CN114019212A - 一种中性点多点入地电力变压器的直流偏磁电流测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种中性点多点入地电力变压器的直流偏磁电流测量方法，包括：步骤一、在每根接地扁钢上截取相同长度的取样扁钢作为采样电阻，在其中一个取样扁钢的两端施加一个电流源；步骤二、在每个取样扁钢截取长度两端接入电压表，采样其电压信号；步骤三、电流源分两次施加不同大小的电流，各取样扁钢分别提取两次电流工况下的电压信号，通过已知的电流和电压信号，在考虑中性点固有的入地电流条件下，换算得到采样电阻实际阻值，进而测量每根扁钢上流过的直流偏磁电流信号。本发明可以实现对电力变压器中性点在多接地扁钢入地时的直流偏磁电流准确测量，适用于现场检测和在线监测，较传统的霍尔传感器，具有无温漂、可在线校准的特点。

Description

一种中性点多点入地电力变压器的直流偏磁电流测量方法

技术领域

本发明涉及电力系统中电气参数测量技术领域，具体是一种中性点多点入地电力变压器的直流偏磁电流测量方法。

背景技术

当直流输电系统单极大地或双极不平衡工况运行时，直流电流通过直流接地极注入大地，交流输电系统通过接地的变压器中性点、输电线路及架空线路地线与大地构成并联回路，对直流入地电流进行分流，分流大小可达数十安培，这一现象称为直流偏磁现象，会使变压器励磁电流畸变，铁芯饱和，同时影响铁芯硅钢片的磁致伸缩特性，导致变压器振动噪声加剧，绝缘损坏，严重危害变压器的安全稳定运行。因此，对变电站、电厂、牵引站等场所内的电力变压器中性点，进行直流偏磁电流测量显得十分重要。

传统测量中性点直流电流的方法基于霍尔传感器，霍尔传感器受温度变化的影响较大，存在零漂现象，测量前需校准，但很难对霍尔传感器进行在线校准。与之相比，基于电阻取样法测量直流电流的传感器测量精确度高，稳定性好，其电阻与环境温度基本成线性关系，便于校正，且安装简单，可在带电条件下安装，与霍尔传感器相比优势明显。

目前变电站和电厂内电力变压器的中性点多为双接地扁钢入地(部分甚至有四点接地)，通过两路入地点，提高中性点接地系统的可靠性。传统的基于接地扁钢的电阻采样电流测量方法，因入地回路的改变，使得测量结果引入了分流参量，数据结果失真。实用新型专利《一种用于电力变压器中性点直流偏磁的电流测量装置》(专利公开号：CN210572464U)也曾基于电阻采样法，提出了一种适用于中性点双入地扁钢的直流偏磁电流测量装置，该装置对每个采样电阻扁钢均需接入电流源，装置的复杂程度较高，现场使用困难，且无法适用于四接地点等多点入地工况下的直流偏磁电流测量。

发明内容

针对变电站和电厂内电力变压器中性点多点入地，传统电阻采样直流偏磁电流测量方法测量结果失真的问题，本发明提出了一种适用于中性点多点入地(例如双接地扁钢、四接地扁钢等多入地点)电力变压器的直流偏磁电流测量方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种中性点多点入地电力变压器的直流偏磁电流测量方法，电力变压器中性点通过至少两根接地扁钢接入变电站地网，所述方法包括如下步骤：

步骤一、在每根接地扁钢上截取相同长度的取样扁钢作为采样电阻，在其中一个取样扁钢的两端施加一个电流源；

步骤二、在每个取样扁钢截取长度两端接入电压表，采样其电压信号；

步骤三、电流源分两次施加不同大小的电流，各取样扁钢分别提取两次电流工况下的电压信号，通过已知的电流和电压信号，在考虑中性点固有的入地电流条件下，换算得到采样电阻实际阻值，进而测量每根扁钢上流过的直流偏磁电流信号。

进一步的，每根接地扁钢上截取的取样扁钢的长度为1m～1.5m。

进一步的，步骤三具体包括：假设中性点的接地扁钢数为N，N大于等于2，记中性点流过电流为I_X，流源所加电流为I₀，中性点电流流经扁钢a的分量为I_Xa，其中1≤a≤N，电流源的电流流经扁钢a的分量为I_a，取样扁钢电阻为R_X；

电压表Va示数为：

U_a＝(I_Xa+I_a)R_X (1)

由整个回路的电流关系得：

由式(1)和式(2)得：

U₁+…+U_n＝(I_X1+…I_Xn+I₁+…I_n)R_X＝(I_X+I₀)R_X (3)

式中I_X和R_X为未知量，U₁—U_n会随所加电流I₀的变化而变化，施加两个大小不同的电流I₀得到关于I_X和R_X的二元一次方程组，从而求解出I_X和R_X的值。

