測量用互感器的原理與計量分析

申云倩

（揚州市計量測試技術(shù)研究所，江蘇 揚州 225000）

0 引 言

電氣產(chǎn)業(yè)是民生之基，是國民經(jīng)濟中的關(guān)鍵一環(huán)，而電力工程品質(zhì)與國民生活息息相關(guān)。輸配電系統(tǒng)中技術(shù)要求最高、投資最多的項目就是變電站的建立和維護，其項目質(zhì)量關(guān)系到電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量和能否安全持續(xù)供電。發(fā)輸變電站中的測量器具是其必不可少的一部分，常用來測量電力系統(tǒng)中的頻率波形、電流、電壓、有功和無功功率，以保證系統(tǒng)安全運行。

21世紀，國內(nèi)變電站電能計量技術(shù)偏重對電能計量手段的創(chuàng)新以及信號分析算法的研究，對計量器件和互感器的研究偏弱。2020年，國內(nèi)李克卿提出當前應(yīng)對由互感器非線性特性導(dǎo)致的電測量偏差加以重視，否則會為電力行業(yè)帶來巨額資金損失[1]。

2019年，國外Elzbieta Lesniewska等人認為當前均是在工頻條件下搭建的互感器模型，并不適合復(fù)雜信號，應(yīng)對互感器中重要元件磁芯的磁化進行精確建模[2]。

本文主要分析研究了電測量系統(tǒng)中電流互感器、電壓互感器的工作原理與使用，并對電磁式互感器和電子式互感器的計量方式做了比較分析。

1 電測量子系統(tǒng)工作原理

電測量子系統(tǒng)工作原理如圖1所示，先由一次設(shè)備對信息進行收集采樣，由光纖將模擬量傳輸至保護器件，再由監(jiān)控系統(tǒng)接收該信息。一次設(shè)備輸入量經(jīng)過電流、電壓互感器變流及變壓后成為二次輸入量，二次電纜將其傳輸?shù)诫娔鼙聿⑦M行計算。

圖1 電測量子系統(tǒng)工作原理

計量系統(tǒng)中的誤差無法避免，常來自于互感器的角差、二次回路的電壓降落以及電能表自身的誤差，具體如圖2所示。因此，對測量用互感器的計量成為整個電測量子系統(tǒng)中重要的一環(huán)，是電能測量準確性的基礎(chǔ)一環(huán)。

圖2 計量系統(tǒng)誤差來源

2 電流互感器

電流互感器（Current Transformer，CT）即通過法拉第電磁感應(yīng)定律，將通向與電源直接相連的一次側(cè)大電流轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌@組的小電流后再測量的裝置。測量用電流互感器需要串聯(lián)在待測回路中，其工作狀態(tài)趨向于短路狀態(tài)，作用是電氣隔離以及將大電流轉(zhuǎn)化為小電流。測量用電流互感器的誤差主要由勵磁電流造成，本文主要對電子式電流互感器和電磁式電流互感器進行介紹。

2.1 電磁式電流互感器

電 磁 式 電 流 互 感 器（Electromagnetic Current Transformer，ECT）是目前電力系統(tǒng)中最常用的一種互感器，作為收集前端信號的器具與電能測量是否精準密切相關(guān)。將CT一次繞組與待測裝置串聯(lián)，一次側(cè)電流大小不受二次側(cè)影響，特別注意的是運行狀態(tài)下二次側(cè)不允許開路，否則鐵芯上產(chǎn)生大量損耗放出大量熱，燒毀設(shè)備。

對于待測三相對稱信號時采用單項式接線，星形接線用于測量三相電流時可以檢測三相是否對稱[3]。

CT體積大、質(zhì)量重、成本高、維護復(fù)雜，并且受到一、二次側(cè)磁聯(lián)系的影響，該類互感器測量準確性不高。通過在系統(tǒng)串聯(lián)電抗器可以有效防止短路電流的產(chǎn)生，從而避免電磁式電流互感器發(fā)生磁飽和。根據(jù)CT結(jié)構(gòu)的不同可以分為支柱式互感器和穿心式互感器。

