现场校准用磁调制式直流电流比较仪磁屏蔽结构仿真研究与设计*

2017-12-20林国营潘峰易斌张鼎衢徐雁柏航

电测与仪表 2017年1期

林国营，潘峰，易斌，张鼎衢，徐雁，柏航

（1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广州 510080；2.华中科技大学电气与电子工程学院，武汉 430074）

0 引言

直流电流互感器是直流输配电系统的重要一次设备，为系统的测量、控制和保护提供准确、可靠的测量信息［1-3］。目前直流电流互感器一般只进行出厂校准试验，这不足以确保直流电流互感器测量的可靠性和准确性，必须在额定条件下对直流电流互感器进行现场校准试验或周期性校准试验［4］。

图1 直流电流互感器现场校准系统框图Fig.1 Block diagram of the field calibration system for DC current transformer

图1给出了直流电流互感器现场校准原理框图。直流电流互感器现场校准系统由直流电流标准器、被校准直流电流互感器、二次转换器、直流互感器校验装置和直流电流源等组成，其中，现场校准用直流电流标准器是开展现场校准试验的关键试验设备。目前，直流电流常用测量方法有：分流器、直流电流互感器、直流电流比较仪（Direct Current Comparator，DCC）、霍尔效应直流传感器和光纤直流电流传感器等［5-8］。现场校准试验与实验室校准试验存在一定的差异，相比而言，现场校准存在较大的空间电磁干扰和其他较不确定的环境因素。因此，现场校准用直流电流标准器不仅需要具有较高的测量准确度，还要具备较强抗电磁干扰的能力，同时还需要不易受温度等环境因素的影响。通过对比以上几种直流电流测量方法的性能可以发现［9］，DCC比较适合于作为现场校准直流电流标准器。

直流电流比较仪主要分为磁放大式直流电流比较仪和磁调制式直流电流比较仪。其中，磁调制式直流电流比较仪也被称为磁调制器，它具有更好的灵敏度、线性度和稳定性。当前，磁调制式DCC的理论研究和系统设计技术已经比较完善［10-14］。然而，为研制适合于现场直流电流互感器校准用的、高准确度大电流DCC，必须面对的特殊问题是DCC的磁误差，它主要由一次大电流母线偏心产生的漏磁、邻近载流导体的磁干扰，以及屏蔽效能不足引起［7］。国内外学者对磁调制式DCC磁屏蔽技术进行了持续不断的研究。这些研究包括内外导体产生的干扰磁场对DCC误差影响的机理和磁屏蔽效能理论公式的研究［7，14-15］，以及采用电磁场数值方法对 DCC磁屏蔽效能进行仿真研究［15-16］，这些研究给工程实际提供坚实的技术指导。但少有学者结合理论仿真和实验测试来验证相关理论的正确性，特别是在高压直流应用领域，相关的研究就更少。

本文根据500 kV直流输电线路用直流电流互感器现场校准试验的需求，对现场校准用的、额定参数为5 000 A：5 A的磁调制式DCC磁屏蔽结构进行了仿真研究和设计，并对设计的磁屏蔽结构进行了母线偏心和邻近外导体所产生的干扰磁场对DCC测量准确度影响的仿真研究。最后通过实验测试对所研制的现场校准用磁调制式DCC的性能进行了评估。

1 DCC工作原理及误差来源分析

1.1 DCC的工作原理

图2给出了采用磁调制原理的双铁芯差动检测DCC结构图，图中两个激励绕组反向串接构成双铁芯差动磁调制器。比较仪工作时，振荡器产生方波激励信号Ie对铁芯进行激励，激励信号应该足够大以保证两个铁芯饱和。铁芯中穿过的直流母线，其匝数W1=1，一次母线电流I1为被测电流。

当I1=0时，只有激励信号Ie作用于铁芯，显然Ie满足），所以穿过铁芯的磁通量Φ满足，对Φ（θ）进行傅里叶展开得到根据傅里叶级数的性质可知Φ（θ）只有奇次谐波分量，没有偶次谐波分量，所以双铁芯差动磁调制器输出为两个铁芯奇次谐波之差，使用两个完全相同的铁芯，奇次谐波分量相同，则此时输出信号为零。

