現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)用磁調(diào)制式直流電流比較儀磁屏蔽結(jié)構(gòu)仿真研究與設(shè)計(jì)*

林國營(yíng)，潘峰，易斌，張鼎衢，徐雁，柏航

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣州 510080；2.華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074）

0 引 言

直流電流互感器是直流輸配電系統(tǒng)的重要一次設(shè)備，為系統(tǒng)的測(cè)量、控制和保護(hù)提供準(zhǔn)確、可靠的測(cè)量信息［1-3］。目前直流電流互感器一般只進(jìn)行出廠校準(zhǔn)試驗(yàn)，這不足以確保直流電流互感器測(cè)量的可靠性和準(zhǔn)確性，必須在額定條件下對(duì)直流電流互感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)或周期性校準(zhǔn)試驗(yàn)［4］。

圖1 直流電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of the field calibration system for DC current transformer

圖1給出了直流電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)原理框圖。直流電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)系統(tǒng)由直流電流標(biāo)準(zhǔn)器、被校準(zhǔn)直流電流互感器、二次轉(zhuǎn)換器、直流互感器校驗(yàn)裝置和直流電流源等組成，其中，現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)用直流電流標(biāo)準(zhǔn)器是開展現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)的關(guān)鍵試驗(yàn)設(shè)備。目前，直流電流常用測(cè)量方法有：分流器、直流電流互感器、直流電流比較儀（Direct Current Comparator，DCC）、霍爾效應(yīng)直流傳感器和光纖直流電流傳感器等［5-8］?，F(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)試驗(yàn)存在一定的差異，相比而言，現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)存在較大的空間電磁干擾和其他較不確定的環(huán)境因素。因此，現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)用直流電流標(biāo)準(zhǔn)器不僅需要具有較高的測(cè)量準(zhǔn)確度，還要具備較強(qiáng)抗電磁干擾的能力，同時(shí)還需要不易受溫度等環(huán)境因素的影響。通過對(duì)比以上幾種直流電流測(cè)量方法的性能可以發(fā)現(xiàn)［9］，DCC比較適合于作為現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)直流電流標(biāo)準(zhǔn)器。

直流電流比較儀主要分為磁放大式直流電流比較儀和磁調(diào)制式直流電流比較儀。其中，磁調(diào)制式直流電流比較儀也被稱為磁調(diào)制器，它具有更好的靈敏度、線性度和穩(wěn)定性。當(dāng)前，磁調(diào)制式DCC的理論研究和系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)比較完善［10-14］。然而，為研制適合于現(xiàn)場(chǎng)直流電流互感器校準(zhǔn)用的、高準(zhǔn)確度大電流DCC，必須面對(duì)的特殊問題是DCC的磁誤差，它主要由一次大電流母線偏心產(chǎn)生的漏磁、鄰近載流導(dǎo)體的磁干擾，以及屏蔽效能不足引起［7］。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)磁調(diào)制式DCC磁屏蔽技術(shù)進(jìn)行了持續(xù)不斷的研究。這些研究包括內(nèi)外導(dǎo)體產(chǎn)生的干擾磁場(chǎng)對(duì)DCC誤差影響的機(jī)理和磁屏蔽效能理論公式的研究［7，14-15］，以及采用電磁場(chǎng)數(shù)值方法對(duì) DCC磁屏蔽效能進(jìn)行仿真研究［15-16］，這些研究給工程實(shí)際提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)指導(dǎo)。但少有學(xué)者結(jié)合理論仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試來驗(yàn)證相關(guān)理論的正確性，特別是在高壓直流應(yīng)用領(lǐng)域，相關(guān)的研究就更少。

本文根據(jù)500 kV直流輸電線路用直流電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)的需求，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)用的、額定參數(shù)為5 000 A：5 A的磁調(diào)制式DCC磁屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真研究和設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)的磁屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了母線偏心和鄰近外導(dǎo)體所產(chǎn)生的干擾磁場(chǎng)對(duì)DCC測(cè)量準(zhǔn)確度影響的仿真研究。最后通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)所研制的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)用磁調(diào)制式DCC的性能進(jìn)行了評(píng)估。