CT的非線性特性即誤差特性，互感器工作時受到磁滯效應(yīng)產(chǎn)生的渦流和鐵芯飽和的干擾，其特性會表現(xiàn)為非線性，當系統(tǒng)頻率高于300 Hz或存在外磁場時會產(chǎn)生較大誤差。

在對電磁式電流互感器進行計量檢定的時候，可以依據(jù)《測量用電流互感器檢定規(guī)程》（JJG 313—2010），分別對外觀檢查、絕緣電阻測量、工頻耐壓試驗、退磁、繞組極性檢查、基本誤差測量、穩(wěn)定性試驗這些項目進行檢定[4]。其中基本測量誤差的檢定按照標準器的不同可分為標準互感器檢定、雙級電流互感器檢定、電流比較儀檢定、感應(yīng)分流器檢定，其接線方式也應(yīng)按標準器選擇的不同有所區(qū)分。在使用標準互感器檢定時，應(yīng)將被檢電流互感器與標準互感器、電流互感器負載箱、數(shù)字式互感器校驗儀按規(guī)定方式接線，并使標準電流互感器與被檢電流互感器在相同額定變比條件下采用比較法進行測量，將互感器校驗儀測得值作為被測電流互感器的比值差和相位差。

2.2 電子式電流互感器

電 子 式 電 流 互 感 器（Electronic Current Transformer，ECT）是電子式互感器的一種，其二次轉(zhuǎn)換器的輸出在正常工作時與一次電流成正比，當相位差在連接方向準確時會接近于相位角。電子式電流互感器是智能變電站的重要裝置之一，具有體積小質(zhì)量輕、成本低、絕緣性能優(yōu)良的優(yōu)點，且由于ECT不含有鐵芯，杜絕了鐵磁諧振發(fā)生的隱患。根據(jù)測量的原理不同，可以將ECT分成3類[5]。

2.2.1 光學(xué)ECT

基于光學(xué)原理搭建傳感器，材料是光學(xué)玻璃和全光纖，光纖光纜構(gòu)成傳輸系統(tǒng)，其輸出電壓與待測量電流成正比關(guān)系。

由于極易受溫度干擾，磁光介質(zhì)的維爾德常量會隨溫度發(fā)生變化，從而影響計量精確度。此外噪音也是誤差主要來源之一，對于小電流信號，負荷電流有大變化范圍時，信號中的噪聲較大，信噪比低從而產(chǎn)生大誤差。

2.2.2 空心線圈ECT

主要由羅氏線圈組成，羅氏線圈即微分電流傳感器，其輸出信號是電流對時間的微分?；诹_氏線圈構(gòu)建的空心線圈ECT不會發(fā)生磁滯效應(yīng)，但該類線圈高壓側(cè)需要電壓提供電能。

受溫度影響，微分電流傳感器的骨架會對輸出電壓造成相對誤差，而且組成互感器的元件抗溫度變化干擾的能力較弱，因此溫度對空心線圈電流互感器的影響是綜合的。但由于其是空心線圈，所以不會發(fā)生磁滯效應(yīng)，有良好的不飽和特性，幾乎不會被負荷電流干擾，有助于改善非線性誤差。

2.2.3 鐵芯線圈式低功率電流互感器

低 功 率 電 流 互 感 器（Low Cower Current Transformer，LPCT）是基于傳統(tǒng)CT的新型互感器，優(yōu)點是在一次電流較大時依然具有優(yōu)秀的飽和特性，有利于減小功率損耗，輸出電壓信號。傳感器接收待測信號后經(jīng)過傳輸系統(tǒng)輸，IV入至二次轉(zhuǎn)換器，將大電流轉(zhuǎn)化為小電流再輸出。

鐵芯線圈式低功率電流互感器幾乎不會受溫度變化的干擾，LPCT的溫度特性取決于內(nèi)部電阻元件。由于LPCT內(nèi)部有鐵芯所以有磁滯效應(yīng)，鐵芯飽和程度決定了LPCT負荷特性，也是其誤差的主要來源。

綜上，光學(xué)電流互感器適用于溫度穩(wěn)定且噪音較小的環(huán)境；空心線圈電流互感器適用于溫度較穩(wěn)定的環(huán)境；鐵芯線圈式低功率電流互感器在一次側(cè)電流較大時依然會有良好的準確度。LPCT精確度最高，其次是空心線圈電流互感器，光學(xué)電流互感器精確度最低最易受干擾。

