電子式電流互感器測(cè)試方法研究

于 旭,姜瀚書,王漢杰

(國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院,長(zhǎng)春 130021)

數(shù)字化、智能化的電子式電流 /電壓互感器是電力互感器未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。傳感元件是電子式互感器必不可少的組成部分。洛科夫斯基(Rogowski)線圈以其不飽和性和易實(shí)現(xiàn)性被廣泛用于電子式電流互感器高壓側(cè)的傳感單元中[1-3]。目前已有大量的研究表明基于 Rogowski線圈的電子式電流互感器測(cè)量穩(wěn)態(tài)交流電流時(shí)能獲得較好的測(cè)量精度[4-6]。然而,由于故障電流的暫態(tài)過(guò)程含有豐富的諧波成分和衰減的非周期分量,而且基于Rogowski線圈的電子式電流互感器采用電子電路進(jìn)行信號(hào)處理,電子電路對(duì)輸出信號(hào)能否真實(shí)反映被測(cè)電流的暫態(tài)過(guò)程也有著重要影響。實(shí)驗(yàn)表明,適用于測(cè)量穩(wěn)態(tài)交流的電子式電流互感器并不一定能良好地測(cè)量故障暫態(tài)電流[7]。低功耗線圈原理(LPCT)作為一種電磁式電流互感器,具有輸出靈敏度高、技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、易于大批量生產(chǎn)等特點(diǎn);此外,由于其二次負(fù)荷較小,加上高導(dǎo)磁鐵心材料的應(yīng)用,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大動(dòng)態(tài)范圍電流的測(cè)量[8]。

500kV金城一次變結(jié)合兩種線圈的優(yōu)點(diǎn),在一次電流值小于 1．5倍額定電流值時(shí)由低功耗線圈提供測(cè)量用和保護(hù)用信號(hào),當(dāng)一次電流值大于 1．5倍額定電流值時(shí)由Rogowski線圈提供保護(hù)用信號(hào)。在這種運(yùn)行方式下的電子式互感器,給現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試人員帶來(lái)一定的困難,傳統(tǒng)的升流裝置并不能將一次電流值升到 1．5倍額定電流值觸發(fā)量程切換,無(wú)法對(duì)Rogowski線圈進(jìn)行極性和準(zhǔn)確度測(cè)試,因而提出采用一種虛擬大電流法,即在采集卡低功率線圈輸入端子加入模擬小信號(hào),觸發(fā)量程切換,使 Rogowski線圈采集數(shù)據(jù)并輸出,以測(cè)試其誤差和極性并得到了預(yù)期的效果。

1 電子式互感器原理

1．1 低功耗線圈原理(LPCT)

低功耗線圈是常規(guī)電磁式電流互感器的一種改進(jìn),按照高阻抗進(jìn)行設(shè)計(jì),使常規(guī)電流互感器在很高的一次電流下出現(xiàn)飽和的基本特性得到改善,擴(kuò)大了測(cè)量范圍[9]。低功耗線圈原理見圖 1。

圖1 低功耗線圈結(jié)構(gòu)原理圖

與傳統(tǒng)電流互感器的 I/I變換不同,低功耗線圈通過(guò)一個(gè)分流電阻 Ra將二次電流轉(zhuǎn)換成電壓輸出,實(shí)現(xiàn)I/V變換。低功耗線圈一般在50%～ 120%額定電流下線性度較好,精度較高(通常為 0．1/0．2 S級(jí)),適用于測(cè)量和高精度計(jì)量。

1．2 Rogowski線圈原理

洛科夫斯基線圈是一種特殊結(jié)構(gòu)的空心線圈,將測(cè)量導(dǎo)線均勻地纏繞在截面均勻的非磁性材料的框架上,導(dǎo)線兩端接上采樣電阻即構(gòu)成了 Rogowski線圈 (見圖 2)[10]。

圖2 Rogowski線圈結(jié)構(gòu)圖

若_為磁導(dǎo)率,線圈匣數(shù)密度n及線圈截面積s均勻,則線圈感應(yīng)電壓e(t)為：

式 1表明：空心線圈的感應(yīng)信號(hào)與被測(cè)電流的微分成正比,經(jīng)積分變換等信號(hào)處理獲得被測(cè)電流的大小。e(t)經(jīng)過(guò)積分變換及模一數(shù)變換后,再經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為光信號(hào),即可得到表示一次電流的數(shù)字光信號(hào)。