1 DCC工作原理及誤差來源分析

1.1 DCC的工作原理

圖2給出了采用磁調(diào)制原理的雙鐵芯差動(dòng)檢測(cè)DCC結(jié)構(gòu)圖，圖中兩個(gè)激勵(lì)繞組反向串接構(gòu)成雙鐵芯差動(dòng)磁調(diào)制器。比較儀工作時(shí)，振蕩器產(chǎn)生方波激勵(lì)信號(hào)Ie對(duì)鐵芯進(jìn)行激勵(lì)，激勵(lì)信號(hào)應(yīng)該足夠大以保證兩個(gè)鐵芯飽和。鐵芯中穿過的直流母線，其匝數(shù)W1=1，一次母線電流I1為被測(cè)電流。

當(dāng)I1=0時(shí)，只有激勵(lì)信號(hào)Ie作用于鐵芯，顯然Ie滿足），所以穿過鐵芯的磁通量Φ滿足，對(duì)Φ（θ）進(jìn)行傅里葉展開得到根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)的性質(zhì)可知Φ（θ）只有奇次諧波分量，沒有偶次諧波分量，所以雙鐵芯差動(dòng)磁調(diào)制器輸出為兩個(gè)鐵芯奇次諧波之差，使用兩個(gè)完全相同的鐵芯，奇次諧波分量相同，則此時(shí)輸出信號(hào)為零。

當(dāng)被測(cè)直流電流I1≠0時(shí)，鐵芯中的磁場(chǎng)由激勵(lì)信號(hào)和被測(cè)直流信號(hào)I1共同作用產(chǎn)生，此時(shí)鐵芯中磁通量不再滿足，所以既有奇次諧波，又有偶次諧波分量。雙鐵芯差動(dòng)磁調(diào)制器輸出中，奇次諧波分量抵消，偶次諧波分量疊加，所以輸出為2倍的偶次諧波分量。并且偶次諧波分量的大小只與直流信號(hào)產(chǎn)生的磁場(chǎng)有關(guān)，可以直接反映被測(cè)直流電流的大小。

圖2 磁調(diào)制式DCC結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the DCC based on magnetic modulator

磁調(diào)制器輸出信號(hào)進(jìn)入處理電路中，通過帶通濾波器提取出二次諧波分量，將二次諧波放大后輸入相敏解調(diào)器，相敏解調(diào)器輸出和二次諧波幅值、相位有關(guān)的直流電壓信號(hào)，通過PI控制電路和功率放大器后，作為反饋直流電流I2進(jìn)入反饋繞組，反饋繞組匝數(shù)為W2。該DCC構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。當(dāng)I1W1＞I2W2時(shí)，磁調(diào)制器輸出一個(gè)正向電流，通過處理電路使I2增大；當(dāng)I1W1＜I2W2時(shí)，磁調(diào)制器輸出一個(gè)反向電流，通過處理電路使I2減?。恢钡絀1W1=I2W2時(shí)，反饋系統(tǒng)達(dá)到平衡。通過I2的大小可以得出被測(cè)直流電流I1的大小和方向。

1.2 DCC的誤差來源分析

通過上述分析，DCC工作在磁勢(shì)平衡狀態(tài)下，引起測(cè)量誤差的因素包括以下幾個(gè)方面：

（1）電流比例誤差

一、二次磁勢(shì)間存在一微小不平衡量，即I0W0=I1W1-I2W2。提高比較儀反饋系統(tǒng)的放大倍數(shù)可以在一定程度上減小此誤差。

（2）磁記憶效應(yīng)誤差

磁調(diào)制器的鐵芯如果采用矯頑力較大的材料，在使系統(tǒng)失衡、材料本身突然承受嚴(yán)重電磁沖擊后會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。

（3）磁性誤差

DCC工作原理是檢測(cè)一、二次側(cè)的磁勢(shì)平衡，外磁場(chǎng)以及穿心母線位置的變化都可能對(duì)調(diào)制器的磁路產(chǎn)生影響，從而影響被檢磁勢(shì)，從而影響DCC的測(cè)量準(zhǔn)確度。

對(duì)于用于高壓直流電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)用的DCC，外界干擾電磁場(chǎng)對(duì)DCC測(cè)量準(zhǔn)確度的影響更加不容忽視?，F(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，母線偏心以及鄰近通流導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)都會(huì)對(duì)DCC產(chǎn)生較大影響。因此，為了減小現(xiàn)場(chǎng)使用過程中可能產(chǎn)生的測(cè)量誤差，在選擇合適的鐵芯材料和提高反饋放大倍數(shù)的基礎(chǔ)上，還需要為DCC設(shè)計(jì)合理的磁屏蔽結(jié)構(gòu)。

