火電廠電流互感器誤差補償方法研究

方 欣

（浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責任公司，浙江 寧波 315000）

0 引 言

目前，國內有關電流互感器誤差補償問題的研究主要集中在變壓器中性點安設附加裝置，以消除流經(jīng)變壓器中性點直流電流為目的，有效抑制直流偏磁的問題[1]。電流互感器的誤差補償方法主要有數(shù)字算法誤差補償和模擬電路誤差補償。其中，數(shù)字算法誤差補償是利用存儲在存儲器中的電流互感器勵磁特性數(shù)據(jù)來實時計算電流的大小，在將勵磁電流與折回原邊的實時副邊電流相加，得到誤差補償后的電流，即實際原邊電流。但該方法計算結果會產(chǎn)生較大偏差，因此提出了基于數(shù)字算法的電流互感器誤差補償方法。

1 基于數(shù)字算法的電流互感器誤差補償方法設計

1.1 測量電流互感器的比差

為得出直流偏磁存在時測量用電流互感器的具體變化規(guī)律，需先測量電流互感器的比差[2]。在直流偏磁電流流經(jīng)回路以及電流互感器等值電路的基礎上，設計完整的實驗方案，并對直流偏磁和測量用電流互感器誤差特性進行詳細分析和研究。根據(jù)電流互感器的等值電路，得到公式（1）：

其中，I1表示勵磁電流，ie表示一次電流，i21表示折算到一次的二次電流，N1表示電流的一次繞組，N2表示二次繞組的匝數(shù)。根據(jù)式（1）可知，勵磁電流是測量用電流互感器產(chǎn)生誤差的主要原因，一旦發(fā)生變化，就會直接影響電流互感器的轉變精度[3]。

電流互感器需將一次繞組轉接到高壓線路上，通常一次側電流為高壓線路中所流過的電流，二側電流接到不同負載，不同用途的電流互感器所接負載不同，所以實際工作中要按照圖1直流偏磁電流流經(jīng)回路原理，應用繼電保護好設備的前端電流互感器，合理安裝達到測量電流的目的[4]。需注意，通過一次繞組連接的設備正常運行時需要閉合，電器應以安全可靠性能指標為主；使用低壓設備時，要保證電力線路與其他兩個繞組有固定的標準電流。應用式（1）比差后，要確定結果絕對收斂，保證在不同偏磁條件下測量用電流互感器比差結果的準確性。

圖1直流偏磁電流流經(jīng)回路原理

1.2 改變直流偏磁的方向

勵磁特性實驗是檢驗電流互感器性能最有效的方法。當繼電保護裝置對保護用電流互感器勵磁特性有要求時，應進行勵磁特性實驗。數(shù)字算法補償方法對測量用電流互感器勵磁特性沒有要求，導致測量用電流互感器的儀表保安電流無法滿足計量儀器保安系數(shù)的要求，因此本設計搭建實驗電流，對直流偏磁不存在時與存在時的測量勵磁特性進行分析[5]。

調整電磁場域時不能直接由單個方程完成，必須有一套Maxwell方程組來完成。該方程組有四個定律，本設計采用安培環(huán)路定律表明了不僅傳導電流能產(chǎn)生磁場，變化電場也能產(chǎn)生磁場。Maxwell微分公式表示為：

其中，H表示電磁場強度矢量，J表示為總電流密度矢量，d表示感應電流密度矢量，T表示磁感應強度適矢量。

分析場域問題時，通常要引入磁矢量位的方法來計算電磁場。為使誤差最小化，需根據(jù)變分原理確定能量泛函，求泛函系數(shù)為零的偏導數(shù)，確定待定系數(shù)，構造函數(shù)方程為：

其中，F(xiàn)(A)要取極小值，S表示磁通列向量，D表示匝數(shù)，每個方程最終都需要變換成多元方程組的形式，各矢量磁位值都是未知量。求解各相關數(shù)值，得到矢量磁位數(shù)值，求解不同點的參量，公式為：

