双级电子式电流互感器误差特性分析及校验系统设计

潘晓敏

（湖北工业大学，湖北武汉430064）

双级电子式电流互感器误差特性分析及校验系统设计

潘晓敏

（湖北工业大学，湖北武汉430064）

电子式电流互感器凭借较强的抗干扰能力和绝缘能力，在当前的互感器领域中获得了广泛的应用。大多数电子式互感器中应用单机低功率铁芯线圈，其不需要应用电子线路进行功率补偿，因此准确度较高。提出一种双极电流互感器，在分析工作原理的基础上，论述了误差检测原理，提出了双极电子式电流互感器校验系统的设计方法。

电子式电流互感器；误差特性；研究

传统的电磁式电流互感器历史悠久，性能也比较稳定，但是在电力系统不断发展的过程中，智能电网投入建设，电磁式电流互感器的结构更加复杂，安装和维护较为困难［1］。电子式电流互感器在解决传统电磁式互感器的问题时，成为电气测量和电气保护的重要手段，也是智能电网条件下的十分可靠的换代产品，具有良好的稳定性，可以直接连接数字化设备，在实际电网测量中的应用越来越广泛。

1　双级电子式电流互感器及其检测技术

1.1应用原理

图1是双极电子式电流互感器的结构原理和等效电路。圈串联后同Nb和Rs并联，其中Rs表示标准取样电阻。U.s表示Rs二端输出互感器的二次电压，I.2和Z2分别表示二次线圈中的电流和串联阻抗，I.b和Zb分别表示补偿线圈中的电流和阻抗，RL表示双极电子式电流互感器的负载。

图1双级电子式电流互感器结构原理（a）和等效电路（b）

如图1（b）所示，I.'1表示为折算到二次侧的一次电流I.1，I.01、I.02、Zm1和Zm2分别表示不同铁芯的励磁电流和励磁阻抗，在考虑I.'1和U.s的情况下，不考虑一次线圈的阻抗。

1.2误差检测

用误差指标衡量电子式电流互感器的性能，其中涉及到重要的电流误差f（比差）和相位误差δ（角差），其中电流误差为实际二次电压的有效值U2折算到一次侧后与一次有效电流值的差，其值表示为，其中KN表示双极电子式电流互感器的额定变比，I1表示一次被测电流，U2表示实际二次电压，相位误差δ表示二次电压相位取反后与一次电流相位作差，表达式为δ＝φ2-φ1，其中φ1和φ2表示一次和二次电流相角。得出双极电子式电流互感器的比差和角差后，可以进一步进行误差检测，因此在实际应用中，应用差值法测量互感器的误差。图2为双级电子式电流互感器校验系统的原理。

图2　校验系统原理

如图2所示，在系统中引入频率和幅值都可以进行调节的电流源I.1，另外还包括被测互感器、标准电阻R0、信号调理电路和信号处理部分。在信号调理电路中用K△表示标准信号U.0的放大倍数，Ks表示差值信号△U.=U.s-U.0的放大倍数。在信号处理系统中应用偏置电路和数模采样电路对误差进行计算。

2　双级电子式电流互感器校验系统设计

2.1校验系统的结构

（1）校验系统设计

在双级电子式电流互感器的校验系统中，主要应用模拟信号的发生单元和测量单元。其中模拟信号包括模数转换系统、滤波电路和功率放大电路，其中模数转换系统中应用DAC7724芯片，处理器为DSP TMS320F28335，可以按照幅值和频率的要求对正弦波形进行调节，保证基波和谐波相互叠加，对实际工作环境进行模拟；滤波电路的主要作用是对输入信号进行处理，例如模数输出信号，在滤波电路的作用下可以满足实验需求；功率放大电路主要是放大模数输出信号，提高功率输出。校验系统的测量部分包含信号调理电路、偏置电路和数据采集处理系统，其中信号调理电路按照差值法的计算理论，对互感器一次侧和二次侧的电压信号进行作差，在信号放大器的作用下放大输出；为了满足DSP芯片内部模数转换的采样需求，偏置电路对信号进行调整，保证信号达到模数转换的工作需求，提高器件的安全性；数据采集和处理单元计算出内部比差和角差结果［2］。