2 DCC磁屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

2.1 DCC磁屏蔽結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的磁調(diào)制式DCC采用環(huán)形鐵芯結(jié)構(gòu)，為了有效的屏蔽，屏蔽體也采用環(huán)形結(jié)構(gòu)。圖3所示為DCC屏蔽的半圓環(huán)結(jié)構(gòu)，c為橫截面的長(zhǎng)度，a為屏蔽體的厚度，r為屏蔽圓環(huán)的內(nèi)半徑。理論上磁屏蔽層的厚度和屏蔽材料的磁導(dǎo)率決定了磁屏蔽效果。屏蔽層越厚，屏蔽效果越好，材料磁導(dǎo)率越大，屏蔽效果越好。為了定量分析屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)磁屏蔽能力的影響以設(shè)計(jì)出合理的屏蔽結(jié)構(gòu)，下面進(jìn)行ANSYS仿真計(jì)算。

圖3 磁調(diào)制式DCC屏蔽結(jié)構(gòu)Fig.3 Shielding structure of the DCC based on magnetic modulator

2.2 DCC磁屏蔽結(jié)構(gòu)仿真

根據(jù)DCC的屏蔽結(jié)構(gòu)，建立如圖4所示的有限元模型。首先分析屏蔽層厚度及材料對(duì)屏蔽效果的影響，為簡(jiǎn)化分析，只對(duì)一個(gè)鐵芯截面進(jìn)行仿真，圖4中，中間方形部分是鐵芯，鐵芯外正方形環(huán)是屏蔽層。鐵芯和屏蔽層之間存在有機(jī)保護(hù)盒、調(diào)制繞組、靜電屏蔽盒和比例繞組等結(jié)構(gòu)，它們的相對(duì)磁導(dǎo)率與空氣相同都是1，均采用空氣模型進(jìn)行等效。

2.2.1 屏蔽效果仿真

在豎直方向上施加1T的均勻磁場(chǎng)時(shí)，無屏蔽和有屏蔽鐵芯中最大磁通量密度的比值定義為磁屏蔽系數(shù)。磁屏蔽系數(shù)反應(yīng)屏蔽結(jié)構(gòu)的磁屏蔽能力大小。改變磁屏蔽厚度從5mm到20mm，屏蔽層相對(duì)磁導(dǎo)率分別取4 000，8 000和12 000和100 000，計(jì)算上述情況下的磁屏蔽系數(shù)，結(jié)果如表1所示。仿真結(jié)果表明，屏蔽層厚度越厚，屏蔽效果越好；屏蔽層材料磁導(dǎo)率越高，屏蔽效果越好。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般要求磁屏蔽系數(shù)大于500，從表1數(shù)據(jù)可以得出，使用磁導(dǎo)率為4 000的屏蔽材料厚度應(yīng)大于10 mm；使用磁導(dǎo)率為8 000、12 000和100 000的屏蔽材料時(shí)，厚度應(yīng)大于5 mm。

圖4 磁屏蔽結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.4 Finite element model of magnetic shielding structure

表1 磁屏蔽結(jié)構(gòu)仿真分析結(jié)果Tab.1 Simulation analysis results of the magnetic shielding structure

實(shí)際制造工藝中，屏蔽層中不可避免的會(huì)存在氣隙，這會(huì)導(dǎo)致磁屏蔽系數(shù)降低，影響屏蔽效果。為了減小氣隙帶來的影響，屏蔽層采用凹槽嵌入工藝。在豎直方向上施加磁場(chǎng)，考慮豎直方向上和水平方向上有氣隙兩種情況，建立如圖5和圖6的仿真模型，對(duì)這一工藝屏蔽效果進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖5 豎直方向存在氣隙的有限元模型Fig.5 Finite element model of the air gap in the vertical direction

圖6 水平方向存在氣隙的有限元模型Fig.6 Finite element model of the air gap in the horizontal direction

屏蔽層相對(duì)磁導(dǎo)率μ=4 000時(shí)，分別改變氣隙的厚度和磁屏蔽層的厚度，仿真計(jì)算上述兩種情況磁屏蔽系數(shù)，結(jié)果如表2和表3所示。

表2 豎直方向上存在氣隙時(shí)仿真分析結(jié)果Tab.2 Simulation analysis results of the magnetic shielding structure with the air gap in the vertical direction

