CN113589213A - 一种电网特殊负荷条件下互感器计量特性的试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种电网特殊负荷条件下互感器计量特性的试验方法，涉及试验方法技术领域，第一步：功率源选择。第二步：低阻抗一次电流回路设计。第三步：升流器设计。第四步：谐波电源发生器测试。结论：阻抗可忽略不计，约为6mΩ，略高于理论值5.5mΩ，比保守估计值16mΩ要小很多。本发明的有益效果在于：本发明方法过程简单，阻抗数值小。
Description
技术领域
本发明涉及试验方法技术领域，具体是涉及一种电网特殊负荷条件下互感器计量特性的试验方法。
背景技术
随着工业的发展和科技的进步,电力系统中接入了越来越多的大容量电力设备、整流换流设备及其它非线性负荷，这使得电力系统电压电流波形发生严重畸变，系统中的高次谐波对仪用电压互感器和电流互感器准确进行一二次侧变换造成一定影响，即二次侧输出的波形不能严格地和一次侧输入的波形符合从而造成误差。如果在转换过程中，被计量的电信号波形发生了变化，那么下一步的计量再准确也失去意义，系统中高次谐波的存在，要求仪用互感器具有理想的频率特性，即变比恒定，不随频率的改变而改变，目前系统中应用的电磁式电流或电压互感器原只用于对基波电压和基波电流的测量,这些互感器对于工频下的工作特性和测量误差已被确定，其变比误差和角误差能满足工程的要求，但如果用测量基波的互感器测量谐波，随着谐波频率的升高，互感器受漏阻抗和涡流的影响也越来越大，这时，互感器对谐波信号的变换过程中误差也要增大,从而降低了互感器的测量精度，而在110kV以上的电力系统中，电压互感器普遍采用的是CVT，CVT在设计时，为了提高整体测量准确度，在高压PT的一次侧串联了电抗器，使CVT成为一种仅限于50Hz左右测量的带通滤波器，在GB14549-93《电能质量-公用电网谐波》中明确规定CVT不能用于谐波测试，由此可见在谐波污染日益严重的电力系统中，测量用电压、电流互感器的测量准确度急需验证。而近几年在该方面也开展了一些工作，尤其是针对CVT测量误差的频率特性，不过在众多的研究中，测试方法却很少从计量学角度出发准确地测量电压互感器不同频率下得角差和比差，有很多实验中仅仅使用准确度1％的电能质量分析仪测试二次谐波含量的数值来计算谐波误差，并不能准确反映电压和电流互感器的频率特性，同时目前电力系统内电能质量的监测和电能的计量均需要从互感器二次采集信号，互感器的频率特性将严重影响电能质量的评估和电能计量的准确，因此十分有必要从电压、电流比例溯源的计量方法角度出发，对互感器的测量误差频率特性方法展开研究，设计一套能够准确测量的测试方法，研制具有较高测量准确度的电压电流比例标准，完成对电力系统用互感器的频率特性以及谐波对基波计量特性影响的相关实验，得到电压互感器测量误差谐波特性的准确数据，并研制高准确度的新型计量用电压、电流互感器，用于电力系统现场计量，解决传统互感器对高次谐波响应差的问题。
国内外研究概况
国外早在上个世纪就做了很多关于电压互感器的频率特性、谐波传递特性等研究。1984-1998年挪威研究人员就对其国内300kV和132kV变电站内电磁式电压互感器和CVT不同频率的测量误差进行了研究，研究表明电磁式电压互感器在29次谐波频率以下具有较小的误差，而CVT在几百赫兹时就具有较大的误差，而对电力互感器误差的测试使用的是标准宽频分压器和电能质量分析仪，受限于测试装置，在测试中仅对互感器的比值误差进行了测试，并未提及角差的数据。同样地，在1985年，新西兰研究人员对系统内220kV变电站内的CVT比例误差在不同频率(50Hz-2500Hz)下进行测试，测试中使用电阻分压器作为标准设备，同时使用一种互感器傅里叶分析测试仪器对其二次电压进行采样测试，测试中发现随着频率的变化，CVT的变比变化最大者降至了名义比例的1/10，该方法同样无法测量被测电压互感器的角度误差，同时其中使用的标准和测试设备的测量准确度并未给出。1991年美国路易斯安那州大学学者对电磁式电压互感器的谐波特性进行了测试，实验中采用六脉动整流桥作为负载，在实验电压中产生谐波，先通过升压PT将电压升至高压，将该电压作为被测PT的输入电压。【电流互感器，旧标CT(current transformer)新标：TA(transformerampere)