2 電子式互感器測(cè)試方法

2．1 低功耗線圈測(cè)試方法

電子式互感器的誤差檢測(cè)與傳統(tǒng)互感器存在很大差別,原因在于被試電流互感器二次側(cè)輸出為數(shù)字信號(hào),無(wú)法與標(biāo)準(zhǔn)電流互感器二次輸出進(jìn)行直接比對(duì),因此,必須將標(biāo)準(zhǔn)或被試的二次輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以進(jìn)行比較的信號(hào),通過(guò)相應(yīng)的算法得出比差和角差。電子式電流互感器測(cè)試接線如圖3所示。由于采用直接測(cè)量方式,此時(shí)對(duì)校驗(yàn)裝置的準(zhǔn)確度要求較高(采樣變換回路與標(biāo)準(zhǔn)互感器整體準(zhǔn)確度等級(jí)應(yīng)不低于 0．05 S級(jí) )。

圖3 電子式電流互感器測(cè)試接線圖

電子互感器的比值誤差定義與常規(guī)互感器的誤差定義一致[11],即對(duì)電子式互感器測(cè)量時(shí)出現(xiàn)的誤差是由于實(shí)際變比不等于額定變比而產(chǎn)生的。對(duì)數(shù)字量輸出的電流互感器誤差XI用下式表示：

式中：Krd為標(biāo)準(zhǔn)額定變比、Ip為標(biāo)準(zhǔn)二次側(cè)電流有效值,Is為被試一次側(cè)電流值。

電子互感器相位差定義為一次端子某一電流的出現(xiàn)瞬時(shí),與所對(duì)應(yīng)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)集在合并單元輸出傳輸時(shí)刻,兩者時(shí)間之差。由于電子互感器內(nèi)部數(shù)據(jù)處理和傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的延時(shí),電子互感器的相位誤差等于相位差減去由于電子互感器額定相位偏移hor和額定延遲時(shí)間tdr所構(gòu)成的偏移量hdr[12],即

式中：h為一次電流相量和二次輸出相量的相位之差,tdr為額定延遲時(shí)間,f為額定頻率。

本次測(cè)試的互感器的最高準(zhǔn)確度等級(jí)為 0．2 S級(jí),測(cè)試采用的標(biāo)準(zhǔn)互感器為 0．01 S級(jí),按照 Q/GDW 690— 2011《電子式互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)規(guī)范》,采用的電子式互感器校驗(yàn)儀的準(zhǔn)確度等級(jí)應(yīng)不低于0．04 S級(jí)。

電子式互感器輸出信號(hào)為數(shù)字量信號(hào),難以和標(biāo)準(zhǔn)互感器輸出的模擬量作比對(duì)。因此,本次測(cè)試采用將標(biāo)準(zhǔn)互感器輸出的模擬量經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,然后與被測(cè)互感器輸出比較。

數(shù)字輸出式的電子式互感器的傳輸過(guò)程如圖 4所示。理論上由于傳輸?shù)男盘?hào)為數(shù)字信號(hào),所以不論從A點(diǎn)測(cè)量還是在B點(diǎn)測(cè)量,其測(cè)試結(jié)果都應(yīng)相同。但由于電子式互感器和合并單元之間的傳輸協(xié)議并未統(tǒng)一,通信協(xié)議多采用自有協(xié)議,因此測(cè)試必須選擇指定或自主研發(fā)的校驗(yàn)裝置。但選取B點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試時(shí),則通信協(xié)議均為IEC61850-9-2,各校驗(yàn)裝置均可對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。

