CN105118606A - 用于在线消除电磁式电流互感器剩磁的退磁电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力自动化技术，旨在提供一种用于在线消除电磁式电流互感器剩磁的退磁电路及方法。该退磁电路包括一个由第三电阻与电感组成的串联结构，其中电感两端还并接了第三开关；该串联结构与第二电阻及第一开关均并联接于电流互感器二次侧的两端；第三电阻的外端接地，电感的外端通过第二开关接至直流电源的一端，直流电压源的另一端接地；第二电阻及第一开关的非接地端之间设第一电阻。本发明在开关断开的很短时间内将电流互感器中的剩磁消除，帮助提高继电保护整定计算的准确度和继电保护动作的可靠性。可以在线退磁，无需将电流互感器退出运行。不需要复杂的信号检测电路和控制电路，且容易实现。退磁后铁芯剩磁的误差较小，且退磁速度快。

Description

用于在线消除电磁式电流互感器剩磁的退磁电路及方法

技术领域

本发明涉及在线消除电磁式电流互感器剩磁的电路及方法，属于电力自动化技术。

背景技术

电磁式电流互感器是电力系统中广泛应用的标准计量和保护用测试设备。在电力系统进行线路切合操作或在短路故障的情况下，线路电流在暂态过程中会存在相当大的直流分量，使铁心出现剩磁现象，造成铁芯的磁导率下降从而影响互感器的性能。

对于保护型电流互感器，大量剩磁的存在将加重铁芯的饱和程度并缩短饱和时间，是产生不平衡电流和导致差动保护误动的重要原因。对于装有自动重合闸的电力系统保护装置，在故障跳闸切断电路后，铁芯中保留有一定的剩磁，重合闸后如果新建立的磁通与剩磁的极性相同，会加剧铁心的饱和，误差急剧增加，造成二次保护装置误动作。

铁芯剩磁也会使计量型互感器误差增大，现场互感器因暂态直流分量产生的直流偏磁效应，使得剩磁值较大，且不易退磁。剩磁的存在使铁芯磁导率下降，造成互感器的比差偏负，角差偏正，这是造成互感器准确度等级下降的最主要原因。电流互感器误差又会造成电能计量和贸易结算不公。

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，进而影响电流互感器传变特性及准确度。为了保持电流互感器长期反复使用的测量精度和保护准确度不变，应采取措施降低电流互感器的剩磁。目前人们对此问题进行了研究，例如：使保护型互感器的铁芯带有气隙，可将剩磁限制到10％以下，使暂态特性大大改善，但磁阻较大，磁路效率降低，也将增加漏磁和降低测量准确度，制造也不方便；对计量型电流互感器，可采用闭路或开路退磁法进行退磁，以减小误差，但一般不能在线处理，且需要升流器、控制装置等电气设施，整套设施比较笨重而且退磁过程接线和操作相对复杂；用叠片式铁芯或者非晶或坡莫合金材料制作的互感器绕组铁芯可以减小剩磁的影响，但这类材料的价格较高，将成倍地增加互感器的制造成本。

剩磁的消除具有十分重要的意义，既能帮助提高继电保护整定计算的准确度和继电保护动作的可靠性；又能提高电能测量的精确度，保证电能计量的公平合理。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种用于在线消除电磁式电流互感器剩磁的退磁电路及方法。该电路能使电流互感器反复使用保持其测量精度和保护准确度不变。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种用于在线消除电磁式电流互感器剩磁的退磁电路，电流互感器的等效励磁电感(L_m)并联于二次侧，接地的绕线等效电阻(R_b)位于二次侧的一端；所述退磁电路包括一个由第三电阻(R₃)与电感(L)组成的串联结构，其中电感(L)两端还并接了第三开关(K₃)；该串联结构与第二电阻(R₂)及第一开关(K₁)均并联接于电流互感器二次侧的两端；第三电阻(R₃)的外端接地，电感(L)的外端通过第二开关(K₂)接至直流电源(V_dc)的一端，直流电压源(V_dc)的另一端接地；第二电阻(R₂)及第一开关(K₁)的非接地端之间设第一电阻(R₁)。

本发明还提供了基于前述电路的在线消除电磁式电流互感器剩磁的方法，包括以下步骤：

(1)在电流互感器正常运行的状态下，确认第一开关(K₁)闭合，第二开关(K₂)和第三开关(K₃)打开，此时退磁电路不投入使用；

(2)确认电流互感器一次侧开路后，依次打开第一开关(K₁)闭合，闭合第二开关(K₂)，将直流电压源(V_dc)投入退磁电路中，给电流互感器和电感(L)充电，将电流互感器从未知的剩磁值充电至饱和状态；

