直流偏磁下計量用CT誤差特性的研究

(中國電力科學研究院，湖北 武漢 430074)

0 引言

“直流偏磁”是指由于某種原因?qū)е碌闹绷鞔艅莼蛑绷鞔磐?，以及由此引起的一系列電磁效應。直流偏磁對在線運行的變壓器繞組會產(chǎn)生較大的直流分量，并影響到線路上的互感器及其他電力設(shè)備。直流偏磁主要由太陽風暴引起的地磁感應電流(geomagnetically-induced current,GIC)引起。1989年3月13日，魁北克大停電是因地磁感應電流引起繼電保護誤動作，導致系統(tǒng)電壓劇烈波動而引起的歷史上最嚴重的電力系統(tǒng)癱瘓事件[1]。國內(nèi)外對直流引起的輸配電網(wǎng)的研究多集中于變壓器直流偏磁相關(guān)的內(nèi)容[2-3]。

電流互感器(current transformer,CT)的工作原理與變壓器一樣，也會受到直流偏磁的影響。本文首先建立CT受直流偏磁影響的等效電路，然后使用仿真軟件進行仿真測試，最后根據(jù)試驗數(shù)據(jù)證明理論與仿真結(jié)果的正確性。

1 CT傳變特性模型

(1)

(2)

式中：I2為二次電流(有效值)；Z2為二次回路總阻抗；B為磁通密度；H為磁場強度；Ac為鐵心有效截面積；Lc為鐵心的平均磁路長；μ為鐵心材料的導磁率；N1為額定一次匝數(shù)；N2為額定二次匝數(shù)[7-8]。

將式(1)和式(2)代入仿真軟件，得到CT受直流偏磁影響后的二次響應波形如圖1所示。CT受直流偏磁影響后二次波形頻譜如圖2所示。

圖1 受直流偏磁影響的CT二次波形

圖2 受直流偏磁影響的CT二次波形頻譜圖

由式(1)和式(2)及圖1和圖2可見，當存在直流偏磁電流時，產(chǎn)生的磁通導致鐵心磁導率μ下降，勵磁電流增加。不管偏磁方向如何，原有誤差曲線總是向負方向偏移。由于電網(wǎng)一次電流不受電流互感器變化的影響, 磁通密度非線性的增加造成二次電流高次諧波增加,基波有效成分相應減弱[9-10]。磁通密度的高次諧波分量的增加，使得二次感應電勢的基波成分比無偏磁情況下減少，造成比差向負方向變化，角差向正方向變化。

2 直流干擾下CT誤差測量方法的研究

目前，對電流互感器(CT)進行誤差測量時需要使用互感器校驗儀。根據(jù)互感器校驗儀的原理可知，其內(nèi)部存在感性元器件和容性元器件，這些元件的響應特性受頻率影響嚴重[11-12]。

當測量回路中出現(xiàn)直流分量后，被測CT二次波形發(fā)生畸變，非基次諧波分量增加，導致校驗儀自身的工作特性發(fā)生變化，從而引入測量誤差。這種誤差是隨頻率變化而變化的，難以從整體誤差中扣除，最終導致測量的直流干擾下電流互感器誤差不僅有電流互感器自身的誤差，還包括校驗儀產(chǎn)生的誤差。

基于互感器校驗儀的固有特點，根據(jù)等安匝原理，將工頻電流源和直流電流源兩個獨立的回路同時穿過被測CT一次回路。50 Hz電流經(jīng)標準CT，獲得的信號通過分流器后作為標準信號進入抗干擾互感器校驗儀標準通道CH0。工頻信號和直流信號疊加產(chǎn)生的合成電流源經(jīng)過被測電流互感器后，經(jīng)標準電阻二次采樣，得到的信號作為被測信號進入抗干擾互感器校驗儀測量通道CH1。抗干擾CT誤差測量線路如圖3所示。

圖3 抗干擾電流互感器誤差測量線路

抗干擾CT誤差檢測系統(tǒng)分為三個部分：電源部分、信號轉(zhuǎn)化部分和信號分析部分。電源部分由獨立的工頻電流源和獨立的直流源構(gòu)成。獨立的電流源使得電流的幅值調(diào)節(jié)變得更容易，且測量系統(tǒng)相互獨立，溯源性得到解決。信號轉(zhuǎn)化部分主要指標準電流互感器、分流器和被測電流互感器。標準電流互感器CTN僅接入工頻電流源中，被測電流互感器CNX同時經(jīng)過工頻電流源和直流電源，CNX與CTN的同名端對接。分流器RN1將CTN的輸出電流轉(zhuǎn)化為標準電壓信號進入采集卡，分流器RN2將CNX的輸出電流轉(zhuǎn)化為被試電壓信號進入采集卡。