电压互感器，旧标PT(potential transformer)新标：TV(transformer volt)】分别用高压和低压探头监测被测PT的一次和二次电压，将两电压信号输入个人电脑，进行数据处理，可实现幅值和角度的测试，实验最高测试电压20kV。2005年英国学者在对新型CVT的谐波测试实验中，误差的测试同样使用的是谐波分析仪，整套装置测试准确度仅为5％。德国学者利用绝缘子和屏蔽电缆研制了用于测量谐波的新型电压传感器，对其误差测试时同样采用数字采集的方式，而宽频电压信号使用的是信号发生器，电压不超过10V。而该宽频电压传感器使用电压为10kV-35kV，显然测试数据并不能真实实际工作电压下的误差特性。除了搭建实验电路进行互感器不同频率下误差测试外，有些研究使用仿真的方法，根据装置的仿真电路或者模型仿真计算电压互感器的测量误差的宽频特性，主要的方法有传递函数法和电路模型法，使用仿真的方法可以很容易得到电压互感器的测量误差频率特性，然而仿真实验中必须使用对互感器各种参量的进行测量，测量的准确度将影响整个模型的仿真的精度，尤其是铁芯的非线性模型搭建往往不够准确。
在电压互感器的测量误差频率特性方面国内学者做了很多理论上的分析，分析主要集中在CVT上。当电网频率发生变化时，CVT中由电容分压器等值电容和补偿电抗器电感组成的LC串联谐振回路的额定工作点将发生偏置，内阻增加，导致测量误差的增加，常用的谐振阻尼器及速饱和电抗器型阻尼器均是频率敏感器件，其负荷随频率波动变化，使CVT产生新的误差。同时在电压互感器的宽频模型搭建与仿真上同样做了很多工作，大致内容与上面叙述的类似，这里不再赘述。电压互感器的误差频率特性的实验研究在国内还是比较少的，西安交通大学2001年研究人员进行了CVT在49.5Hz-50.5Hz条件下的误差频率特性实验，实验中使用电磁式电压互感器作为标准，使用互感器校验仪作为误差测量仪器，完成了CVT的比值差和角度差的测试，在49.5Hz-50.5Hz频率范围内电磁式电压互感器的测量准确度是可以保证的，因此该种方法测量结果的准确度会高些，但在更高频率下的误差测量中，电磁式电压互感器将无法作为标准使用，同时普通的互感器校验仪也无法完成误差的测试。2009年河南省电力科学研究院进行了同样的测试，使用相同的方法，以电磁式电压互感器为标准对CVT完成到了49.5Hz-50.5Hz下的误差测试，测试结果显示±1％的频率变化对CVT的误差有较大的影响。2013年河南省电力科学研究院依托国家电网公司“电力谐波特性分析评估技术实验室”电能质量综合试验研究平台，针对实际CVT装置，开展了CVT谐波传递特性和测量误差的实际物理试验研究，测试中以RCVT作为宽频标准(准确度<1％)，完成了CVT和电磁式电压互感器不同谐波频率下的误差测试，得到的误差数据与仿真计算结果较为接近。不过测试中误差的测量装置为FLUKE1760电能质量分析仪，谐波测量准确度1％，并且无法测量角度差，虽然研究中测试了CVT对不同谐波次数的信号的转换误差，但测试准确度并不高，且无角差数据，因此测试方法还有待完善。
综上，虽然已经从电路、传递函数等多种仿真途径证明互感器在谐波条件下具有较大的测量误差，而对于互感器频率特性的实验研究较少，尤其是具有高准确度测量装置的实验研究。
