直流偏磁下計量用電流互感器在線補償技術(shù)研究

胡 琛，張 竹，陳 剛，李 敏，楊愛超，李東江

(1.國網(wǎng)江西省電力有限公司供電服務(wù)管理中心，江西南昌 330096；2.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，安徽合肥 230009；3.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司營銷服務(wù)中心,江蘇南京 211103)

0 引言

隨著特高壓直流和交流工程的建設(shè)，中國電網(wǎng)呈現(xiàn)出交直流混聯(lián)大電網(wǎng)形態(tài)。當(dāng)直流輸電運行于單極大地回線或雙極不平衡運行方式時，將會有高達(dá)數(shù)千安培的直流電流流入大地，部分直流電流流經(jīng)中性點接地的電力變壓器在交流系統(tǒng)中形成回路，從而在變壓器和電流互感器中產(chǎn)生直流偏磁[1-3]。另一方面，地磁暴效應(yīng)產(chǎn)生的地磁感應(yīng)電流(GIC)頻率很低，一般情況下，這種地磁感應(yīng)電流的頻率為0.01～0.1 Hz。

電磁式電流互感器作為電力系統(tǒng)重要的電能計量器具，其工作是基于電磁感應(yīng)原理，通過鐵芯的磁耦合實現(xiàn)一次電流到二次電流的變換。當(dāng)一次電流存在直流分量時，勵磁電流中也出現(xiàn)了直流分量，由于鐵芯具有非線性勵磁特性，這將導(dǎo)致電流互感器工作點改變，嚴(yán)重時鐵芯半周磁飽和，導(dǎo)致電流互感器二次輸出越限，影響電能計量結(jié)算的可靠性[4-6]。

20世紀(jì)40年代初，國外學(xué)者對直流偏磁起因、作用機理和危害性等進(jìn)行了研究，但是沒有深入研究直流偏磁工況下電流互感器的輸出特性。近年來，國內(nèi)學(xué)者研究了直流偏磁工況下電流互感器的穩(wěn)態(tài)特性和暫態(tài)特性[7-9]。計及特高壓直流輸電系統(tǒng)單極大地運行方式引發(fā)的直流偏磁，文獻(xiàn)[10-12]研究了直流偏磁對電流互感器傳變特性的影響，分析了直流偏磁下電流互感器飽和對電能計量的影響。然而，這些研究還較少涉及電流互感器直流偏磁的抑制方法和措施。

本文分析了直流偏磁工況下電流互感器二次輸出波形的特點，在此基礎(chǔ)上提出一種直流偏磁下計量用電流互感器在線補償技術(shù)，通過相敏檢波和多級濾波技術(shù)檢測電流互感器二次側(cè)輸出的二次諧波的大小及相位，判斷電流互感器直流偏磁的嚴(yán)重程度，同時調(diào)節(jié)壓控電流源向互感器補償繞組注入相應(yīng)量的反向直流電流作為補償，補償電流產(chǎn)生反向直流磁場，抵消互感器中一次直流電流產(chǎn)生的磁場，從而減小電流互感器的直流偏磁程度。

1 直流偏磁對電流互感器的影響

直流分量對電流互感器的影響，通常采用半波電流的方法進(jìn)行試驗，半波電流的直流分量占比達(dá)32%，當(dāng)半波電流通過一次繞組時，直流分量使電流互感器工作接近飽和區(qū)，磁導(dǎo)率下降，其誤差將顯著的往負(fù)方向移動，二次繞組輸出電流波形嚴(yán)重畸變且幅值大幅度縮減，如圖1所示，上半部波形為一次電流，下半部波形為電流互感器輸出二次電流。

圖1 半波直流下電流互感器一次、二次電流波形圖

通過對理想半波電流進(jìn)行FFT分析，其傅里葉展開式如下：

(1)

從式(1)可知，半波直流經(jīng)過FFT分析后，其直流分量為電流峰值的1/π，約為0.32。半波電流諧波成分主要體現(xiàn)在偶次諧波的增大[13]。

2 直流偏磁在線補償裝置

2.1 直流偏磁補償原理

由上述分析可知，當(dāng)電流互感器一次存在直流時，電流互感器二次側(cè)輸出存在二次諧波分量，其含量與一次直流分量密切相關(guān)。

基于上述關(guān)系，通過檢測電流互感器二次輸出的二次諧波分量，根據(jù)檢測到的二次諧波的大小及相位，可以間接判斷鐵磁材料偏磁情況，實現(xiàn)電流互感器直流偏磁誤差在線監(jiān)測。同時，控制直流電流源向補償繞組注入相應(yīng)量的反向直流電流作為補償電流，補償電流在補償繞組中產(chǎn)生磁場，當(dāng)二次側(cè)輸出信號偶次諧波最小時，達(dá)到最佳補償狀態(tài)。此時，鐵芯磁滯回環(huán)工作點回到理想位置，磁滯回環(huán)上下半軸對稱，補償電流產(chǎn)生的直流磁場和一次側(cè)直流所產(chǎn)生的磁場正好抵消，互感器鐵芯直流偏磁程度最小，電流互感器計量繞組的準(zhǔn)確度也得以保證。

