基于低压外推法的电流互感器现场校验仪校准方法的比较与分析

2013-04-24张杰梁

计量技术 2013年7期

张杰梁

(福建省计量科学研究院，福州 350003)

0 引言

为解决电流互感器现场校准这一难题，上世纪90年代起，国内外学者就开始研究电流互感器的现场测试技术。1997年，王新民的《澳大利亚红相电力设备公司的互感器现场测试新技术》一文[1]，认为只要将调压器调节在电流互感器线性段内，采用数字电压表和相位检测器即可完成电流互感器基本误差的现场测试。1998年，赵修民等人的《现场高压和大电流互感器测量原理的探讨》一文[2]，对上述方法进行了深入地探讨。1999年，郭剑峰等人的《电流互感器现场测试技术的革命》一文[3]，介绍了590C型电流互感器现场校验仪(以下简称现场校验仪)的基本原理。2003年山西机电设计研究院推出HLE1型现场校验仪[4]，使电流互感器的现场校准大为简化。2005年，奥地利OMICRON公司推出CT分析仪，该仪器除了用来校准电流互感器基本误差外，还可以用来测试被检电流互感器的直阻和绘制磁化曲线等。2007年，为了解决电力互感器磁饱和裕度的检定问题，JJG 1021—2007《电力互感器检定规程》中介绍了一种间接测量互感器的新方法即“负荷误差曲线外推法”。根据类似原理，宁波三维电测设备公司和宁波合通电子有限公司推出了CT06型负荷外推法现场校验仪和HEL-X8II型现场检定装置。目前，基于不同原理的现场校验仪在国内互感器生产企业、电力部门和科研院所得到了一定的推广和应用。

现场校验仪的推广和应用给电流互感器的现场校准带来极大的方便。但到目前为止，国内外还未针对该类仪器的校准制定统一的方法以确保其量值的溯源性。关于该类仪器的校准方法，主要有刘星、陆文骏等人提出的间接比对法[6-7]、山西互感器电测设备有限公司提出的“电压互感器法”或“感应分压器法”[8]以及福建省计量科学研究院等单位采用的“电流互感器法”[9]，但至今尚未有任何公开文献对这几种校准方法的可行性进行验证、比较和分析。考虑到低压外推法现场校验仪的普遍性以及校准的复杂性，本文将以该原理的现场校验仪为例，采用不同的校准方法对其进行校准、分析和比较，并对校准结果进行验证。

1 低压外推法现场校验仪的基本原理

基于低压外推法现场校验仪实际上是根据互易定理的第三种形式，将被校电流互感器等效成相同变比及准确度等级的电压互感器。

图1中，方框内部仅含线性电阻，不含任何独立电源和受控源。iS为电流源，其电流为i1，它是图中唯一的激励，i2为iS产生的响应。图2把图1的激励改为电压源，若把电流源和电压源置零，可以看出激励和响应互换位置后，电路保持不变。

图1 互易定理的第三种形式(激励为电流)

对图1和图2应用特勒根定理，有

(1)

(2)

图2 互易定理的第三种形式(激励为电压源)

当把一只普通的电流互感器看成图1和图2中的互易网络时，由式(2)可知，在保持CT铁心磁化状态不变的情况下，电流互感器的实际电流比等于电压互感器的电压比。

这时候，若能够测出实际电压比，就可求出CT误差，即：

(3)

式中，KH为CT额定电流比，K为实际电压比。由此可得到等效电路图，如图3所示：

图3 等效电路图

图3中，G表示铁损的电导，B表示次级绕组的电纳，x2为漏感抗，r2为二次绕组的电阻，若令

(4)

(5)

ZH=rH+jxH

(6)

则初级绕组的感应电压为：

Up=Us[1-(G-jB)(r2+rH+jx2+jxH)]n2/n1

(7)

将式(7)代入式(3)并将实部和虚部分开后易得：

(8)

δ=-3438[(x2+xH)G-(r2+rH)B]

(9)

2 基于低压外推法现场校验仪的校准方法

2.1 间接比对法

间接比对法最早是在文献[6]中提出的，该方法是先分别选择传统的电流互感器标准装置和现场校验仪对一特定的CT(即比较样品)进行校准，只要二者之差的绝对值不大于仪器的允许误差限值，则认为被校的现场校验仪符合相关要求。关于间接比对法，文献[7]在分析现场校验仪测量原理的基础上，对比较样品提出了额定电流比大、漏感抗大、额定负荷小等要求。因为根据式(8)和式(9)，在额定电流比和漏感抗大的情况下，才能得到仪器的最大误差，而额定负荷小，初级绕组感应电压小，易受干扰，这种情况下获得的误差，更接近仪器的最大误差。文献[7]中的符合性判断公式见式(10)和式(11)。

(10)

(11)