发明内容：为了克服现有技术存在的缺点，本发明提出了一种电网特殊负荷条件下互感器计量特性的试验方法：
第一步：功率源选择
功率放大器采用7548功率放大器，它可提供最高达141Vrms的输出电压，或30Arms的输出电流，为获得更高的电压或电流，采用多台串联或并联的方式运行。
谐波电流发生器由信号发生器、功率放大器、升流器构成；为实现最大600Arms，50Hz～2500Hz的输出能力，高频电流下的一次回路阻抗将构成最大的障碍，为此对一次电流回路阻抗进行了测试，试验原理图如图1所示。
利用信号发生器对功率放大器输入不同频率的信号电压，相应的在一次电流回路中产生相应频率的电流，图1中升流器一次绕组匝数为20匝，二次绕组匝数为单匝，一根100A大电流导线构成了升流器的二次绕组，其长度为5m，理论直流电阻为4.5mΩ，布置为一个直径约为1.5m的圆形，电阻R为一个高准确度宽频分流器(0.8V/100A)，其理论阻值为8mΩ，其杂散电容和电感在本试验中可忽略不计，U为升流器二次输出电压，即被测电流互感器的输入电流回路电压，利用数字多用表测量其幅值，UR为电阻R的压降，将电压U、UR分别输入锁相放大器的参考输入端和单端输入，即可测得UR相对于U的相角差及其幅值，进而可计算升流器二次回路的电流和电感。试验数据如图2所示。
计算回路电阻和电感如图3所示；图3可见，在电流频率为2500Hz时，该回路的阻抗接近60mΩ，这是一个非常大的值。为此将一次电流回路进行双绞处理，尽量减小回路面积，重新进行以上试验，试验数据如图4所示，计算得回路电阻和电感如图5所示。
回路电感减小了接近一半，在电流频率为2500Hz时，该回路的阻抗为33mΩ。不应忽略的是，升流器的铁质外壳，由于涡流作用，构成了该阻抗的一部分；从图3和图5发现，该回路阻抗在低频时主要取决于回路直流电阻的大小，在高频时则主要取决于回路感抗的大小。利用式(1)和式(2)计算矩形回路的理论电感(3)，其中h为矩形回路的长度，W为矩形回路的宽度，d为导线直径；利用式如下计算圆形回路的理论电感，其中D为回路等效直径，d为导线直径，其中：导线长度5m，直径10mm。理论计算数值如图6所示。
比较图3-图5，回路电感理论值和实测值的最大误差约为20％，考虑到实际测量时的条件无法完全与理论假设相符，这个误差是可以接受的。图6的最后一行的回路参数大致等效于将回路双绞处理，即图5的情况，此时误差较小。
第二步：低阻抗一次电流回路设计
由第一步的试验可知，即使尽可能的减小一次电流回路的面积并进行导线双绞处理，在2500Hz下，该回路的阻抗仍然达到了33mΩ，难以实现输出600Arms，2500Hz一次电流的能力；
第二步具体设计了鼠笼形一次电流回路，该回路具有以下优点：
(1)鼠笼式的同轴结构极大的降低回路感抗；
(2)可以内部集成升流器，使得回路结构更加紧凑，有利于降低回路感抗；
增大了等效一次导体截面积，大大降低了一次回路的直流电阻。
利用鼠笼回路的尺寸参数，可计算得其同轴结构的理论电感为0.35μH，考虑到其并非一个完整的同轴结构，保守估计其电感为1μH。
则鼠笼回路在2500Hz下的阻抗理论值为5.5mΩ，保守估计为16mΩ。
第三步：升流器设计
将三台7548功率放大器并联，其中最大输出电流为87A，输出电压为117V，输出功率为10.1kW；在升流器的二次得到单匝600A的电流，为充分利用功率放大器的电流输出能力，升流器的一次匝数设计为8匝；升流器二次回路电压为回路电流与回路阻抗的乘积，在2500Hz时，二次回路电压为20V，升流器的一次绕组电压为160V，超出了功率放大器的输出能力；
因此必须进一步降低回路阻抗；电流频率为2500Hz，若能够将一次电流回路阻抗降低至20mΩ，当升流器输出600A时，升流器二次单匝输出电压为12V，则升流器的一次绕组电压为96V，一次绕组电流为75A；即功率放大器的输出电压为96V，输出电流为75A，充分发挥了功率放大器的输出能力；