其中，Bx表示有限數(shù)量的單元，Ax表示無力場域，表示所有單元的能量泛函總和，A上線性差值的形y狀函數(shù)，為某個單元的能量泛函。此方程組表明變化電廠與變化磁場間相互聯(lián)系，形成統(tǒng)一的電磁場，達到改變直流偏磁的問題。

1.3 實現(xiàn)電流互感器誤差補償

電流互感器由三部分組成。鐵芯的制造材料決定了通電后造成的鐵磁損耗情況，如果電磁發(fā)生變化，說明部分電流沒有用于產(chǎn)生二次電流，而是變成了勵磁電流，由于勵磁電流的存在，鐵芯會發(fā)生變化，這兩個誤差是向量?，F(xiàn)實運行中，勵磁電流無法避免。

由于電流互感器無法一直保持在額定條件下不變，所以應用補償算法進行補償時，需要采用大量的勵磁特性數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是在電流互感器投入前對其進行實驗獲得的。實驗中獲得的每個數(shù)據(jù)都要標明，實驗時對應的直流偏磁電流大小是與鐵芯交流工作磁通的，這樣方便應用補償算法進行數(shù)據(jù)提取。數(shù)據(jù)提取時需注意，勵磁特性實驗中存在變比系數(shù)，所以需要調整二次側流所加的直流偏磁電流與實際一次側流入之間的關系。為實現(xiàn)對運行中電流互感器直流偏磁問題的誤差補償，必須對互感器鐵芯磁通進行實時檢測，方便與已存儲的勵磁特性實驗數(shù)據(jù)進行對比，鐵芯的交流工作可通過對測量用電流互感器等效電路進行分析求得，計算公式為：

其中，e2表示二次電流離散值，N2表示直流偏磁電流。理論上，前期準備工作中，通過勵磁特性實驗獲得的鐵芯磁滯回線數(shù)據(jù)越多，最終補償精度就越高。但由于前期準備工作量太大，需要提高運行補償算法中處理器的要求，按照測量用電流互感器的實際工作環(huán)境來對存儲的數(shù)據(jù)進行適當調整。如果某電流互感器長期工作在額定情況下，需要記錄額定工作條件附近的數(shù)據(jù)，并對最終得到的數(shù)據(jù)進行補償。。

2 實驗結論

為對本文提出的基于數(shù)字算法的電流互感器誤差補償方法進行分析和驗證，實際測試中采用直流采樣法，采樣中要選擇經(jīng)過變換后的直流量。此方法軟件設計簡單，對采樣值要求不高，只需要作比例變換即可得到被測量的數(shù)值。實驗設備包括DDG變壓器（額定功率為10 kVA、輸入電壓為220 V）、接觸調壓器（額定容量為10 kVA、額定輸入電壓為220 V）、日立恒溫恒濕箱（溫度范圍為-40～+80 ℃、濕度范圍為10%～95%）、日本日置溫度記錄儀（最大輸入電壓分別為DC 60 V和DC -5～10 V）及FLUKE福祿克F319鉗型電流表（交流量程分別為40.00 A、600.00 A及1 000.00 A）。

為對提出方法進行先行性和可靠性驗證，在實際測試中，將本文方法與傳統(tǒng)方法進行對比分析，實驗結果如圖2所示。

圖2 實驗結果

由圖1可知，采用傳統(tǒng)方法測試的數(shù)據(jù)，高壓部分出現(xiàn)了較大誤差。分析誤差變化趨勢，誤差是從正誤差變?yōu)樨撜`差，重復性較差，無法滿足精度的要求。采用本文設計方法的測試數(shù)據(jù)更接近理想數(shù)值，降低了直流偏磁造成的誤差，提高了電流互感器的準確性。

3 結 論

本文主要針對直流偏磁問題基于數(shù)字算法提出了電流互感器誤差補償方法。通過公式推導等方式闡述了各種因素對電流互感器測量精度的影響。運用數(shù)字算法運算嵌入式電流互感器的電場，得到電流互感器長時間運行后的二次側電流輸出值。通過實驗證明，基于數(shù)字算法的電流互感器誤差補償方法的測量精度較高。