CN112731227A - 一种保护用电流互感器的残留剩磁检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种保护用电流互感器的残留剩磁检测方法，包括：构建测量电路，其中，测量电路包括依次串联连接的高频正弦波电压源、电流互感器和采样电阻；对测量电路进行建模，获得剩磁和采样电阻感应电压的二次谐波幅值关系；将检测设备接入电网中，在线运行或者离线运行条件下对采样电阻感应电压进行采样；利用采样电阻感应电压和测量电路模型参数计算得到电流互感器的剩磁。本发明可以广泛应用于保护用电流互感器的剩磁测量。

Description

一种保护用电流互感器的残留剩磁检测方法

技术领域

本发明是关于一种基于磁通门理论的保护用电流互感器(电流互感器，CurrentTransformer，简称CT)快速、在线的残留剩磁检测方法，涉及继电保护技术领域，特别涉及磁通门和电流互感器剩磁的检测。

背景技术

随着电力系统运行环境的日趋复杂和规模的不断增大，继电保护的可靠性受到严峻考验，而这在很大程度上取决于CT的传变特性。CT的核心结构是其封闭的铁心，在不断投入、切出运行过程中，由于铁磁材料的磁滞特性，将在铁心中留有剩磁。剩磁是一个非常重要的参数，会极大影响到CT饱和发生概率和饱和程度。剩磁在CT日常运行时不易消除，使得CT极易进入饱和状态，从而导致励磁电流激增，二次电流畸变，工作性能劣化，严重影响继电保护动作和监控系统决策的可靠性、速动性和选择性。

为了解决剩磁导致的CT饱和问题，现有技术主要集中在如何在传统的铁芯式CT二次侧加入消磁装置，使其能够大大减少饱和发生的概率。例如低频方波电压激励法，可变CT负载法或RL充放电法。但是上述方法的应用均受限于一次侧电流的有无，无法做到“在线”退磁。而造成局限性的重要原因是它们都无法检测铁芯的残留剩磁。近几十年来在铁芯剩磁值的检测方面，学术界、工业界的建模研究才刚起步，例如现有技术中有提出变压器剩磁大小与绕组变形在低频段的谐振点频率存在单调对应关系，因此可以通过变压器绕组变形的测量推算剩磁大小，但是这种方法不具普适性，一个模型只能对应同一种工艺设计的变压器；现有技术中还提出对待测变压器的空载合闸电磁暂态过程进行分析，用加载的直流激励模拟合闸前的剩磁，建立剩磁与电流变化值的对应关系式，拟合得到指数关系，但是精度不太高，且需要断开操作。目前应用较广泛的电压积分法是在变压器运行结束后通过外接检测电路记录分闸时线圈中电压波形，经过积分来求得铁芯剩磁值，这种方法受电路参数、铁心材料影响较大，且不具备在线实时性。

可见，现有技术中存在的一些方法还尚未成熟，尤其是不能行之有效地对CT铁芯剩磁进行在线原位检测。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种保护用电流互感器的残留剩磁检测方法，能够快速、实时、精确检测保护用CT剩磁。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种保护用电流互感器的残留剩磁检测方法，包括：

构建测量电路，其中，测量电路包括依次串联连接的高频正弦波电压源、电流互感器和采样电阻；

对测量电路进行建模，获得剩磁和采样电阻感应电压的二次谐波幅值关系；

将检测设备接入电网中，在线运行或者离线运行条件下对采样电阻感应电压进行采样；

利用采样电阻感应电压和测量电路模型参数计算得到电流互感器的剩磁。

所述的保护用电流互感器的残留剩磁检测方法，进一步地，高频正弦波电压源采用380V，50Hz正弦电压源通过全桥式电力电子拓扑变换成无偏置380V，380Hz高频正弦波电压源。

所述的保护用电流互感器的残留剩磁检测方法，进一步地，获得采样电阻感应电压二次波幅值与残留剩磁之间的关系是通过多次测量多组数据进行最小二乘法的线性拟合，得到残留剩磁率和感应电压二次谐波幅值之间的线性关系：

