电子式电流互感器测试方法研究

于 旭,姜瀚书,王汉杰

(国网吉林省电力有限公司电力科学研究院,长春 130021)

数字化、智能化的电子式电流 /电压互感器是电力互感器未来的发展趋势。传感元件是电子式互感器必不可少的组成部分。洛科夫斯基(Rogowski)线圈以其不饱和性和易实现性被广泛用于电子式电流互感器高压侧的传感单元中[1-3]。目前已有大量的研究表明基于 Rogowski线圈的电子式电流互感器测量稳态交流电流时能获得较好的测量精度[4-6]。然而,由于故障电流的暂态过程含有丰富的谐波成分和衰减的非周期分量,而且基于Rogowski线圈的电子式电流互感器采用电子电路进行信号处理,电子电路对输出信号能否真实反映被测电流的暂态过程也有着重要影响。实验表明,适用于测量稳态交流的电子式电流互感器并不一定能良好地测量故障暂态电流[7]。低功耗线圈原理(LPCT)作为一种电磁式电流互感器,具有输出灵敏度高、技术成熟、性能稳定、易于大批量生产等特点;此外,由于其二次负荷较小,加上高导磁铁心材料的应用,可以实现对大动态范围电流的测量[8]。

500kV金城一次变结合两种线圈的优点,在一次电流值小于 1．5倍额定电流值时由低功耗线圈提供测量用和保护用信号,当一次电流值大于 1．5倍额定电流值时由Rogowski线圈提供保护用信号。在这种运行方式下的电子式互感器,给现场测试人员带来一定的困难,传统的升流装置并不能将一次电流值升到 1．5倍额定电流值触发量程切换,无法对Rogowski线圈进行极性和准确度测试,因而提出采用一种虚拟大电流法,即在采集卡低功率线圈输入端子加入模拟小信号,触发量程切换,使 Rogowski线圈采集数据并输出,以测试其误差和极性并得到了预期的效果。

1 电子式互感器原理

1．1 低功耗线圈原理(LPCT)

低功耗线圈是常规电磁式电流互感器的一种改进,按照高阻抗进行设计,使常规电流互感器在很高的一次电流下出现饱和的基本特性得到改善,扩大了测量范围[9]。低功耗线圈原理见图 1。

图1 低功耗线圈结构原理图

与传统电流互感器的 I/I变换不同,低功耗线圈通过一个分流电阻 Ra将二次电流转换成电压输出,实现I/V变换。低功耗线圈一般在50%～ 120%额定电流下线性度较好,精度较高(通常为 0．1/0．2 S级),适用于测量和高精度计量。

1．2 Rogowski线圈原理

洛科夫斯基线圈是一种特殊结构的空心线圈,将测量导线均匀地缠绕在截面均匀的非磁性材料的框架上,导线两端接上采样电阻即构成了 Rogowski线圈 (见图 2)[10]。

图2 Rogowski线圈结构图

若_为磁导率,线圈匣数密度n及线圈截面积s均匀,则线圈感应电压e(t)为：

式 1表明：空心线圈的感应信号与被测电流的微分成正比,经积分变换等信号处理获得被测电流的大小。e(t)经过积分变换及模一数变换后,再经过光电转换器转换为光信号,即可得到表示一次电流的数字光信号。

2 电子式互感器测试方法

2．1 低功耗线圈测试方法

电子式互感器的误差检测与传统互感器存在很大差别,原因在于被试电流互感器二次侧输出为数字信号,无法与标准电流互感器二次输出进行直接比对,因此,必须将标准或被试的二次输出信号转换为可以进行比较的信号,通过相应的算法得出比差和角差。电子式电流互感器测试接线如图3所示。由于采用直接测量方式,此时对校验装置的准确度要求较高(采样变换回路与标准互感器整体准确度等级应不低于 0．05 S级 )。

图3 电子式电流互感器测试接线图

电子互感器的比值误差定义与常规互感器的误差定义一致[11],即对电子式互感器测量时出现的误差是由于实际变比不等于额定变比而产生的。对数字量输出的电流互感器误差XI用下式表示：

式中：Krd为标准额定变比、Ip为标准二次侧电流有效值,Is为被试一次侧电流值。

电子互感器相位差定义为一次端子某一电流的出现瞬时,与所对应数字数据集在合并单元输出传输时刻,两者时间之差。由于电子互感器内部数据处理和传输过程中产生的延时,电子互感器的相位误差等于相位差减去由于电子互感器额定相位偏移hor和额定延迟时间tdr所构成的偏移量hdr[12],即