当被测直流电流I1≠0时，铁芯中的磁场由激励信号和被测直流信号I1共同作用产生，此时铁芯中磁通量不再满足，所以既有奇次谐波，又有偶次谐波分量。双铁芯差动磁调制器输出中，奇次谐波分量抵消，偶次谐波分量叠加，所以输出为2倍的偶次谐波分量。并且偶次谐波分量的大小只与直流信号产生的磁场有关，可以直接反映被测直流电流的大小。

图2 磁调制式DCC结构图Fig.2 Structure diagram of the DCC based on magnetic modulator

磁调制器输出信号进入处理电路中，通过带通滤波器提取出二次谐波分量，将二次谐波放大后输入相敏解调器，相敏解调器输出和二次谐波幅值、相位有关的直流电压信号，通过PI控制电路和功率放大器后，作为反馈直流电流I2进入反馈绕组，反馈绕组匝数为W2。该DCC构成一个闭环反馈系统。当I1W1＞I2W2时，磁调制器输出一个正向电流，通过处理电路使I2增大；当I1W1＜I2W2时，磁调制器输出一个反向电流，通过处理电路使I2减小；直到I1W1=I2W2时，反馈系统达到平衡。通过I2的大小可以得出被测直流电流I1的大小和方向。

1.2 DCC的误差来源分析

通过上述分析，DCC工作在磁势平衡状态下，引起测量误差的因素包括以下几个方面：

（1）电流比例误差

一、二次磁势间存在一微小不平衡量，即I0W0=I1W1-I2W2。提高比较仪反馈系统的放大倍数可以在一定程度上减小此误差。

（2）磁记忆效应误差

磁调制器的铁芯如果采用矫顽力较大的材料，在使系统失衡、材料本身突然承受严重电磁冲击后会产生测量误差。

（3）磁性误差

DCC工作原理是检测一、二次侧的磁势平衡，外磁场以及穿心母线位置的变化都可能对调制器的磁路产生影响，从而影响被检磁势，从而影响DCC的测量准确度。

对于用于高压直流电流互感器现场校准用的DCC，外界干扰电磁场对DCC测量准确度的影响更加不容忽视。现场使用时，母线偏心以及邻近通流导体产生的磁场都会对DCC产生较大影响。因此，为了减小现场使用过程中可能产生的测量误差，在选择合适的铁芯材料和提高反馈放大倍数的基础上，还需要为DCC设计合理的磁屏蔽结构。

2 DCC磁屏蔽结构设计与仿真

2.1 DCC磁屏蔽结构

本文所设计的磁调制式DCC采用环形铁芯结构，为了有效的屏蔽，屏蔽体也采用环形结构。图3所示为DCC屏蔽的半圆环结构，c为横截面的长度，a为屏蔽体的厚度，r为屏蔽圆环的内半径。理论上磁屏蔽层的厚度和屏蔽材料的磁导率决定了磁屏蔽效果。屏蔽层越厚，屏蔽效果越好，材料磁导率越大，屏蔽效果越好。为了定量分析屏蔽结构对磁屏蔽能力的影响以设计出合理的屏蔽结构，下面进行ANSYS仿真计算。

图3 磁调制式DCC屏蔽结构Fig.3 Shielding structure of the DCC based on magnetic modulator

2.2 DCC磁屏蔽结构仿真

根据DCC的屏蔽结构，建立如图4所示的有限元模型。首先分析屏蔽层厚度及材料对屏蔽效果的影响，为简化分析，只对一个铁芯截面进行仿真，图4中，中间方形部分是铁芯，铁芯外正方形环是屏蔽层。铁芯和屏蔽层之间存在有机保护盒、调制绕组、静电屏蔽盒和比例绕组等结构，它们的相对磁导率与空气相同都是1，均采用空气模型进行等效。