與傳統(tǒng)CT相比ECT有較大的動態(tài)范圍，絕緣性能良好，能響應(yīng)較多頻率，其測量結(jié)果更準確、誤差更小。

在對電子式電流互感器進行計量檢定的時候，依據(jù)《電子式互感器校準規(guī)范》（ JJF 1617—2017），對其守時誤差、比值誤差和相位誤差、測量重復(fù)性、短時穩(wěn)定性、直流偏置進行校準[6]。其中比值誤差和相位誤差使用電子式互感器校驗儀和標準電流互感器作為標準器，采用比較法進行校準，校準的過程應(yīng)在插值和同步脈沖兩種模式下進行，將升流器、電子式電流互感器、標準電流互感器的一次端子串聯(lián)成閉環(huán)，并將被測電子式電流互感器與標準互感器的輸出信號和電子式互感器校驗儀相連。同步脈沖法需要外接時鐘源作為同步時鐘，實現(xiàn)合并單元與電子式互感器校驗儀的同步采樣，插值法則不需要外接時鐘源，用電子式互感器校驗儀的測得相位差與電子互感器額定值進行比較。

3 電壓互感器

電壓互感器（Voltage Transformer，VT）是對待測線路進行變壓供電的裝置。VT由纏繞在兩根鐵芯且相互絕緣的繞組組成，一次側(cè)與線路并聯(lián)，二次側(cè)并聯(lián)在計量儀表中。測量用VT容量較小且工作狀態(tài)趨近于空載，常做成單相雙線圈結(jié)構(gòu)。

3.1 電磁式電壓互感器

電磁式電壓互感器是一種特殊的變壓器，常用于35 kV或220 kV系統(tǒng)中，用途是將一次側(cè)的高電壓轉(zhuǎn)化為二次側(cè)輸出的易于檢測計量的低電壓。其一次側(cè)不受二次側(cè)的影響，可等效為電壓源，由于二次負荷不大可近似為空載。

（1）鐵磁諧振是電磁式VT的最大缺陷，線路空載或發(fā)生接地短路時，由于電磁式電壓互感器的鐵芯電感是非線性電感，會與線路對地電容產(chǎn)生鐵磁諧振，進而產(chǎn)生過電壓損壞設(shè)備。將互感器中性點經(jīng)消弧線圈接地可以有效避免鐵磁諧振，消弧線圈應(yīng)采用過補償方式，在二次側(cè)零序電壓繞組兩端口處串聯(lián)非線性電阻也是避免鐵磁諧振的有效措施。上述兩種措施并不能完全避免鐵磁諧振的產(chǎn)生，一旦在安裝線圈和電阻后發(fā)生諧振會產(chǎn)生嚴重過電壓，破壞絕緣裝置。

（2）研究電磁式VT對沖擊電壓的響應(yīng)特性有利于更好檢測裝置繞組的工作情況。在一次側(cè)受到?jīng)_擊電壓時，會在電磁式VT二次側(cè)同時產(chǎn)生與沖擊電壓極性相同的感應(yīng)電壓。

在對電磁式電壓互感器進行計量檢定的時候，可以依據(jù)《測量用電壓互感器檢定規(guī)程》（ JJG 314—2010），分別對外觀檢查、絕緣電阻測量、絕緣強度試驗、繞組極性檢查、基本誤差測量、穩(wěn)定性試驗這些項目進行檢定[7]。其中基本測量誤差的檢定一般采用比較法，按照標準器的不同可分為標準電壓互感器檢定、電壓比例標準器檢定、電容式電壓比例裝置檢定，并按所選擇的標準器選定相應(yīng)的接線方式。

3.2 電子式電壓互感器

電 子 式 電 壓 互 感 器（Electronic Voltage Transformer，EVT）是電子式互感器的一種，與計量系統(tǒng)的準確性息息相關(guān)，優(yōu)點是體積小質(zhì)量較輕、輸出為數(shù)字量且不會發(fā)生鐵磁諧振，有優(yōu)良的絕緣性能。缺點是容易出現(xiàn)故障，抗溫度變化及電磁干擾的能力較低。電子式電壓互感器根據(jù)傳感原理分為如下兩類。