表3 水平方向上存在氣隙時(shí)仿真分析結(jié)果Tab.3 Simulation analysis results of the magnetic shielding structure with the air gap in the horizontal direction

上述仿真計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)屏蔽結(jié)構(gòu)存在氣隙時(shí)，屏蔽系數(shù)會(huì)明顯降低；氣隙厚度越小，磁屏蔽系數(shù)越大。在豎直方向上有磁場(chǎng)且在相同屏蔽層厚度條件下，豎直方向存在氣隙時(shí)的屏蔽系數(shù)要大于水平方向存在氣隙時(shí)的屏蔽系數(shù)。本設(shè)計(jì)要求磁屏蔽系數(shù)大于500，因此屏蔽層厚度應(yīng)大于10 mm，氣隙厚度應(yīng)在0.1 mm以內(nèi)；并且根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中磁場(chǎng)分布情況合理選擇留氣隙的位置。

2.2.2 母線偏心和鄰近導(dǎo)體干擾磁場(chǎng)影響仿真

在高壓直流現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，母線偏心和外磁場(chǎng)是影響DCC測(cè)量準(zhǔn)確度的兩個(gè)重要因素。因此，需要對(duì)這兩種情況進(jìn)行仿真分析計(jì)算其誤差，其中外磁場(chǎng)影響主要考慮鄰近導(dǎo)體的影響。采用鐵芯磁導(dǎo)率80 000、屏蔽層磁導(dǎo)率8 000、屏蔽層厚度10 mm的仿真模型進(jìn)行上述兩種情況分析，仿真模型如圖7和圖8所示，紫色圓面分別為被測(cè)母線和鄰近導(dǎo)體的截面，如圖7所示仿真模型，被測(cè)母線通過5 kA直流電流，被測(cè)母線偏心偏離比較儀中心5 mm～40 mm（40 mm為緊貼比較儀內(nèi)側(cè)）時(shí)，分別對(duì)無屏蔽和有屏蔽兩種情況進(jìn)行了仿真，計(jì)算出鐵芯中被檢磁通相對(duì)正常工作情況下的誤差結(jié)果如表4所示。

圖7 母線偏心影響的有限元模型Fig.7 Finite element model of the eccentric bus

表4 母線偏心仿真計(jì)算結(jié)果Tab.4 Simulation results of the eccentric bus

仿真計(jì)算結(jié)果表明：母線偏離比較儀中心距離越遠(yuǎn)，測(cè)量誤差越大。無屏蔽時(shí)，母線偏心影響誤差大于10-5數(shù)量級(jí)，不滿足設(shè)計(jì)要求；加入屏蔽后，母線偏心影響誤差優(yōu)于10-6數(shù)量級(jí)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因此，加入屏蔽結(jié)構(gòu)后能有效抵御母線偏心帶來的誤差，保證了比較儀能夠達(dá)到0.005級(jí)準(zhǔn)確度。

如圖8所示仿真結(jié)構(gòu)，鄰近外導(dǎo)體通過5 kA直流電流，導(dǎo)線距外屏蔽層距離從35 mm增加到250 mm（考慮到磁調(diào)制器外部還有機(jī)殼等其他結(jié)構(gòu)，35 mm為緊貼比較儀外側(cè)）時(shí)，仿真計(jì)算出無屏蔽和有屏蔽時(shí)被檢磁通大小，兩種情況下外導(dǎo)體影響相對(duì)誤差結(jié)果如表5所示。仿真計(jì)算結(jié)果表明：鄰近外導(dǎo)體距離比較儀外側(cè)距離越近，測(cè)量相對(duì)誤差越大。無屏蔽時(shí)，鄰近外導(dǎo)體影響誤差在10-4數(shù)量級(jí)，不滿足設(shè)計(jì)要求；加入屏蔽之后，誤差減小到10-7數(shù)量級(jí)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因此，加入屏蔽結(jié)構(gòu)之后，有效抵御了鄰近導(dǎo)體產(chǎn)生的外磁場(chǎng)干擾，保證了比較儀能夠達(dá)到0.005級(jí)準(zhǔn)確度要求。

圖8 外磁場(chǎng)影響的有限元模型Fig.8 Finite element model of the influence of external magnetic field

表5 外磁場(chǎng)影響仿真結(jié)果Tab.5 Simulation results of the influence of external magnetic field