(3)依次闭合第三开关(K₃)，打开第二开关(K₂)，不考虑损耗，此时电感(L)流过恒定电流，电流互感器的励磁电感(L_m)放电；当励磁电流降为0时，电流互感器的剩磁达到最大饱和剩磁；

(4)打开第三开关(K₃)，此时流经电感(L)的电流流过电流互感器，给电流互感器的励磁电感(L_m)进行反方向充电；当电流互感器的励磁电流不再增大时，励磁电感(L_m)和电感(L)同时放电；放电结束后励磁电感的磁通为0，电流互感器的剩磁消除。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明的退磁电路在开关断开的很短时间内将电流互感器中的剩磁消除，帮助提高继电保护整定计算的准确度和继电保护动作的可靠性；同时能提高电能测量的精确度。

(2)本发明的退磁方法采用了与传统方法截然不同的技术原理，可以在线退磁。本发明的使用过程无需将电流互感器退出运行，对其正常工作没有明显影响。

(3)本发明不需要复杂的信号检测电路和控制电路，且容易实现。该方法适用于不同材料铁芯的电流互感器和不同等级的剩磁，退磁后铁芯剩磁的误差较小，且退磁速度快。

附图说明

图1为本发明专利的等效电路图。

图中左侧电路为电流互感器的等效电路，右侧电路为退磁电路。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如附图1所示，用于在线消除电磁式电流互感器剩磁的退磁电路中，电流互感器的励磁电感L_m并联于二次侧，接地的绕线等效电阻R_b位于二次侧的一端；其特征在于，所述退磁电路包括一个由第三电阻R₃与电感L组成的串联结构，其中电感L两端还并接了第三开关K₃；该串联结构与第二电阻R₂及第一开关K₁均并联接于电流互感器二次侧的两端；第三电阻R₃的外端接地，电感L的外端通过第二开关K₂接至直流电源V_dc的一端，直流电压源V_dc的另一端接地；第二电阻R₂及第一开关K₁的非接地端之间设第一电阻R₁。

上述退磁电路的具体使用方法说明：

(1)在电流互感器正常运行的状态下，确认第一开关K₁闭合，第二开关K₂和第三开关K₃打开，此时退磁电路不投入使用；

在一个周期内电流互感器的二次侧没有电流信号的情况下，可以确认一次侧开路。

(2)确认电流互感器一次侧开路后，依次打开第一开关K₁，闭合第二开关K₂，将直流电压源V_dc投入退磁电路中，给电流互感器和电感L充电，将电流互感器从未知的剩磁值充电至饱和状态；利用电流互感器的饱和点信息(i_sat，λ_sat)，将这一阶段的电感近似为L₁，L₁的求解如公式(1)所示：

$L_1=\frac{{\mathrm{\λ}}_{sat}}{i_{sat}}---\left(1\right)$

考虑到从负的最大饱和剩磁充电到正的饱和磁通值时所用充电时间最长，负的最大饱和剩磁λ_{rem_max}为饱和磁通值的70％，此时电路充电的近似最大时间常数τ₁如式(2)所示，该参数用于确保下一开关，即第二开关K₂在充电完成后打开，充电持续三到五个最大时间常数后，可近似认为充电完成；

${\mathrm{\τ}}_1=\frac{L_1}{R_1+R_b}=\frac{\[1-(-70\%)\]\×\frac{{\mathrm{\λ}}_{sat}}{i_{sat}}}{\frac{V_{dc}}{i_{sat}}}=1.7\×\frac{{\mathrm{\λ}}_{sat}}{V_{dc}}---\left(2\right)$

此时电流互感器的磁通值为λ_sat。当充电完成后，流过励磁电感L_m的电流为饱和电流i_sat，可通过该参数确定电阻R₁的值；R₁可限制充电回路中的电流，使互感器的励磁电感不至于过饱和。

$R_1=\frac{V_{dc}}{i_{sat}}-R_b---\left(3\right)$

(3)依次闭合第三开关K₃，打开第二开关K₂，此时电感L流过恒定电流，电流互感器的励磁电感L_m放电；当励磁电流降为0时，电流互感器的剩磁达到最大饱和剩磁；利用电流互感器的饱和点信息(i_sat，λ_sat)和最大饱和剩磁值λ_{rem_max}将这一阶段的电感近似为L₂，L₂的求解如公式(3)所示：

$L_2=\frac{{\mathrm{\λ}}_{sat}-{\mathrm{\λ}}_{rem\_max}}{i_{sat}}=0.3\×\frac{{\mathrm{\λ}}_{sat}}{i_{sat}}---\left(4\right)$