式中：h为一次电流相量和二次输出相量的相位之差,tdr为额定延迟时间,f为额定频率。

本次测试的互感器的最高准确度等级为 0．2 S级,测试采用的标准互感器为 0．01 S级,按照 Q/GDW 690— 2011《电子式互感器现场校验规范》,采用的电子式互感器校验仪的准确度等级应不低于0．04 S级。

电子式互感器输出信号为数字量信号,难以和标准互感器输出的模拟量作比对。因此,本次测试采用将标准互感器输出的模拟量经 A/D转换为数字量,然后与被测互感器输出比较。

数字输出式的电子式互感器的传输过程如图 4所示。理论上由于传输的信号为数字信号,所以不论从A点测量还是在B点测量,其测试结果都应相同。但由于电子式互感器和合并单元之间的传输协议并未统一,通信协议多采用自有协议,因此测试必须选择指定或自主研发的校验装置。但选取B点进行测试时,则通信协议均为IEC61850-9-2,各校验装置均可对其进行测试。

图4 电子式互感器信号传输方式

2．2 Rogowski线圈测试方法

考虑到 Rogowski线圈在小电流及暂态电流的情况下信号线性度差,微分效果容易放大干扰信号,信噪比小,在一次电流值小于 1．5倍额定电流值时由低功耗线圈提供测量用和保护用信号,当一次电流值大于 1．5倍额定电流值时由 Rogowski线圈提供保护用信号。目前的试验方法只能测试出低功耗线圈的误差数据,很难激发Rogowski线圈采集数据并输出。本文采用模拟大电流法,断开低功耗线圈二次接线端子,由于两种线圈输入到采集卡中均为模拟小电压信号 ,要想模拟 1．5倍额定电流,需向采集卡输入 1．5倍的模拟小电压信号,触发量程切换,使Rogowski线圈采集数据并输出。 Rogowski线圈测试接线如图 5所示。

图5 Rogowski线圈测试接线图

3 测试结果分析

3．1 低功耗线圈测试结果分析

由于电子式互感器数据较多,本文仅对具有代表性的220 kV金巨线 A相 A套电流互感器的低功耗计量线圈测试结果进行分析。实测误差数据见表1。

表1 0．2S级低功耗线圈测试数据

由表1可看出,此时测得的误差不论比差值还是角差值均已超差,但超出范围均不大,此时可以通过调整采集卡中的电位器对比差进行校准。电位器可调整范围为(-1%～+1%),要遵循既要将超差的采样点调整到允许误差范围内,又要避免原本误差值在合格范围内的采样点超差,只需将电位器正向调节 0．4%,就可将比差值调整到允许误差范围内。由实测数据可以看出各检测点的角差值均偏正128′,角差的校准不能通过采集卡进行调节,需通过调整合并单元中的补偿系数进行校准,将角差统一调整-128′,此时测得的误差数据在误差标准合格范围内,说明此时互感器通过合并单元输出的数据已经合格。假如此时仍有测量点超差,则需对补偿系数再次调整,直到合格为止。

3．2 Rogowski线圈测试结果分析

选择具有代表性的 220 kV金公乙线三相电流互感器的Rogowski保护线圈测试结果进行分析,因为只作为保护线圈采集数据,其准确级为 5T PE,根据Q/GDW 690— 2011,要求其一次额定电流 100%,比差误差范围为(-1%～+1%),角差误差不超过60′。实测误差数据见表2。

表2 Rogowski保护线圈测试数据

由表2可以看出,220 kV金公乙线 B相 A、B套电流互感器的 Rogowski保护线圈比差测试结果超差,其他两相测试值均在合格的范围内,只需通过调节采集卡中的电位器进行比差值的校准,保护采集卡电位器可调整范围为(-5%～+5%)其中将 B相B套比差负向调节 5%,其误差值既达到合格的范围内。

4 结束语

本文结合 500 kV金城一次变电子式电流互感器的测试,针对电子式电流互感器的技术原理、结构特点提出了有效的现场测试方法。对电子式互感器的测试点及标准设备的选择进行了探讨,并从原理方面对其指明了方向,实际测试结果验证了该方法的准确性和有效性,满足了相关规程的要求,为今后数字化变电站的电子式电流互感器验收提供了参考依据,并且可以最大限度地提高效率和测试精度。

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