2.2 裝置設(shè)計

由前面分析可知，當(dāng)電流互感器的一次繞組有直流量時，由于受直流偏磁影響，二次側(cè)輸出會含有二次諧波分量。直流在線補償技術(shù)通過在線檢測二次諧波分量大小，根據(jù)檢測到的二次諧波的方向及其大小，向補償繞組注入相當(dāng)量的反向直流電流，補償電流在補償繞組中產(chǎn)生磁場，抵消一次側(cè)直流所產(chǎn)生的磁場，達(dá)到在線實時減小一次側(cè)電流中直流分量影響的目的。直流在線補償裝置原理框圖如圖2所示。

圖2 直流偏磁在線補償裝置原理框圖

其中，標(biāo)準(zhǔn)信號變換器將電流互感器二次輸出電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷海蛔杩棺儞Q電路具有高輸入阻抗，經(jīng)阻抗變換后的信號一路經(jīng)過整形倍頻為100 Hz，作為相敏檢波的參考信號；另一路經(jīng)過50 Hz帶阻濾波之后，作為相敏檢波的輸入信號。相敏檢波的輸出經(jīng)過低通濾波，仍然有一定含量的50 Hz紋波，再經(jīng)過50 Hz帶阻濾波和低通濾波，最終控制壓控電流源輸出與一次直流電流成比例的直流補償電流，使得二次輸出電流的偶次諧波最小。輸出的反向直流電流磁場抵消一次電流直流電流磁場，達(dá)到在線實時消除或減小直流偏磁的目的。

實際工況下，電流互感器為多抽頭互感器，直流偏磁誤差在線補償裝置現(xiàn)場實施方案示意圖如圖3所示。其中，L1、L2為一次繞組的兩端(一次側(cè))；K1、K3為二次繞組的兩端，K2為二次繞組中間抽頭。假設(shè)K1、K2為二次輸出接線端子，連接后續(xù)二次測量設(shè)備；則可以使用K2、K3作為補償繞組端子，用于注入反向補償直流電流。

圖3 現(xiàn)場實施方案示意圖

直流在線補償測方法的關(guān)鍵點在于確定電流互感器輸出的二次諧波含量，以此定量評估一次側(cè)直流量，從而控制電流源產(chǎn)生相應(yīng)的補償直流，減小或者抵消一次側(cè)直流影響。為了實現(xiàn)該功能，直流偏磁在線補償裝置采用了基于相乘原理的相敏檢波技術(shù)、多級濾波技術(shù)和壓控電流源技術(shù)。

2.3 相敏檢波電路

為了補償一次電流產(chǎn)生的直流偏磁，首先需要從電流互感器二次輸出的基波中檢測出二次諧波的含量。電流互感器二次側(cè)輸出電流中，二次諧波最大時為基波電流的8%左右，最小時為基波電流的0.2%左右，兩者的幅值相差倍數(shù)約在50～500倍之間。直接采用高通濾波器是難以準(zhǔn)確提取出二次諧波，因此，采用了高靈敏度的相敏檢波技術(shù)來提取二次諧波。

相敏檢波的主要作用是從輸入信號中取出與參考信號同頻同相的信號，其基本工作機理就是將頻率為ω1的輸入信號與頻率為ω2的參考信號相乘，再通過濾波將高頻成分濾除，取出低頻信號。假設(shè)ui1和ui2分別為輸入信號和參考信號：

(2)

經(jīng)過乘法器之后的輸出為

(3)

第一項為差頻分量，即低頻成分，第二項為和頻分量，即高頻成分。當(dāng)2個信號同頻率時，即ω1=ω2差頻信號輸出為直流，且直流量大小和方向與2個輸入信號的初相有關(guān)，體現(xiàn)出了相敏檢波的選頻和鑒相特性。相敏檢波的總輸出信號為直流信號疊加和頻交流信號，即為：

(4)

輸出信號經(jīng)過低通濾波電路，濾除高頻成分，即得到直流成分。本裝置相敏檢波芯片采用調(diào)制解調(diào)專用芯片AD630，能夠從100 dB的噪聲中恢復(fù)出有益信號，帶寬達(dá)到2 MHz。