设计的升流器铁心截面如图7所示：
其截面积大小A＝0.01m2；
考虑硅钢片叠片系数η＝0.95，则其有效截面积为A＝0.095m2；
设铁心饱和磁密为Bm＝1.6T；
则饱和磁通为BmA＝0.0152T/m2
当f＝50Hz，该铁心上的单匝绕组最大感应电压为3.38V，当f＝2500Hz，并考虑铁心磁导率的下降，该铁心上的单匝绕组最大感应电压为80V。
第四步：谐波电源发生器测试
使用2台7548功率放大器作为电源，进行谐波电源发生器的试验。鼠笼回路内一共有三层，最下方的一层放置升流器，中间一层放置的互感器作为一次回路负载，并监测一次试验电流；
试验中最大的问题是因为一次回路在高频下的阻抗，它会造成功率放大器无法输出过高的电压；试验中监测功率放大器的输出电压和输出电流，保证其工作在安全工作区，另外监测一次回路的输出电流；分别在50Hz下和2500Hz下进行该试验。
试验数据如图8所示。
结论：该试验回路能够输出超过600A，频率为2500Hz的电流，满足设计要求；另外，通过升流器的匝数比，由功率放大器的输出电压可以推算鼠笼回路的单匝电压，进而可计算出鼠笼回路的阻抗，包含作为负载的互感器，其阻抗可忽略不计，约为6mΩ，可见其略高于理论值5.5mΩ，比保守估计值16mΩ要小很多。
一种一次电流回路阻抗测试装置，其结构为：信号发生器与功率放大器连接，功率放大器和升流器连接，升流器和一次电流回路连接，一次电流回路上设置有电阻R，一次电流回路还与数字多用表和锁相放大器连接。
本发明的有益效果在于：本发明方法过程简单，阻抗数值小。
附图说明
图1为一次电流回路阻抗测试电路图；
图2为升流器二次回路电感阻抗测试试验数据；
图3为升流器二次回路电感阻抗计算结果；
图4为双绞一次电流回路阻抗测试试验数据；
图5为双绞一次电流回路阻抗测试试验数据；
图6为回路理论电感数据；
图7为升流器截面图；
图8为谐波电源发生器输出电流测试数据。
具体实施方式
实施例1，一种电网特殊负荷条件下互感器计量特性的试验方法：
第一步：功率源选择
功率放大器采用7548功率放大器，提供最高达141Vrms的输出电压，或30Arms的输出电流，为获得更高的电压或电流，采用多台串联或并联的方式运行；
第二步：低阻抗一次电流回路设计
由第一步的试验可知，尽可能的减小一次电流回路的面积并进行导线双绞处理，在2500Hz下该回路的阻抗仍然达到了33mΩ，难以实现输出600Arms，2500Hz一次电流的能力，因此第二步具体设计了鼠笼形一次电流回路，鼠笼式的同轴结构降低回路感抗；同时内部集成升流器，回路结构更加紧凑，有利于降低回路感抗；
增大了等效一次导体截面积，降低了一次回路的直流电阻。
利用鼠笼回路的尺寸参数，计算得其同轴结构的理论电感为0.35μH，
其并非一个完整的同轴结构，保守估计其电感为1μH；
则鼠笼回路在2500Hz下的阻抗理论值为5.5mΩ，保守估计为16mΩ；
第三步：升流器设计
进一步降低回路阻抗；电流频率为2500Hz，若能够将一次电流回路阻抗降低至20mΩ，当升流器输出600A时，升流器二次单匝输出电压为12V，则升流器的一次绕组电压为96V，一次绕组电流为75A；即功率放大器的输出电压为96V，输出电流为75A，充分发挥了功率放大器的输出能力；
其截面积大小A＝0.01m2；
考虑硅钢片叠片系数η＝0.95，则其有效截面积为A＝0.095m2；
设铁心饱和磁密为Bm＝1.6T；
则饱和磁通为BmA＝0.0152T/m2
当f＝50Hz，该铁心上的单匝绕组最大感应电压为3.38V，当f＝2500Hz，并考虑铁心磁导率的下降，该铁心上的单匝绕组最大感应电压为80V；第四步：谐波电源发生器测试