（1）電阻分壓式電壓互感器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中1為氣體放電管，發(fā)生過電壓時可以保護裝置；2為傳輸用絕緣雙絞線；3是由相位調(diào)節(jié)、電壓補償、電壓跟隨構(gòu)成的信號處理裝置。

圖3 電阻分壓式互感器結(jié)構(gòu)

電阻分壓式電壓互感器的電壓比等于（R1+R2）/R2，電阻R1、R2阻值易受到溫度和電壓影響，從而改變電壓比，這是該類電壓互感器誤差的主要來源。

（2）電容分壓式電壓互感器結(jié)構(gòu)如圖4所示，不計損耗情況下的分壓比為（C1+C2）/C1。

圖4 CEVT結(jié)構(gòu)圖

低壓側(cè)并聯(lián)的電阻阻值和電容C2越小，信號占據(jù)的頻帶越寬，傳感特性越優(yōu)良；電容和電阻Rf阻值越小，由電荷引起的暫態(tài)越短暫，計量更精確，從而提高傳感特性。

3.3 電容式電壓互感器

電 容 式 電 壓 互 感 器（Capacitive Voltage Transformer，CVT）由中壓變壓器和電容分壓器共同構(gòu)成，前者補償電抗器，后者主要承擔施加在互感器的高電壓，根據(jù)二者的不同搭建方式分為組合和單柱。

下面分析影響電容式電壓互感器傳變特性的因素。

（1）頻率。由于互感器中的電抗器和分壓器抵抗頻率變化干擾的能力較弱，所以頻率是電容式電壓互感器計量誤差的主要來源。

（2）溫度?；ジ衅髦须娙葜禃軠囟扔绊?，其變化率為：

式中，△C即△T內(nèi)C的該變量，C20°C即在20℃時C的大小。互感器采用復(fù)合介質(zhì)材料能夠改善C抗溫度干擾能力。其等效直流電阻阻值也易受到溫度干擾，產(chǎn)生誤差影響傳變特性。

（3）過電壓。在低頻過電壓下，電容式電壓互感器會呈飽和狀態(tài)，使其傳變特性發(fā)生偏離計量結(jié)果出現(xiàn)誤差，在線路應(yīng)用頻率閉鎖判據(jù)是有效規(guī)避過電壓影響的方式。

電容式電壓互感器常應(yīng)用于額定電壓等級大于110 kV時，可以有效保證電力系統(tǒng)經(jīng)濟性。

在對電子式電壓互感器進行計量檢定的時候，依據(jù)《電子式互感器校準規(guī)范》（JJF 1617—2017）進行校準。將電子式電壓互感器、標準電壓互感器的一次端子高壓低壓端分別與升壓器的高壓低壓端對接，并將被測電子式電壓互感器與標準互感器的輸出信號與電子式互感器校驗儀相連。

4 結(jié) 論

本文主要對電能傳輸測量環(huán)節(jié)進行分析，分析了電測量子系統(tǒng)的工作原理和誤差來源，重點研究了測量用電流電壓互感器及其計量方式。

電流互感器分為電磁電流互感器和電子式電流互感器，對后者的分類以及非線性特性進行分析，與傳統(tǒng)CT相比電子式電流互感器有較大的動態(tài)范圍，絕緣性能良好，能響應(yīng)較多頻率，其測量結(jié)果更準確、誤差更小。

電壓互感器分為電磁式、電子式和電容式互感器。鐵磁諧振是電磁式互感器的最大缺陷，由幅頻特性可知，電磁式電壓互感器常應(yīng)用于電網(wǎng)額定電壓等級小于110 kV時，在小于1 kHz的計量時可以保證產(chǎn)生的計量誤差在5%以內(nèi)。對電容式電壓互感器的頻率、溫度和過電壓非線性特性進行分析可得，電容式電壓互感器常應(yīng)用于額定電壓等級大于110 kV時，可以有效保證電力系統(tǒng)經(jīng)濟性。