for measuring direct current magnetic bias error characteristics of current transformer

Granted publication date: 20150520

License type: Exclusive License

Record date: 20150921

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