式中，f1和δ1分别为传统的电流互感器标准装置得出比值差和相位差，f2和δ2分别为现场校验仪得出比值差和相位差，uf1和uδ1为传统电流互感器标准装置校准比对样品比值差和相位差的测量不确定度，uf2和uδ2为现场校验仪校准比对样品比值差和相位差的测量不确定度。

2.2 电压互感器法

从现场校验仪的基本原理来看，由于该类仪器是基于互易原理进行设计，同时也考虑到电压互感器或感应分压器的输入阻抗大，所以，这时候感应电压大，容易测得准，选择特殊变比的电压互感器或感应分压器即可完成低压外推法现场校验仪的校准。只要整个校准装置的测量不确定度不大于现场校验仪允许误差限值的1/3，且输出值范围应能分别覆盖现场校验仪的测量范围即可。采用电压互感器法或感应分压器法的校准原理图如图4所示，图中，PT为标准电压互感器或感应分压器，变比为20～100V/0.02～4V，A为标准电压互感器一次侧的极性端，X为标准电压互感器一次侧的非极性端，a、x分别为标准电压互感器二次侧的极性端和非极性端。现场校验仪的K1和K2为电压激励端，L1和L2构成二次侧采样端。

图4 电压互感器法校准原理图

2.3 电流互感器法

目前，普通准确度等级电磁式电流互感器的补偿一般采用线性补偿方法，如匝数补偿等。为了提高电流互感器的准确度同时又要考虑成本，就必须采用一些非线性的补偿方法，如磁分路补偿、电容补偿等。磁分路补偿的作用是在拉平比值差曲线的同时，还能部分拉平相位差曲线。这种方法简单，效果较好，早期电力系统中使用的0.5级电流互感器一般都有采用这类补偿方法。0.05级以上的精密电流互感器，容量小且铁心材料一般为铁镍合金，初始磁导率高，此时采用辅助互感器和并联电容补偿，可以同时拉平比值差和相位差曲线，而且由于铁心磁密大幅度下降，还能减小电流互感器的变差，使互感器有更优良的性能，电流互感器补偿前后比值差和相位差的曲线图如图5和图6所示[10]。

图5 CT补偿前后的比值差误差曲线图

图6 CT补偿前后的相位差误差曲线图

虽然采用非线性补偿有上述诸多优点，但是由于低压外推法现场校验仪是把电流互感器当成电压互感器进行校准，故把采用非线性补偿方法的标准电流互感器作为标准来对现场校验仪进行校准不符合低压外推法中互易定理的定义，其校准结果往往会引入非线性误差。这时可采用电流互感器法，电流互感器法的主标准器为不带非线性补偿的标准电流互感器，铁心采用坡莫合金并通过匝数或分数匝补偿，比值差准确度可优于0.01级。由于没有对其相位差进行补偿，所以相位差还达不到0.01级，但可以对校准结果进行修正，同样可以满足使用要求。采用电流互感器法的校准原理图如图7所示，图中，CT为标准电流互感器，变比为5～5000A/5A，L1为标准电流互感器一次侧的极性端，L2为标准电流互感器的一次侧非极性端，K1、K2分别为标准电流互感器二次侧的极性端和非极性端。校验仪的K1和K2为校验仪的电压输出端，L1和L2构成一次侧采样端。

图7 电流互感器法校准原理图

3 三种校准方法的比较与分析

3.1 校准数据

现以HLE1-A型现场校验仪为被校对象，对该仪器的500A/5A档进行校准，校准数据如表2～表4所示。

3.2 校准结果的验证

表2 间接比对法校准数据

表3 电压互感器法校准数据

表4 电流互感器法校准数据

为了验证上述三种方法的可行性，我们以三种方法校准结果的算术平均值作为参考值。假设三种方法的测量不确定度都为Ulab，且大小约为被校现场校验仪允许误差限的1/3，则验证公式可用式(12)表示，三种方法的验证结果如表5所示。

(12)

表5 验证数据

表2～表5的验证数据表明：

1)采用三种方法所得到的实验数据均符合式(12)的要求。采用间接比对法对现场校验仪进行校准时，需要采用低压外推法和差流法分别对同一样品进行校准，效率低；电压互感器法操作简单，但需要设计特殊标准变比的电压互感器或感应分压器，此外，这种特殊变比的电压互感器或感应分压器还存在“溯源难”的问题；电流互感器法需要设计不带非线性补偿的标准电流互感器，未经非线性补偿的标准电流互感器相位差很难达到0.01级，所以必须对校准结果进行修正。

2)从低压外推法现场校验仪的工作原理来看，采用电压互感器法或感应分压器法可获得最佳的校准结果，但从实际的应用角度来考虑，采用电流互感器法更具有现实意义。因为现场校验仪最终目的还是为了解决电流互感器的现场校准问题。从表3和表4来看，二者相同点的校准结果相差较小，最大差值在仅为1/5误差限值左右。