（2）校验系统的组成

图3是校验系统的结构。

图3　互感器校验系统结构框图

数模转换芯片DAC7 724在处理器TMS320 F28335的控制下，产生出可以调节幅值和频率的正弦信号，信号依次经过滤波电路、功率放大电路后，提升系统的负载能力，同时电流信号的可控性不断增强。将这个限流信号用于电子式电流互感器的输入信号，输入到一次侧，实际应用过程中，可以方便地在取样电阻上获得标准信号U.0和二次电压U.s，结合差值法的校验理论，在信号调理电路的作用下，得出最终的△U..对信号进行放大后，偏置电路可以保证电压信号满足模数转换器的采样需求，处理器控制模数转换器开展数据运算，求出同步信号的扶智和出相角后，可以得出比差和角差。

2.2模拟信号发生器

实验中应用模拟信号发生器输出正弦信号，该正弦信号的幅值和频率可调，还可以通过基波和谐波的叠加对双极电子式电流互感器的实际一次电流进行模拟，应用数模转换芯片实现数字信号向模拟信号的转换，在滤波电路的作用下，DAC7724输出平滑的波形，经过功率放大后保证电流信号满足实验需求。

实际应用中数模转换器输出的信号不能带较大的负载，输出的波形也不规则，一般表现为阶梯状，此时可以应用滤波电路得出优质的电流驱动信号，一般在系统中选用二阶滤波电路，在电压跟随器的帮助下，对数模输出信号进行滤波，便于在应用的同时提高负载能力。

2.3功率放大电路

实际双极电子式电流互感器工作中的额定电流位200 A，该电流值为单匝线圈中的电流，在准确度

校验过程在红个，可以在一次侧中提供幅值为1 A的电流，为了在实际应用中满足实验需求，必须保证电压信号经过滤波器后可靠通过功率放大电路，提高功率的输出［3］。本研究应用OCL功率放大器实现功率放大，应用三极管电路组成不同的互补输出级，对电路形成可靠的保护作用，避免产生不安全的大电流，同时借助电流的反馈作用，能够保证工作点稳定，降低非线性失真造成的影响。芯片内模数转换的采样器中应用的输入电压的幅值为0～3 V，由于被测信号为交流，因此必须在应用的过程中保证抬升电压信号满足采样需求。

3　结束语

本文在介绍双级电子式电流互感器结构原理的同时，对等效电路进行了分析，得出了误差的计算公式，构建出校验系统，应用二阶RC滤波电路提高输出信号的带负载能力。结合互感器的设计原理，可以在原有的基础上进行适当的容量扩展，提高在电力系统中应用的可靠性和稳定性。

［1］徐雁，朱明钧，郭晓华，等.空心线圈作为保护用电流互感器的理论分析和试验［J］.电力系统自动化，2012，26（16）:52.

［2］宋天斌，史会轩，李敏，等.电流互感器电子式负荷装置研究［J］.自动化与仪器仪表，2014，25（2）:18.

［3］潘宝祥，顾红波.一种用于电流互感器校验的新型电子式负载箱［J］.中国计量学院，2013，33（3）:25.

Error of Two Stage Electronic Current Transformer Performance Analysis and Calibration System Design

PAN Xiao-min
（Hubei University of Technology，Wuhan Hubei430064，China）

The electronic current transformer with the strong ability of anti-interference and insulating ability.Most of the application of single low power electronic transformer iron core coil，which do not need to compensate the power electronic circuit，so the accuracy is higher.This paper proposes a bipolar current transformer，on the basis of analyzing the working principle，this paper discusses the principle of error detection，put forward a bipolar designmethod of electronic current transformer calibration system.

electronic current transformer；Error characteristics；research

TM 452

A

1672-545X（2016）05-0212-02

2016-02-20

潘晓敏（1983-），男，湖北孝感人，本科，工程师，研究方向为控制工程。