此时电路放电的近似最大时间常数τ₂如式(4)所示，该参数用于确保下一开关，即第三开关K₃在励磁电感放电完成后打开，放电持续三到五个最大时间常数后，可近似认为放电完成；

${\mathrm{\τ}}_2=\frac{L_2}{R_1+R_b+R_2\left|\right|R_3}---\left(5\right)$

(4)打开第三开关K₃，此时流经电感L的电流流过电流互感器，给电流互感器的励磁电感L_m进行反方向充电；当电流互感器的励磁电流不再增大时，励磁电流值为i_{Lm_rev}，此时的磁通值为λ_rev；i_{Lm_rev}和λ_rev由下列推导公式计算得到：

$i_{Lm\_rev}=\frac{A_2{i}_{HC}}{{\mathrm{\λ}}_{rem\_max}}(e^{\frac{B_{2}ln\frac{C_2}{B_2}}{B_2-C_2}}-e^{\frac{C_{2}ln\frac{C_2}{B_2}}{B_2-C_2}})---\left(6\right)$

${\mathrm{\λ}}_{rev}=A_2(e^{\frac{B_{2}ln\frac{C_2}{B_2}}{B_2-C_2}}-e^{\frac{C_{2}ln\frac{C_2}{B_2}}{B_2-C_2}})+{\mathrm{\λ}}_{rem\_max}---\left(7\right)$

其中

$A_2=\frac{A_1}{\sqrt{{C_1}^2-4B_1{D}_1}},$

$B_2=\sqrt{\frac{{C_1}^2}{4{B_1}^2}-\frac{D_1}{B_1}}-\frac{C_1}{2B_1},$

$C_2=-\sqrt{\frac{{C_1}^2}{4{B_1}^2}-\frac{D_1}{B_1}}-\frac{C_1}{2B_1},$

$A_1=-\frac{{\mathrm{LVR}}_2{\mathrm{\λ}}_{rem\_max}}{R_3{i}_{HC}},$

$B_1=\frac{{\mathrm{\λ}}_{rem\_max}L}{i_{HC}},$

D₁＝(R₁+R₂+R_b)(R₂+R₃)-R₂ ²

i_HC为磁化曲线中磁滞回线的矫顽力；

励磁电流不再增大后，励磁电感L_m和电感L同时放电；

当满足如下公式时，能确保放电结束后励磁电感的磁通为0，电流互感器的剩磁消除；

$A_2(e^{\frac{B_{2}ln\frac{C_2}{B_2}}{B_2-C_2}}-e^{\frac{C_{2}ln\frac{C_2}{B_2}}{B_2-C_2}})+{\mathrm{\λ}}_{rem\_max}=L_{kys\_ori}\left(\frac{A_2{i}_{HC}}{{\mathrm{\λ}}_{rem\_max}}\right(e^{\frac{B_{2}ln\frac{C_2}{B_2}}{B_2-C_2}}-e^{\frac{C_{2}ln\frac{C_2}{B_2}}{B_2-C_2}}\left)\right)---\left(8\right)$

其中，L_{hys_ori}为磁化曲线中过原点的局部磁滞回环的对应的近似电感值；

通过上式，可求得为使退磁后电流互感器剩磁为0，退磁电路中所选的R₂、R₃、L的值。

上述各式中，各符号的含义说明如下：

L_m为电流互感器的励磁电感(H)；

R_b为电流互感器二次侧的绕线等效电阻(Ω)；

V_dc为退磁电路中的充电直流电压源的值(V)；

R₁用于限制充电回路的电流，使励磁电感不至于过饱和(Ω)；

L、R₂、R₃为为确保退磁后剩磁值为0计算得到的退磁电路所选元件参数值(H，Ω，Ω，Ω)；

K₁、K₂、K₃为退磁电路中控制开合的三个开关；

λ_sat为饱和磁通值(Wb)；

i_sat为饱和电流值(A)；

λ_{rem_max}为最大饱和剩磁值(Wb)；

i_{Lm_rev}为反向充电过程中励磁电流的最大值(A)；

λ_rev为在反向充电励磁电流最大时的磁通值(Wb)；

i_HC为磁化曲线中磁滞回线的矫顽力(A)；

L_{hys_ori}为磁化曲线中过原点的局部磁滞回环的对应的近似电感值(H)；

L₁、L₂分别为电流互感器第二阶段和第三阶段电流互感器的近似励磁电感(H)；

A₁，A₂，A₃，A₄，B₁，B₂，B₃是求取退磁结束后的剩磁公式的中间变量。

Claims (3)