式中，μ₁、N和S分别是铁芯的磁导率、二次侧线圈匝数和铁芯的横截面积、ω为激励电流频率、H₀为激励磁场幅值、k为电路模型参数通过最小二乘法拟合得到。

所述的保护用电流互感器的残留剩磁检测方法，进一步地，利用采样电阻感应电压和测量电路模型参数k通过计算得到剩磁比例：依据公式(3)残留剩磁采用二次谐波电压除以k得到H₀。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明利用变电站中现有的380V，50Hz正弦电压源通过全桥式电力电子拓扑变换成无偏置380V，380Hz高频正弦波电压源接入CT二次侧，在不影响CT状态的情况下，可通过测量采样电阻端感应电压判断剩磁极性、应用磁通门原理进行快速傅里叶变换计算剩磁大小，可以在成本低、功耗低的前提下实现在线(检磁回路不影响CT的当前工作状态与传变特性，无需将电流互感器从输配电线路上拆除)、快速(仅需高频正弦波作用20ms，适合应用于自动重合闸操作)、精确(误差不超过10％)地检测CT的残留剩磁，对后续消磁工作的快速、高效、针对性地展开具有重大推进意义，本发明可以广泛应用于保护用电流互感器的剩磁测量。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明的残留剩磁检测方法工作流程图；

图2为本发明实施例的CT剩磁检测整体电路图；

图3为本发明实施例的电力电子变换器拓扑结构图；

图4为本发明实施例的预先测量的感应电压二次谐波幅值与剩磁的关系；

图5为本发明实施例的不同剩磁时的误差(一次侧通过工作电流)；

图6为本发明实施例的不同剩磁时的误差(一次侧不通过工作电流)。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

随着铁磁性材料的研究发展和电子技术的不断进步，磁通门现象得到了越来越多的关注，因其结构简单、灵敏度高、成本与功耗低、测量动态范围大等特点，被广泛应用于航天、电学、军事等诸多领域，为了便于理解，下面对与本发明相关的磁通门的原理性内容进行简单介绍。

磁通门的系统构造：磁回路是由交流电压源(VAC)和交直交AC/DC/AC变换器构成，生成无偏置高频正弦波电压接入CT二次侧，使铁芯正或负方向微饱和。剩磁的极性由采样电压的积分符号决定，剩磁的大小根据既定剩磁与采样电阻上电压高频分量的二次谐波之间的线性关系计算，这种线性关系可基于磁通门理论预先测量好。

磁通门原理公式推导：在本发明中，当通过电力电子变换器对内部磁场强度为H₀的CT铁芯磁场施加激励时(激励电流频率为ω，激励磁场幅值为H₀＝H_m·cosωt)，且当H_m小于铁芯磁饱和强度时，产生的感应电压U(t)为

U(t)＝-μωNSH_mcosωt (1)

式中，μ、N和S分别是铁芯的磁导率、二次侧线圈匝数和铁芯的横截面积。

由此可见，此时U(t)大小与H₀无关，即无法测量铁芯原有的内部磁场强度。而当H_m略大于铁芯磁饱和强度时，其磁导率变化明显，此时待测磁场能够被调制进感应电压U(t)中，产生的感应电压U(t)为

整理出其中的二次谐波项：

可见含H₀的项皆为ω的偶次谐波，且这些偶次谐波的幅值与H₀成正比例关系，比例系数是有关ω、N和S的常量，由电路参数与铁芯特性决定。

因此可以通过提取感应电压中偶次谐波信号的强度来衡量被测磁场的强度。而在所有偶次谐波中，二次谐波的幅值最大，灵敏度最高。因此本发明通过提取采样电阻上的二次谐波对待测剩磁强度进行检测。

最小二乘法原理：

给定数据(x_j，y_j)，j＝1，2，…，n

x	x<sub>1</sub>	x<sub>2</sub>	…	x<sub>n</sub>
					y＝f(x)	y<sub>1</sub>	y<sub>2</sub>	…	y<sub>n</sub>

设拟合函数形式为：

其中

部是已知的线性无关函数，求系数a_k使得下式最小：

取

得到最小二乘法拟合函数：

可以化简得到矩阵方程：

为，取

为代数多项式，上式可以化简为：

对于本发明，需要利用到一次拟合方程：

基于上述磁通门相关原理，如图1所示，本实施例提供的保护用电流互感器的残留剩磁检测方法，包括以下内容：

S1、构建适用于电网的测量电路

具体地，如图2所示，测量电路包括高频正弦波电压源和采样电阻Rt，高频正弦波电压源串联CT和采样电阻Rt。

在一些实现中，综合考虑到该正弦波激励对原电路影响的最小化、剩磁检测结果的最优化以及工业领域电源取材的最简化，高频正弦波电压幅值可以为380V，频率380Hz。

在一些实现中，如图3所示，高频正弦波电压源包括外接激励，串联桥式整流电路，在输出端并联电容后与四个MOSFET开关S_1-S_4、四个反并联二极管并联构成的单相桥式逆变电路；输入的交流电源通过桥式整流电路转化为直流电，并采用电容滤波通过单相桥式逆变电路获得频率和电压均可调的正弦交流电输出，外接激励采用无偏置的高频正弦波电压380V，50Hz正弦电压源通过常用的全桥式电力电子拓扑变换成无偏置380V，380Hz高频正弦波电压源，。