根據(jù)以上仿真結(jié)果，兼顧提高測(cè)量準(zhǔn)確度和減小磁記憶效應(yīng)影響，磁調(diào)制器鐵芯選用1J85坡莫合金，尺寸為180 mm×190 mm×10 mm的圓環(huán)，相對(duì)磁導(dǎo)率為80 000；綜合考慮屏蔽能力、屏蔽層體積和機(jī)械強(qiáng)度，屏蔽層材料使用151硅鋼片，尺寸為140 mm×230 mm×45 mm、厚度10 mm的圓環(huán)腔體，相對(duì)磁導(dǎo)率為8 000。

對(duì)所選屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行母線偏心和外磁場(chǎng)影響最壞情況（5 kA母線偏心距離40 mm緊貼比較儀內(nèi)側(cè)、5 kA外導(dǎo)體距離35 mm緊貼比較儀外側(cè)）仿真分析，仿真計(jì)算測(cè)量相對(duì)誤差為2.71×10-6。因此，所選屏蔽結(jié)構(gòu)能夠保證比較儀達(dá)到0.005級(jí)準(zhǔn)確度要求。

3 DCC性能測(cè)試

根據(jù)上述仿真分析選定的屏蔽結(jié)構(gòu)研制了一臺(tái)DCC樣機(jī)。電流比為5 000 A：5 A，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.005級(jí)。為了檢驗(yàn)該樣機(jī)能否達(dá)到要求的準(zhǔn)確度等級(jí)，需要利用更高準(zhǔn)確度等級(jí)直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行比例誤差測(cè)試。由于DCC樣機(jī)擬在高壓直流輸電現(xiàn)場(chǎng)使用，考慮現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)可能出現(xiàn)母線偏心的情況和外界磁場(chǎng)的影響，并且驗(yàn)證仿真分析結(jié)果，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了母線偏心影響和外磁場(chǎng)影響測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

3.1 比例誤差測(cè)試

測(cè)試方法采用電流對(duì)接法，其原理如圖9所示。根據(jù)上述測(cè)量方法，直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)和被測(cè)DCC實(shí)際變比為ks=ks0（1-εks）和kx=kx0（1-εkx），其中εks和εkx為直流比例標(biāo)準(zhǔn)和被測(cè)比較儀的比例誤差。標(biāo)準(zhǔn)電阻實(shí)際阻值為Rx=R0（1-εR0），其中εR0為標(biāo)準(zhǔn)電阻的誤差。根據(jù)線路圖，可以得出：

由于εksεR0和εkxεR0兩項(xiàng)為高階無窮小，可忽略不計(jì)，可以得到：

圖9 電流對(duì)接法比例誤差測(cè)試原理圖Fig.9 Testing schematic diagram of ratio error based on current difference method

從以上分析可知：該測(cè)量方法的測(cè)量誤差與標(biāo)準(zhǔn)電阻準(zhǔn)確度無關(guān)，直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度只要比被測(cè)比較儀高兩個(gè)準(zhǔn)確度等級(jí)，就可以用這個(gè)方法對(duì)被測(cè)DCC進(jìn)行比例誤差測(cè)試。

測(cè)試時(shí)，采用額定電流為5 kA的直流電流源；數(shù)字電壓表使用準(zhǔn)確度為1.0×10-5的HP34401A數(shù)字電壓表；電阻選用準(zhǔn)確度為0.01級(jí)、標(biāo)稱阻值為10 Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻；直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)使用準(zhǔn)確度為1.0×10-6直流電流比較儀。

實(shí)驗(yàn)過程中，直流電流源輸出電流從500 A升到5 000 A再下降到500 A時(shí)電壓表示數(shù)和比例誤差計(jì)算結(jié)果如表6所示。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出DCC工作電流在500 A時(shí)準(zhǔn)確度為1.2×10-5，1 000 A以上時(shí)準(zhǔn)確度優(yōu)于10-5，比較儀整體準(zhǔn)確度優(yōu)于5×10-5，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表6 比例誤差測(cè)量結(jié)果Tab.6 Measurement results of ratio error

3.2 母線偏心影響測(cè)試

測(cè)試方法以及所用設(shè)備與比例誤差實(shí)驗(yàn)相同。測(cè)試過程中改變母線的位置，對(duì)不同母線偏心位置的比例誤差進(jìn)行讀數(shù)計(jì)算。實(shí)驗(yàn)過程中，母線電流為5 000 A，母線分別放置在正中心、緊靠左端、緊靠右端、緊靠上端、緊靠下端5種情況電壓表示數(shù)如表7。