1.一种用于在线消除电磁式电流互感器剩磁的退磁电路，电流互感器的等效励磁电感(L_m)并联于二次侧，接地的绕线等效电阻(R_b)位于二次侧的一端；其特征在于，所述退磁电路包括一个由第三电阻(R₃)与电感(L)组成的串联结构，其中电感(L)两端还并接了第三开关(K₃)；该串联结构与第二电阻(R₂)及第一开关(K₁)均并联接于电流互感器二次侧的两端；第三电阻(R₃)的外端接地，电感(L)的外端通过第二开关(K₂)接至直流电源(V_dc)的一端，直流电压源(V_dc)的另一端接地；第二电阻(R₂)及第一开关(K₁)的非接地端之间设第一电阻(R₁)。

2.基于权利要求1所述电路的在线消除电磁式电流互感器剩磁的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在电流互感器正常运行的状态下，确认第一开关(K₁)闭合，第二开关(K₂)和第三开关(K₃)打开，此时退磁电路不投入使用；

(2)确认电流互感器一次侧开路后，依次打开第一开关(K₁)，闭合第二开关(K₂)，将直流电压源(V_dc)投入退磁电路中，给电流互感器和电感(L)充电，将电流互感器从未知的剩磁值充电至饱和状态；

(3)依次闭合第三开关(K₃)，打开第二开关(K₂)，不计损耗此时电感(L)流过恒定电流，电流互感器的励磁电感(L_m)放电；当励磁电流降为0时，电流互感器的剩磁达到最大饱和剩磁；

(4)打开第三开关(K₃)，此时流经电感(L)的电流流过电流互感器，给电流互感器的励磁电感(L_m)进行反方向充电；当电流互感器的励磁电流不再增大时，励磁电感(L_m)和电感(L)同时放电；放电结束后励磁电感的磁通为0，电流互感器的剩磁消除。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其步骤具体是：

(1)在电流互感器正常运行的状态下，确认第一开关(K₁)闭合，第二开关(K₂)和第三开关(K₃)打开，此时退磁电路不投入使用；

(2)确认电流互感器一次侧开路后，依次打开第一开关(K₁)，闭合第二开关(K₂)，将直流电压源(V_dc)投入退磁电路中，给电流互感器和电感(L)充电，将电流互感器从未知的剩磁值充电至饱和状态；利用电流互感器的饱和点信息(i_sat，λ_sat)，将这一阶段的电感近似为L₁，L₁的求解如公式(1)所示：

$L_1=\frac{{\mathrm{\λ}}_{sat}}{i_{sat}}---\left(1\right)$

考虑到从负的最大饱和剩磁充电到正的饱和磁通值时所用充电时间最长，负的最大饱和剩磁λ_{rem_max}为饱和磁通值的70％，此时电路充电的近似最大时间常数τ₁如式(2)所示；该参数用于确保下一开关，即第二开关(K₂)在充电完成后打开，充电持续三到五个最大时间常数后，近似认为充电完成；

${\mathrm{\τ}}_1=\frac{L_1}{R_1+R_b}=\frac{\[1-(-70\%)\]\×\frac{{\mathrm{\λ}}_{sat}}{i_{sat}}}{\frac{V_{dc}}{i_{sat}}}=1.7\×\frac{{\mathrm{\λ}}_{sat}}{V_{dc}}---\left(2\right)$

此时电流互感器的磁通值为λ_sat。当充电完成后，流过励磁电感L_m的电流为饱和电流i_sat，通过该参数确定电阻R₁的值；R₁能限制充电回路中的电流，使互感器的励磁电感不至于过饱和。

$R_1=\frac{V_{dc}}{i_{sat}}-R_b---\left(3\right)$

(3)依次闭合第三开关(K₃)，打开第二开关(K₂)，不计损耗此时电感(L)流过恒定电流，电流互感器的励磁电感(L_m)放电；当励磁电流降为0时，电流互感器的剩磁达到最大饱和剩磁；利用电流互感器的饱和点信息(i_sat，λ_sat)和最大饱和剩磁值λ_{rem_max}将这一阶段的电感近似为L₂，L₂的求解如公式(3)所示：

$L_2=\frac{{\mathrm{\λ}}_{sat}-{\mathrm{\λ}}_{rem\_max}}{i_{sat}}=0.3\×\frac{{\mathrm{\λ}}_{sat}}{i_{sat}}---\left(4\right)$

此时电路放电的近似最大时间常数τ₂如式(5)所示，该参数用于确保下一开关，即第三开关(K₃)在励磁电感放电完成后打开；放电持续三到五个最大时间常数后，近似认为放电完成；