S2、电路建模：在实验室环境下对测量电路进行建模，得到剩磁和电压二次谐波幅值之间的关系。

具体地，通过测量得采样电阻Rt感应电压二次波幅值与残留剩磁之间的关系，可以通过多次测量多组数据进行最小二乘法的线性拟合，得到一个残留剩磁率和感应电压二次谐波幅值之间的线性关系，根据理论分析应当满足公式(3)所示的关系。

如图4所示预先测量的感应电压二次谐波幅值与剩磁的关系：由于CT外接入激励对原始磁场(待测的剩磁)进行了调制，得到了采样电阻Rt上感应电压二次谐波幅值与铁芯剩磁的关系曲线，感应电压二次谐波的幅值与铁芯的剩磁具有线性关系，这种线性关系是常数，取决于铁芯材料的固有属性，例如线圈匝数、线圈截面积等。

在实验室环境下需要测量计算得到公式(3)中需求的参数k，采用测量不同剩磁条件下的二次谐波电压，通过最小二乘法拟合可以得到公式(3)中的参数k。

图5为不同剩磁时的误差(一次侧通过工作电流)描述：由于二次谐波幅值-剩磁之间的线性表达式是通过最小二乘法拟合出来的，拟合过程中必然存在一定偏差，这会直接对剩磁的测量造成误差。误差曲线均分布于零轴的两侧，印证了拟合的线性表达式的正确性——让测量点均匀分布于拟合直线两侧。

S3、测量采样：将检测设备接入电网中，可以在在线运行或者离线运行条件下进行采样。

将测量装置连接到二次侧回路，测量采样电阻两端电压。可以在在线的条件下进行测量得到采样电阻两端电压，并通过示波器的傅里叶分析功能进行傅里叶分析得到二次谐波的幅值大小。

S4、计算剩磁：利用S3得到的采样电阻两端电压和实验室测得的电路模型如公式(3)中需要的k参数可以计算得到剩磁比例。

具体地，残留剩磁采用二次谐波电压除以公式(3)中的斜率k。

图6为不同剩磁时的误差(一次侧不通过工作电流)描述：在不通过工作电流时，误差相较通过工作电流时小。但是无论是否通过电流都可以将剩磁测量误差控制在10％以内，说明了方法的有效性。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种保护用电流互感器的残留剩磁检测方法，其特征在于包括：

构建测量电路，其中，测量电路包括依次串联连接的高频正弦波电压源、电流互感器和采样电阻；

对测量电路进行建模，获得剩磁和采样电阻感应电压的二次谐波幅值关系；

将检测设备接入电网中，在线运行或者离线运行条件下对采样电阻感应电压进行采样；

利用采样电阻感应电压和测量电路模型参数计算得到电流互感器的剩磁。

2.根据权利要求1所述的保护用电流互感器的残留剩磁检测方法，其特征在于，高频正弦波电压源采用380V，50Hz正弦电压源通过全桥式电力电子拓扑变换成无偏置380V，380Hz高频正弦波电压源。

3.根据权利要求1所述的保护用电流互感器的残留剩磁检测方法，其特征在于，获得采样电阻感应电压二次波幅值与残留剩磁之间的关系是通过多次测量多组数据进行最小二乘法的线性拟合，得到残留剩磁率和感应电压二次谐波幅值之间的线性关系：

式中，μ₁、N和S分别是铁芯的磁导率、二次侧线圈匝数和铁芯的横截面积、ω为激励电流频率、H₀为激励磁场幅值、k为电路模型参数通过最小二乘法拟合得到。

4.根据权利要求3所述的保护用电流互感器的残留剩磁检测方法，其特征在于，利用采样电阻感应电压和测量电路模型参数k通过计算得到剩磁比例：依据公式(3)残留剩磁采用二次谐波电压除以k得到H₀。

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