3 試驗驗證及數(shù)據(jù)分析

本文對110 kV線路中使用的常規(guī)CT進行了直流干擾下的誤差試驗。被測CT參數(shù)選取如下。

① 變比2×600/1 A，0.2級，微晶合金材料，額定負載10 VA，cosφ=1.0；

② 變比2×600/1 A，0.2級，硅鋼片材料，額定負載10 VA，cosφ=1.0；

③ 變比2×600/5 A，0.2級，微晶合金材料，額定負載30 VA，cosφ=1.0；

④ 變比2×600/5 A，0.2級，硅鋼片材料，額定負載30 VA，cosφ=1.0。

選擇相同參數(shù)的不同鐵心材料CT，以驗證不同磁導率下等值直流對CT誤差的影響；選擇相同材料、相同一次電流、不同二次輸出，以驗證占不同比例的電流對CT誤差的影響。四種CT的試驗誤差數(shù)據(jù)如表1～表4所示。

表1 600/1A微晶合金材料CT誤差數(shù)據(jù)

表2 600/1A硅鋼片材料CT誤差數(shù)據(jù)

表3 600/5A微晶合金材料CT誤差數(shù)據(jù)

表4 600/5A硅鋼片材料CT誤差數(shù)據(jù)

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知，直流干擾后CT 的比值差向負方向偏移，相位差向正方向偏移。當直流量占CT一次額定電流的1%時，比值差絕對值變化最大點在額定電流5%的測量點，改變了-0.139%；相位差絕對值變化最大點在額定電流5%的測量點，改變了+7.8′。當直流干擾提高到占CT一次額定電流的2%時，比值差絕對值最大變化-1.094%；相位差絕對值最大變化+33.4′。該CT制作的誤差等級為0.05級，受到占額定電流1%的直流干擾后，準確度等級為0.2級；當直流到達額定電流的2%時，等級為1.0級。即每提高占額定電流1%的直流干擾后，該CT誤差下降2個準確度等級。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知，當直流量占CT一次額定電流的1%時，比值差絕對值變化最大點在額定電流5%的測量點，改變了-0.133%；相對變化最大點在120%額定電流測量點，這一變化為沒有干擾下比值差的0.51倍。相位差絕對值變化最大點在額定電流5%的測量點，改變了+5.2′；相對變化最大點在120%額定電流測量點，這一變化為沒有干擾下比值差的1.2倍。當直流干擾提高到占CT一次額定電流的2%時，比值差絕對值最大變化-0.527%；相位差絕對值最大變化+21.3′。該CT制作的誤差等級為0.2級，當直流占額定電流1%和2%時，準確度等級都為0.5級。即每提高占額定電流1%和2%的直流干擾后，該CT誤差下降1個準確度等級。

對比表1和表2數(shù)據(jù)可知，直流干擾對CT誤差的影響趨勢與其鐵心材料無關(guān)，比值差都是向負方向偏移，相位差都是向正方向偏移。不同點是硅鋼片材料受直流干擾后其誤差的變化是均勻而平滑的，微晶合金材料受直流干擾后其誤差會發(fā)生突變，變化后的CT誤差測量數(shù)據(jù)不再呈線性分布，會出現(xiàn)拐點。

表3數(shù)據(jù)顯示微晶合金材料的CT原制作準確度等級為0.1級，受1%直流干擾后準確度等級為1.0。表4數(shù)據(jù)顯示硅鋼片材料的CT原制作準確度等級為0.2級，受1%直流干擾后準確度等級為0.5。

對比表1和表3數(shù)據(jù)可知，對于同一種鐵心材料，在相同干擾直流下，二次輸出電流大時CT受影響大，即直流量占CT二次輸出的比值大時，對CT的誤差影響大。這種影響在額定電流越小時越明顯。在5%額定電流下，6 A直流對變比600 A/5 A的影響約為對變比600 A/1 A影響的4.3倍；當額定電流達到120%時，影響量減小。可見交流源中直流量的含量對CT誤差的改變反應明顯。

4 結(jié)束語

通過理論推導、軟件仿真以及試驗驗證，對直流干擾下CT誤差特性進行了分析，發(fā)現(xiàn)在無直流干擾的情況下，超微晶材料制作的CT誤差優(yōu)于硅鋼片材料。但由于微晶合金材料的固有特性為初始磁導率高而飽和磁密低，在直流干擾的情況下會使得CT的鐵心過飽和磁化。磁密的非線性增加導致二次電流高次諧波的增加，基波有效成分減弱，造成微晶合金材料的CT

在直流偏磁情況下誤差遠不如硅鋼片材料的CT。

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