进一步的，施加两个大小不同的电流I₀得到关于I_X和R_X的二元一次方程组，从而求解出I_X和R_X的值，具体为：令电流源施加两个大小不同的电流I₀，记第一次所加I₀值为I₀₁，此时电压表示数分别为U₁₁—U_n1；第二次所加I₀值为I₀₂，此时电压表示数分别为U₁₂—U_n2；

则有：

由式(4)可得：

由此得出采样电阻R_X的值和中性点流过电流I_X的值。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明可以实现对电力变压器中性点在多接地扁钢入地时的直流偏磁电流准确测量，适用于现场检测和在线监测，较传统的霍尔传感器，具有无温漂、可在线校准的特点；

2、该方法中只需要一套电流源装置，电流源施加两次即可得到采样电阻阻值，实现多接地扁钢上流经的测量，装置简单，现场易安装和实施；

3、该方法通过误差分析，可知不同扁钢采样电阻的长度误差对实测电流结果的误差影响可以满足2％的测量精度要求，不会增大现场安装实施难度。

附图说明

图1是本发明中性点多点入地电力变压器的直流偏磁电流测量方法的示意图；

图2是本发明实施例两根采样扁钢长度误差与准确度的关系图；

图3是本发明实施例I₀和U₁+U₂关系拟合曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

对于同一变电站，无法直接变更中性点接地扁钢的数量，在扁钢与支柱杆接触面之间安装电阻又会改变中性点的接地方式，为避免以上情况，本发明实施例直接截取接地扁钢的一段作为采样电阻进行电流测量，结合施加电流源和标准电阻，提出一种中性点多点入地电力变压器的直流偏磁电流测量方法，以减小测量误差，所述方法包括如下步骤：

如图1所示，假设中性点的接地扁钢数为N(N大于等于2)，在每一根扁钢上都截取相同长度的取样扁钢作为采样电阻(多接地扁钢通常为相同的材质和尺寸的特点，截取相同长度作为采样电阻时，其采样阻值相等)，在每个取样扁钢截取长度两端安装电压表，记中性点流过电流为I_X，恒流源所加电流为I₀，中性点电流流经扁钢a的分量为I_Xa(1≤a≤N)，恒流源电流流经扁钢a的分量为I_a，取样扁钢电阻为R_X；

电压表Va示数为：

U_a＝(I_Xa+I_a)R_X (1)

由整个回路的电流关系得：

由式(1)和式(2)得：

U₁+…+U_n＝(I_X1+…I_Xn+I₁+…I_n)R_X＝(I_X+I₀)R_X (3)

式中I_X和R_X为未知量，正常情况下I_X在短时间内的变化极小，可忽略不计，U₁—U_n会随所加电流I₀的变化而变化，施加两个大小不同的电流I₀可得到关于I_X和R_X的二元一次方程组，从而求解出I_X和R_X的值。

具体的，令电流源施加两个大小不同的电流I₀，记第一次所加I₀值为I₀₁，此时电压表示数分别为U₁₁—U_n1；第二次所加I₀值为I₀₂，此时电压表示数分别为U₁₂—U_n2；

则有：

由式(4)可得：

由此可得出采样电阻R_X的值和中性点流过电流I_X的值。

扁钢接地时的采样电阻计算及误差分析：

目前的变电站内主变中性点多为2扁钢接地系统，用上述结论进行对2扁钢接地系统进行分析，在未安装电流源的扁钢上取相同长度，安装与传感器内部相同的电压表，记中性点流过电流为I_X，恒流源所加电流为I₀，中性点电流流经扁钢1的分量为I_X1，流经扁钢2的分量为I_X2；恒流源所加电流在扁钢1上的分量为I₁，在扁钢2上的分量为I₂，取样部分电阻值为R_X。

则电压表V1的示数为：

U₁＝(I_X1+I₁)R_X (6)

同理电压表V2示数为：

U₂＝(I_X2+I₂)R_X (7)

由整个回路的电流关系得：

由式(6)和式(7)得：

U₁+U₂＝(I₀+I_X)R_X (9)

记第一次所加I₀值为I₀₁，此时电压表示数分别为U₁₁和U₂₁；第二次所加I₀值为I₀₂，此时电压表示数分别为U₁₂和U₂₂，则有：

由式(10)可得：

由此可得出2扁钢接地中性点采样电阻R_X的值及中性点流过电流I_X的值。

上述(11)式成立的绝对条件是在每根扁钢上所截取的长度完全相同，但在实际的人为操作中无法做到这一点，故用式(5)进行采样电阻计算仍存在误差，现对误差进行分析，记在安装传感器的扁钢为扁钢1，截取的长度为L₁，另一根扁钢为扁钢2，扁钢1和扁钢2的总长度为L，考虑人为操作误差的存在，截取的实际长度为L₂，扁钢2上截取部分的实际阻值为R₂，式(10)中的R_X以L₁为标准得出。