圖4 電子式互感器信號(hào)傳輸方式

2．2 Rogowski線圈測(cè)試方法

考慮到 Rogowski線圈在小電流及暫態(tài)電流的情況下信號(hào)線性度差,微分效果容易放大干擾信號(hào),信噪比小,在一次電流值小于 1．5倍額定電流值時(shí)由低功耗線圈提供測(cè)量用和保護(hù)用信號(hào),當(dāng)一次電流值大于 1．5倍額定電流值時(shí)由 Rogowski線圈提供保護(hù)用信號(hào)。目前的試驗(yàn)方法只能測(cè)試出低功耗線圈的誤差數(shù)據(jù),很難激發(fā)Rogowski線圈采集數(shù)據(jù)并輸出。本文采用模擬大電流法,斷開低功耗線圈二次接線端子,由于兩種線圈輸入到采集卡中均為模擬小電壓信號(hào) ,要想模擬 1．5倍額定電流,需向采集卡輸入 1．5倍的模擬小電壓信號(hào),觸發(fā)量程切換,使Rogowski線圈采集數(shù)據(jù)并輸出。 Rogowski線圈測(cè)試接線如圖 5所示。

圖5 Rogowski線圈測(cè)試接線圖

3 測(cè)試結(jié)果分析

3．1 低功耗線圈測(cè)試結(jié)果分析

由于電子式互感器數(shù)據(jù)較多,本文僅對(duì)具有代表性的220 kV金巨線 A相 A套電流互感器的低功耗計(jì)量線圈測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。實(shí)測(cè)誤差數(shù)據(jù)見表1。

表1 0．2S級(jí)低功耗線圈測(cè)試數(shù)據(jù)

由表1可看出,此時(shí)測(cè)得的誤差不論比差值還是角差值均已超差,但超出范圍均不大,此時(shí)可以通過(guò)調(diào)整采集卡中的電位器對(duì)比差進(jìn)行校準(zhǔn)。電位器可調(diào)整范圍為(-1%～+1%),要遵循既要將超差的采樣點(diǎn)調(diào)整到允許誤差范圍內(nèi),又要避免原本誤差值在合格范圍內(nèi)的采樣點(diǎn)超差,只需將電位器正向調(diào)節(jié) 0．4%,就可將比差值調(diào)整到允許誤差范圍內(nèi)。由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出各檢測(cè)點(diǎn)的角差值均偏正128′,角差的校準(zhǔn)不能通過(guò)采集卡進(jìn)行調(diào)節(jié),需通過(guò)調(diào)整合并單元中的補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn),將角差統(tǒng)一調(diào)整-128′,此時(shí)測(cè)得的誤差數(shù)據(jù)在誤差標(biāo)準(zhǔn)合格范圍內(nèi),說(shuō)明此時(shí)互感器通過(guò)合并單元輸出的數(shù)據(jù)已經(jīng)合格。假如此時(shí)仍有測(cè)量點(diǎn)超差,則需對(duì)補(bǔ)償系數(shù)再次調(diào)整,直到合格為止。

3．2 Rogowski線圈測(cè)試結(jié)果分析

選擇具有代表性的 220 kV金公乙線三相電流互感器的Rogowski保護(hù)線圈測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析,因?yàn)橹蛔鳛楸Ｗo(hù)線圈采集數(shù)據(jù),其準(zhǔn)確級(jí)為 5T PE,根據(jù)Q/GDW 690— 2011,要求其一次額定電流 100%,比差誤差范圍為(-1%～+1%),角差誤差不超過(guò)60′。實(shí)測(cè)誤差數(shù)據(jù)見表2。

表2 Rogowski保護(hù)線圈測(cè)試數(shù)據(jù)

由表2可以看出,220 kV金公乙線 B相 A、B套電流互感器的 Rogowski保護(hù)線圈比差測(cè)試結(jié)果超差,其他兩相測(cè)試值均在合格的范圍內(nèi),只需通過(guò)調(diào)節(jié)采集卡中的電位器進(jìn)行比差值的校準(zhǔn),保護(hù)采集卡電位器可調(diào)整范圍為(-5%～+5%)其中將 B相B套比差負(fù)向調(diào)節(jié) 5%,其誤差值既達(dá)到合格的范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合 500 kV金城一次變電子式電流互感器的測(cè)試,針對(duì)電子式電流互感器的技術(shù)原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出了有效的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法。對(duì)電子式互感器的測(cè)試點(diǎn)及標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的選擇進(jìn)行了探討,并從原理方面對(duì)其指明了方向,實(shí)際測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性和有效性,滿足了相關(guān)規(guī)程的要求,為今后數(shù)字化變電站的電子式電流互感器驗(yàn)收提供了參考依據(jù),并且可以最大限度地提高效率和測(cè)試精度。

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