表7 母線偏心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.7 Experimental data of eccentric bus

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可見，5種情況下，直流電流比較儀的比例誤差都在10-6數(shù)量級(jí)，可以得出，母線偏心對(duì)于本比較儀影響很小，可以忽略。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前文的仿真分析結(jié)果相同。說明母線偏心對(duì)該比較儀準(zhǔn)確度影響可以忽略不計(jì)。

3.3 不同間距通流外導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)DCC性能影響測(cè)試

測(cè)試線路如圖10所示，比較儀一次側(cè)不加電流，二次側(cè)通過標(biāo)準(zhǔn)電阻和數(shù)字電壓表進(jìn)行讀數(shù)。直流電流源產(chǎn)生5 kA直流電流，改變直流母線與比較儀的距離d，分別記錄不同情況下電壓表的測(cè)量值。測(cè)試過程中需要使電流源與實(shí)驗(yàn)無關(guān)的回線盡量遠(yuǎn)離。

圖10 鄰近外導(dǎo)體對(duì)DCC影響試驗(yàn)原理圖Fig.10 Testing schematic diagram for the influence of the nearby conductor on the DCC

實(shí)驗(yàn)過程中，外導(dǎo)線分別相對(duì)于比較儀穿心位置平行和垂直，對(duì)這兩個(gè)位置的影響分別進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)所使用的設(shè)備與比例誤差實(shí)驗(yàn)相同。實(shí)驗(yàn)過程中，在不加任何電流情況下，電壓表示數(shù)為1μV，這是比較儀本身比例誤差帶來的零點(diǎn)偏移，在10-7數(shù)量級(jí)。平行和垂直兩個(gè)方向分別從導(dǎo)線緊貼比較儀外側(cè)開始測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：平行緊貼放置時(shí)誤差為1.1×10-7，垂直放置誤差為1.2×10-7。

由此可見，無被測(cè)電流情況下平行和垂直緊貼比較儀放置直流母線通過5 000 A電流時(shí)產(chǎn)生的誤差為1.1×10-7和1.2×10-7，這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)小于要求的準(zhǔn)確度等級(jí)，可見外導(dǎo)體對(duì)本臺(tái)DCC的影響很小。由于緊貼比較儀放置時(shí)的誤差已經(jīng)比要求小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，所以不需要再測(cè)試遠(yuǎn)離比較儀外殼的其他情況。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前文中仿真分析所得結(jié)果在同一數(shù)量級(jí)，說明通有5 kA直流電流的鄰近外導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)比較儀的影響可以忽略不計(jì)。

4 結(jié)束語

對(duì)比現(xiàn)有大電流測(cè)量手段，磁調(diào)制式DCC具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好和抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用作高壓直流互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)器。文章從高壓直流電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的特點(diǎn)出發(fā)，使用ANSYS軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)用磁調(diào)制式DCC磁屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）使用磁性材料對(duì)DCC鐵芯進(jìn)行磁屏蔽，可以有效提高DCC抗外界磁場(chǎng)干擾的能力。屏蔽層厚度越厚，屏蔽效果越好；屏蔽層材料磁導(dǎo)率越高，屏蔽效果越好；屏蔽結(jié)構(gòu)氣隙越小，屏蔽效果越好；

（2）母線偏心會(huì)增加DCC的測(cè)量誤差，磁屏蔽結(jié)構(gòu)具有很好的降低母線偏心對(duì)DCC測(cè)量準(zhǔn)確度的影響；

（3）鄰近載流外導(dǎo)體會(huì)對(duì)DCC的測(cè)量誤差帶來影響，距離越近該影響越明顯，采用磁屏蔽可以有效降低鄰近載流外導(dǎo)體所產(chǎn)生的干擾磁場(chǎng)對(duì)DCC測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。

研制了一臺(tái)采用磁調(diào)制原理的雙鐵芯差動(dòng)檢測(cè)的、額定參數(shù)為5 000 A：5 A的DCC樣機(jī)，并按照仿真結(jié)果設(shè)計(jì)了該DCC的屏蔽結(jié)構(gòu)，通過試驗(yàn)對(duì)DCC的整體性能進(jìn)行了評(píng)估，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，所設(shè)計(jì)的DCC屏蔽結(jié)構(gòu)能很好地滿足應(yīng)用需要。研制的DCC整體準(zhǔn)確度優(yōu)于，而且工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。