${\mathrm{\τ}}_2=\frac{L_2}{R_1+R_b+R_2\left|\right|R_3}---\left(5\right)$

(4)打开第三开关(K₃)，此时流经电感(L)的电流流过电流互感器，给电流互感器的励磁电感(L_m)进行反方向充电；当电流互感器的励磁电流不再增大时，励磁电流值为i_{Lm_rev}，此时的磁通值为λ_rev；i_{Lm_rev}和λ_rev由下列公式计算得到：

$i_{Lm\_rev}=\frac{A_2{i}_{HC}}{{\mathrm{\λ}}_{rem\_max}}(e^{\frac{B_{2}ln\frac{C_2}{B_2}}{B_2-C_2}}-e^{\frac{C_{2}ln\frac{C_2}{B_2}}{B_2-C_2}})---\left(6\right)$

${\mathrm{\λ}}_{rev}=A_2(e^{\frac{B_{2}ln\frac{C_2}{B_2}}{B_2-C_2}}-e^{\frac{C_{2}ln\frac{C_2}{B_2}}{B_2-C_2}})+{\mathrm{\λ}}_{rem\_max}---\left(7\right)$

其中

$A_2=\frac{A_1}{\sqrt{{C_1}^2-4B_1{D}_1}},$

$B_2=\sqrt{\frac{{C_1}^2}{4{B_1}^2}-\frac{D_1}{B_1}}-\frac{C_1}{2B_1},$

$C_2=-\sqrt{\frac{{C_1}^2}{4{B_1}^2}-\frac{D_1}{B_1}}-\frac{C_1}{2B_1},$

$A_1=-\frac{{\mathrm{LVR}}_2{\mathrm{\λ}}_{rem\_max}}{R_3{i}_{HC}},$

$B_1=\frac{{\mathrm{\λ}}_{rem\_max}L}{i_{HC}},$

$C_1=\frac{{\mathrm{\λ}}_{rem\_max}(R_2+R_3)}{i_{HC}}+L(R_1+R_2+R_b),$

D₁＝(R₁+R₂+R_b)(R₂+R₃)-R₂ ²

i_HC为磁化曲线中磁滞回线的矫顽力；

磁化电流不再增大后，励磁电感(L_m)和电感(L)同时放电；

当满足如下公式时，能确保放电结束后励磁电感的磁通为0，电流互感器的剩磁消除；

$A_2(e^{\frac{B_{2}ln\frac{C_2}{B_2}}{B_2-C_2}}-e^{\frac{C_{2}ln\frac{C_2}{B_2}}{B_2-C_2}})+{\mathrm{\λ}}_{rem\_max}=L_{kys\_ori}\left(\frac{A_2{i}_{HC}}{{\mathrm{\λ}}_{rem\_max}}\right(e^{\frac{B_{2}ln\frac{C_2}{B_2}}{B_2-C_2}}-e^{\frac{C_{2}ln\frac{C_2}{B_2}}{B_2-C_2}}\left)\right)---\left(8\right)$

其中，L_{hys_ori}为磁化曲线中过原点的局部磁滞回环的对应的近似电感值；

通过上式，求得为使退磁后剩磁为0的退磁电路中所选的R₂、R₃、L的值；

上述各式中，各符号的含义：

L_m为电流互感器的励磁电感，单位H；

R_b为电流互感器二次侧的绕线等效电阻，单位Ω；

V_dc为退磁电路中的充电直流电压源的值，单位V；

R₁用于限制充电回路的电流，使励磁电感不至于过饱和；

L、R₂、R₃为为确保退磁后剩磁值为0计算得到的退磁电路所选元件参数值，单位分别为H，Ω，Ω，Ω；

K₁、K₂、K₃为退磁电路中开合的三个开关；

λ_sat为饱和磁通值，单位Wb；

i_sat为饱和电流值，单位A；

λ_{rem_max}为最大饱和剩磁值，单位Wb；

i_{Lm_rev}为反向充电过程中励磁电流的最大值，单位A；

λ_rev为在反向充电励磁电流最大时的磁通值，单位Wb；

i_HC为磁化曲线中磁滞回线的矫顽力，单位A；

L_{hys_ori}为磁化曲线中过原点的局部磁滞回环的对应的近似电感值，单位H；

L₁、L₂分别为电流互感器第二阶段和第三阶段电流互感器的近似励磁电感，单位H；

A₁、A₂、A₃、A₄、B₁、B₂、B₃是求取退磁结束后的剩磁公式的中间变量。