低功耗铁芯线圈型电子式电流互感器的非线性补偿技术研究

刘江仙， 沈利清

（1.浙江天际互感器有限公司， 浙江 江山 324123； 2.中国计量学院， 杭州 310018）

低功耗铁芯线圈型电子式电流互感器的非线性补偿技术研究

刘江仙1， 沈利清2

（1.浙江天际互感器有限公司， 浙江 江山 324123； 2.中国计量学院， 杭州 310018）

低功耗铁芯型电子式电流互感器通常连接测量用仪器仪表，但是作为一次传感器的低功耗铁芯线圈具有非线性的特点，磁化电流是它的主要误差源。因此提出了一种非线性补偿技术，该技术基于低成本线性电路和非线性数字控制律，能输出准确度高的电压模拟量，理论分析及实验验证了该技术方案的可行性。

电子式；电流互感器；铁芯线圈型；非线性

0 前言

电子式电流互感器将电网电流按比例转换为合适的信号供测量仪表、保护和控制装置使用。电子式电流互感器一次传感元件通常采用光学器件、带或不带积分器的空心线圈以及带取样电阻的低功耗铁芯线圈等，在这些元件中，带取样电阻的低功耗铁芯线圈传感器具有性能稳定、输出信号大且不易饱和的优点，因此这种类型的电子式电流互感器既可作为测量用电子式电流互感器，也可作为测量和保护的多用途电子式电流互感器[1]。 与传统电流互感器相比， 低功耗铁芯线圈传感器虽然运行在低功耗状态下，但磁化电流仍然是它的主要误差源。当被测一次电流变化时，励磁支路的等效电阻和电感非线性变化，因此励磁电流和一次电流的复数比也是非线性变化的。在没有采取一定补偿措施前，比差和角差呈非线性，而且通常会超出误差的限值范围。

对于传统电流互感器，有许多补偿的办法，例如传统的匝数补偿、磁分路补偿等误差补偿技术及多铁芯式补偿技术[2-3]。 匝数补偿技术一般针对比差进行补偿，磁分路补偿主要利用部分铁芯的饱和作用来达到比差和相角差的补偿效果，但引入了非线性励磁，同时也增加了工艺的复杂性。多铁芯式补偿技术线路复杂，一般用在标准电流互感器的场合，如双级电流互感器。近年来还出现了数字算法、辅助电子线路、外部电流注入等补偿技术[4-6]， 其中数字算法需要测量二次瞬时电流以及包含磁滞和涡流现象的铁芯模型，该方法无法对输出模拟量进行修正；辅助电子线路通过提供二次负载电势来减少铁芯的磁动势，从而达到减少磁化电流的目的；利用物理相似原则，通过微型铁芯线圈产生模拟的磁化电流并注入到二次输出线路，以达到补偿的效果。但是以上均为传统电流互感器的补偿方法，并非针对电子式电流互感器。

本文提出一种低功耗铁芯线圈型电子式电流互感器的非线性补偿技术，基于线性电路和非线性数字控制律，通过跟随电子式电流互感器输出电压、构建电压同相和正交分量并进行电流转换实现补偿目的。

1 非线性补偿的原理

式中： ω=2πf，f为工频频率。

将式（2）代入式（3）， 再将式（3）代入式（1），并略去微小量 L2， Cc， Ic和 1/Rb， 得

电流的 同相和 正 交比 例量， 运算放 大 器 IC4 和IC5 实现同相和正交比例量的合成及电压-电流的 转 换 。 的 同 相 和 正交 比 例 量 由标 量 电 压 V1和V2· 驱 动 产 生 ，而其 中为 互 感 器 输 出 Vs的 非 线 性 函 数 ， 它 们 可 以由廉价的单片机及两片数模转换器方便地实现。

由于电子式电流互感器输出最多为几伏，未经补偿的传感器准确度通常可达 1%且二次电流不 大 于 1 A， 因 此 可 以 采 用 普 通 的 运 算 放 大 器 。如 果 Rs1=Rs2=Rf及 R5=R6， 则