扁钢2上截取部分的阻值为：

电压表V2的示数为：

U₂＝(I_X2+I₂)R₂ (13)

由式(11)、式(12)和式(13)可得：

式(11)和式(14)中的R_X分别为理论计算值和实际值，综上得R_X的测量值和实际值之间的相对误差为：

由式(15)可以看出，当L₂＞L₁时相对误差为正，即测量结果偏大，反之则偏小，记L₂与L₁间的差为：

ΔL＝L₂-L₁ (16)

由式(15)和式(16)得：

可以看出，绝对误差是关于扁钢总长度和在两根扁钢上截取长度的差值的函数，对于两扁钢接地中性点而言，扁钢总长度一般为10米左右，偏短的情况也在2米以上，由此结合实际工况可得该方法中，两根接地扁钢下的误差情况如图2所示。计算结果分析可知，两根取样扁钢的安装长度差小于0.04m，可以保证测量误差在2％范围内，其取样扁钢长度通常为1m～1.5m，0.04m的安装误差控制现场容易实施。

两扁钢系统下的实验验证：

实验采用双扁钢回路进行，扁钢1和扁钢2的长度都为2米，在两根扁钢上截取的长度为1米，从直流源加入多次大小不同的直流电流，记录每个电流下电压表V1和V2的示数，由式(10)可知R_X为横坐标为所加直流电流大小，纵坐标为电压表V1和V2示数之和的函数的斜率。

加入了多组直流电流I₀，所加电流和电压表示数如表1所示：

表1电流和电压数值表

I<sub>0</sub>(A)	20.36	30.51	40.45	49.79	60.50
						U1(μV)	2423	3562	4652	5710	5803
U2(μV)	3550	5250	6867	8417	10060
						U1+U2(μV)	5973	8812	11519	14127	16863

由上表数据画出U1+U2和I₀函数图像，如图3所示，其斜率即为截取段的电阻值R_X，斜率值为272.1，单位为μΩ，即R_X＝272.1μΩ。

得到R_X的值之后，加入多组不同值的I₀，比较用截取电阻R_X和霍尔原件测量所得的直流电流值，减去相应零漂之后所得数据如表2所示：

表2两种方式在不同直流电流下测得数值

由表2可以看出，运用通过标定法得到的截取电阻R_X在不同直流电流下测得的电流与减去零漂的霍尔元件测得的电流大致相同，误差在2％以内，证明了本发明所述方法的准确性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种中性点多点入地电力变压器的直流偏磁电流测量方法，电力变压器中性点通过至少两根接地扁钢接入变电站地网，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤一、在每根接地扁钢上截取相同长度的取样扁钢作为采样电阻，在其中一个取样扁钢的两端施加一个电流源；

步骤二、在每个取样扁钢截取长度两端接入电压表，采样其电压信号；

步骤三、电流源分两次施加不同大小的电流，各取样扁钢分别提取两次电流工况下的电压信号，通过已知的电流和电压信号，在考虑中性点固有的入地电流条件下，换算得到采样电阻实际阻值，进而测量每根扁钢上流过的直流偏磁电流信号。

2.如权利要求1所述的中性点多点入地电力变压器的直流偏磁电流测量方法，其特征在于：每根接地扁钢上截取的取样扁钢的长度为1m～1.5m。

3.如权利要求1所述的中性点多点入地电力变压器的直流偏磁电流测量方法，其特征在于：步骤三具体包括：假设中性点的接地扁钢数为N，N大于等于2，记中性点流过电流为I_X，电流源所加电流为I₀，中性点电流流经扁钢a的分量为I_Xa，其中1≤a≤N，电流源的电流流经扁钢a的分量为I_a，取样扁钢电阻为R_X；

电压表Va示数为：

U_a＝(I_Xa+I_a)R_X (1)

由整个回路的电流关系得：

由式(1)和式(2)得：

U₁+…+U_n＝(I_X1+…I_Xn+I₁+…I_n)R_X＝(I_X+I₀)R_X (3)

式中I_X和R_X为未知量，U₁—U_n会随所加电流I₀的变化而变化，施加两个大小不同的电流I₀得到关于I_X和R_X的二元一次方程组，从而求解出I_X和R_X的值。

4.如权利要求3所述的中性点多点入地电力变压器的直流偏磁电流测量方法，其特征在于：施加两个大小不同的电流I₀得到关于I_X和R_X的二元一次方程组，从而求解出I_X和R_X的值，具体为：令电流源施加两个大小不同的电流I₀，记第一次所加I₀值为I₀₁，此时电压表示数分别为U₁₁—U_n1；第二次所加I₀值为I₀₂，此时电压表示数分别为U₁₂—U_n2；

则有：

由式(4)可得：

由此得出采样电阻R_X的值和中性点流过电流I_X的值。

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