2.4 多級濾波電路

相敏檢波電路輸出信號是和頻和差頻信號的疊加，需要經(jīng)過低通濾波器濾除和頻信號，得到差頻直流信號。多級濾波電路原理圖如圖4所示。

圖4 低通濾波器原理圖

R14和C11、R15和C15分別構(gòu)成一階低通電路，C11在低頻段引入正反饋，在高頻段引入負(fù)反饋，電路總體幅頻特性更接近于理想。其傳遞函數(shù)為

(5)

當(dāng)電路Q值為0.707時，-3 dB截止頻率點為30 Hz。

2.5 壓控電流源

經(jīng)過相敏檢波和多級濾波之后，為了產(chǎn)生該直流補償電流，使用壓控電流源做最后輸出級[14]，最終控制壓控電流源輸出與一次直流電流成比例的直流補償電流，使得二次輸出偶次諧波最小。壓控電流源原理圖如圖5所示。

圖5 壓控電流源

壓控電流源輸出電流與輸入電壓關(guān)系為

I=ui/Rs

式中：ui為輸入電壓；Rs為限流電阻。

3 試驗驗證

3.1 直流偏磁對電流互感器的影響試驗

首先，在無直流偏磁在線補償裝置的情況下，對某電流互感器的計量繞組(額定600 A，0.2級)開展直流偏磁影響試驗，測試時功率因數(shù)cosφ=0.8，試驗結(jié)果如表1、表2所示。表1對應(yīng)的是輕載2.5 VA工況，表2對應(yīng)的是滿載30 VA工況。

表1 空載時直流分量對計量誤差的影響

表2 滿載時直流分量對互感器誤差的影響

結(jié)果表明：在一次電流中疊加直流后，輸出的二次諧波含量與直流分量大小正相關(guān)，二次諧波最大值為基波電流的6%左右；直流偏磁下電流互感器的誤差嚴(yán)重超差，比差向正方向偏移，角差向負(fù)方向偏移；輕載情況下直流偏磁對電流互感器的影響較小，這是由于輕載時鐵芯磁密變化范圍較小，進(jìn)入飽和區(qū)程度較淺。

直流偏磁導(dǎo)致電流互感器的二次側(cè)產(chǎn)生二次諧波，二次諧波含量與直流偏磁分量的大小呈現(xiàn)相關(guān)性。規(guī)格不同的互感器相關(guān)程度不一樣，但互感器輸出二次諧波電流含量與一次電流直流分量含量的變化規(guī)律是相似的，如圖6所示。

圖6 二次諧波與一次側(cè)直流電流關(guān)系

3.2 在線補償裝置試驗

直流在線補償方案驗證性試驗的原理框圖如圖7所示，試驗設(shè)備包括交直流合成大電流發(fā)生裝置[15]、標(biāo)準(zhǔn)電流互感器(0.05級)、被測計量用電流互感器、互感器校驗儀(0.05級)、直流偏磁在線補償裝置等。引入直流偏磁在線補償裝置后，在不同負(fù)載和額定電流情況下對電流互感器計量繞組的誤差進(jìn)行測試，試驗現(xiàn)場接線圖如圖8所示。

圖7 試驗原理框圖

圖8 試驗接線圖

根據(jù)實驗接線圖將自動在線補償裝置的輸出反饋到電流互感器補償繞組，補償繞組為65匝，CT比差角差測試使用校驗儀。在不同負(fù)載情況下，分別對未補償和補償線之后的互感器準(zhǔn)確度進(jìn)行對比，測量結(jié)果如表3～表6所示。表3和表5對應(yīng)的是負(fù)載2.5 VA，補償線圈120匝的工況，表4和表6對應(yīng)的負(fù)載30 VA，補償線圈120匝的工況。

表3 在線直流補償測試結(jié)果1

表4 在線直流補償測試結(jié)果2

表5 在線直流補償測試結(jié)果3

表6 在線直流補償測試結(jié)果4

由驗證性試驗結(jié)果可知：引入直流偏磁在線補償裝置后，不同一次電流和二次負(fù)載工況下，電流互感器的誤差均小于0.2%，表明該裝置能夠?qū)﹄娏骰ジ衅鞯闹绷髌庞绊懫鸬斤@著的補償作用。

4 結(jié)論

直流偏磁工況下，電流互感器誤差不滿足準(zhǔn)確度要求；基于直流負(fù)反饋原理的直流偏磁在線補償方法，有效減小了直流偏磁對電流互感器計量誤差的影響；本文提出的直流偏磁在線補償技術(shù)主要適用于穩(wěn)態(tài)直流偏磁的補償。雷電流、斷路器開合閘、短路過電流等暫態(tài)工況時間較短，對累計計量誤差的貢獻(xiàn)較小，不予以補償。