2 非线性补偿的简便方法

根据定义，电子式互感器的比差ε和角差φ可以表示为：

图1 低功耗铁芯线圈型电子式电流互感器的非线性补偿电路图

式中： Kra=1/Rsh， 为 一 次电 流折算 到二次 侧后 的额定变比。

假定补偿电流设计为

将式（8）代入式（7）， 得到经补偿后的误差：

未加补偿时原始的比差 ε0和 φ0， 可以在补偿电路尚未接入时利用电子式互感器校验仪方便地测量。 补偿是对 1%～120%额定一次电流（也即额定二次输出电压）范围内，任意工作电流条件下的补偿。考虑到未经补偿的电子式电流互感器误差曲线的连续和光滑性， 原始比差 ε0和 φ0可以仅仅在 1%， 5%，20%，100%及 120%额定电流等几个有限的工作条件下测量，其他任意工作状态可通过拟合曲线得到，如图2所示。这样，对于电子式电流互感器的任意输出 Vs， 便可在单片机中通过查找曲线得到相应的原始比差 ε0和 ε0，同时利用式（10）和（11）计算出 V1和 V2并输出。

3 实验结果

为了验证非线性补偿方案的正确性，设计了1 个额定变比为 200 A/1 V、准确度等级为 0．2S、2．5W 取 样 电 阻 Rsh=0．5 Ω 的 低 功 耗 铁 芯 线 圈 型电子式电流互感器，取样电阻精度为 0．01%。补偿电路参数为 R3=39 kΩ，R5=R6=100 kΩ，R7= 390 kΩ 以及 C7=0．1 μF， 其他电阻为 380 kΩ。 补偿电路中所有电阻均为 0．1%精度的金属膜电阻，所有运算放大器均采用 OP07。 检测系统采用差值法原理进行误差的测量和计算，二次参考电压信号由额定变比为 200 A/5 A 的 0．02S 级标准电流互感器二次输出的电流在 0．01 级、 0．2 Ω、 5W的四端电阻上转换得来。参考信号及差值信号通过数据采集卡进行采集， 采样频率为 51．2 kHz，它们的幅值和相位通过傅立叶变换得到，频率信息通过单相软件锁相环（SPLL）获得。 最后通过LabVIEW 软件进行误差计算和显示。

表1为补偿前后该电子式电流互感器的误差测量结果。从表1可以看出，补偿前电子式电流互感器的准确度等级为 0．5 级， 补偿后准确度提高到了 0．2S 级， 实验结果验证了方法的可行性。

4 结语

图2 原始比差 ε0和 φ0的拟合曲线

表1 补偿前后的误差

低功耗铁芯型电子式电流互感器的误差具有非线性的特点，磁化电流是其主要的误差源。为减少误差，提出了一种非线性补偿技术并进行了理论分析，得到了直接反映补偿效果的误差表达式。在此基础上进行了基于低成本线性电路和非线性数字控制律的设计，实现了输出模拟量的误差补偿，实验结果验证了该补偿技术理论分析的可行性。

[1]IEC 60044 －8 International Standard．Instrument transformers－Part8∶Electronic current transformers[M]．2002．

[2]赵修民．测量用互感器[M]．北京：机械工业出版社，1986．

[3]D BRANISHAV， E SO．An optically isolated hybrid twostage current transformer for measurements at high voltage[J]．IEEE Trans on Instrumentation and Measurement，2006，55（4）∶1204－1207．

[4]N LOCCI， CMUSCAS．A digital compensationmethod for improving current transformer accuracy[J]．IEEE Trans on Power Delivery,2000，15（4）∶1104－1109

[5]D SLOMOVITZ．Electronic error system for clamp-on probes andmeasuring current transformers[J]．IEEE Trans on Instrum and Meas，2000，49（6）∶1278－1281．

[6]Q XU， A REFSUM， RWATSON．Application of external compensation to current transformer[J]．in Proc IEE of Science Measurement and Technology，1996，143 （2）∶147－150．

（本文编辑：陆 莹）

Research on Nonlinear Com pensation Technology for Low Power Iron-core Coil Electronic Current Transformers

LIU Jiang-xian1， Shen Li-qing2
（1.Zhejiang Horizon Instrument Transformers Co.， Ltd， Jiangshan Zhejiang 324123， China；2.China Jiliang University， Hangzhou 310018， China）

electronic；current transformer；iron-core coil；nonlinear

TM452

： B

： 1007-1881（2011）07-0019-04

2011-4-26

刘江仙（1962-）， 女， 浙江江山人， 工程师， 从事机电设计工作。

Abstruct： The low power iron-core coil electronic current transformers are often connected with measuring instruments and meters.However,low power iron-core coils have nonlinear characteristics as primary current sensors and themain error source is themagnetizing current.Therefore,a nonlinear compensation approach is proposed.It can output high-accuracy voltage analog quantity based on a low-cost linear circuit and a nonlinear numeric control law.And the feasibility of the technical scheme is verified by theoretical analysis and experiments.