使用2台7548功率放大器作为电源，进行谐波电源发生器的试验；鼠笼回路内一共有三层，最下方的一层放置升流器，中间一层放置的互感器作为一次回路负载，并监测一次试验电流；
试验中的问题是一次回路在高频下的阻抗，它会造成功率放大器无法输出过高的电压；试验中监测功率放大器的输出电压和输出电流，保证其工作在安全工作区，另外监测一次回路的输出电流；分别在50Hz下和2500Hz下进行该试验；
结论：该试验回路能够输出超过600A，频率为2500Hz的电流，满足设计要求；另外，通过升流器的匝数比，由功率放大器的输出电压推算鼠笼回路的单匝电压，进而计算出鼠笼回路的阻抗，包含作为负载的互感器，其阻抗可忽略不计，约为6mΩ，可见其略高于理论值5.5mΩ，比保守估计值16mΩ要小很多。
一种一次电流回路阻抗测试装置，其结构为：信号发生器与功率放大器连接，功率放大器和升流器连接，升流器和一次电流回路连接，一次电流回路上设置有电阻R，一次电流回路还与数字多用表和锁相放大器连接。
Claims (2)
1.一种电网特殊负荷条件下互感器计量特性的试验方法，其特征在于：第一步：功率源选择
功率放大器采用7548功率放大器，提供最高达141Vrms的输出电压，或30Arms的输出电流，为获得更高的电压或电流，采用多台串联或并联的方式运行；
第二步：低阻抗一次电流回路设计
由第一步的试验可知，尽可能的减小一次电流回路的面积并进行导线双绞处理，在2500Hz下该回路的阻抗仍然达到了33mΩ，难以实现输出600Arms，2500Hz一次电流的能力，因此第二步具体设计了鼠笼形一次电流回路，鼠笼式的同轴结构降低回路感抗；同时内部集成升流器，回路结构更加紧凑，有利于降低回路感抗；
增大了等效一次导体截面积，降低了一次回路的直流电阻；
利用鼠笼回路的尺寸参数，计算得其同轴结构的理论电感为0.35μH，其并非一个完整的同轴结构，保守估计其电感为1μH；
则鼠笼回路在2500Hz下的阻抗理论值为5.5mΩ，保守估计为16mΩ；
第三步：升流器设计
进一步降低回路阻抗；电流频率为2500Hz，若能够将一次电流回路阻抗降低至20mΩ，当升流器输出600A时，升流器二次单匝输出电压为12V，则升流器的一次绕组电压为96V，一次绕组电流为75A；即功率放大器的输出电压为96V，输出电流为75A，充分发挥了功率放大器的输出能力；
其截面积大小A＝0.01m2；
考虑硅钢片叠片系数η＝0.95，则其有效截面积为A＝0.095m2；
设铁心饱和磁密为Bm＝1.6T；
则饱和磁通为BmA＝0.0152T/m2
当f＝50Hz，该铁心上的单匝绕组最大感应电压为3.38V，当f＝2500Hz，并考虑铁心磁导率的下降，该铁心上的单匝绕组最大感应电压为80V；
第四步：谐波电源发生器测试
使用2台7548功率放大器作为电源，进行谐波电源发生器的试验；
鼠笼回路内一共有三层，最下方的一层放置升流器，中间一层放置的互感器作为一次回路负载，并监测一次试验电流；
试验中的问题是一次回路在高频下的阻抗，它会造成功率放大器无法输出过高的电压；试验中监测功率放大器的输出电压和输出电流，保证其工作在安全工作区，另外监测一次回路的输出电流；分别在50Hz下和2500Hz下进行该试验；
结论：该试验回路能够输出超过600A，频率为2500Hz的电流，满足设计要求；另外，通过升流器的匝数比，由功率放大器的输出电压推算鼠笼回路的单匝电压，进而计算出鼠笼回路的阻抗，包含作为负载的互感器，其阻抗忽略不计为6mΩ左右，其高于理论值5.5mΩ，比保守估计值16mΩ要小。
2.一种一次电流回路阻抗测试装置，其特征在于：信号发生器与功率放大器连接，功率放大器和升流器连接，升流器和一次电流回路连接，一次电流回路上设置有电阻R，一次电流回路还与数字多用表和锁相放大器连接。
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