2.2.1 屏蔽效果仿真

在竖直方向上施加1T的均匀磁场时，无屏蔽和有屏蔽铁芯中最大磁通量密度的比值定义为磁屏蔽系数。磁屏蔽系数反应屏蔽结构的磁屏蔽能力大小。改变磁屏蔽厚度从5mm到20mm，屏蔽层相对磁导率分别取4 000，8 000和12 000和100 000，计算上述情况下的磁屏蔽系数，结果如表1所示。仿真结果表明，屏蔽层厚度越厚，屏蔽效果越好；屏蔽层材料磁导率越高，屏蔽效果越好。根据经验一般要求磁屏蔽系数大于500，从表1数据可以得出，使用磁导率为4 000的屏蔽材料厚度应大于10 mm；使用磁导率为8 000、12 000和100 000的屏蔽材料时，厚度应大于5 mm。

图4 磁屏蔽结构有限元模型Fig.4 Finite element model of magnetic shielding structure

表1 磁屏蔽结构仿真分析结果Tab.1 Simulation analysis results of the magnetic shielding structure

实际制造工艺中，屏蔽层中不可避免的会存在气隙，这会导致磁屏蔽系数降低，影响屏蔽效果。为了减小气隙带来的影响，屏蔽层采用凹槽嵌入工艺。在竖直方向上施加磁场，考虑竖直方向上和水平方向上有气隙两种情况，建立如图5和图6的仿真模型，对这一工艺屏蔽效果进行仿真计算。

图5 竖直方向存在气隙的有限元模型Fig.5 Finite element model of the air gap in the vertical direction

图6 水平方向存在气隙的有限元模型Fig.6 Finite element model of the air gap in the horizontal direction

屏蔽层相对磁导率μ=4 000时，分别改变气隙的厚度和磁屏蔽层的厚度，仿真计算上述两种情况磁屏蔽系数，结果如表2和表3所示。

表2 竖直方向上存在气隙时仿真分析结果Tab.2 Simulation analysis results of the magnetic shielding structure with the air gap in the vertical direction

表3 水平方向上存在气隙时仿真分析结果Tab.3 Simulation analysis results of the magnetic shielding structure with the air gap in the horizontal direction

上述仿真计算结果表明，当屏蔽结构存在气隙时，屏蔽系数会明显降低；气隙厚度越小，磁屏蔽系数越大。在竖直方向上有磁场且在相同屏蔽层厚度条件下，竖直方向存在气隙时的屏蔽系数要大于水平方向存在气隙时的屏蔽系数。本设计要求磁屏蔽系数大于500，因此屏蔽层厚度应大于10 mm，气隙厚度应在0.1 mm以内；并且根据实际应用中磁场分布情况合理选择留气隙的位置。

2.2.2 母线偏心和邻近导体干扰磁场影响仿真

在高压直流现场使用时，母线偏心和外磁场是影响DCC测量准确度的两个重要因素。因此，需要对这两种情况进行仿真分析计算其误差，其中外磁场影响主要考虑邻近导体的影响。采用铁芯磁导率80 000、屏蔽层磁导率8 000、屏蔽层厚度10 mm的仿真模型进行上述两种情况分析，仿真模型如图7和图8所示，紫色圆面分别为被测母线和邻近导体的截面，如图7所示仿真模型，被测母线通过5 kA直流电流，被测母线偏心偏离比较仪中心5 mm～40 mm（40 mm为紧贴比较仪内侧）时，分别对无屏蔽和有屏蔽两种情况进行了仿真，计算出铁芯中被检磁通相对正常工作情况下的误差结果如表4所示。

图7 母线偏心影响的有限元模型Fig.7 Finite element model of the eccentric bus

表4 母线偏心仿真计算结果Tab.4 Simulation results of the eccentric bus

仿真计算结果表明：母线偏离比较仪中心距离越远，测量误差越大。无屏蔽时，母线偏心影响误差大于10-5数量级，不满足设计要求；加入屏蔽后，母线偏心影响误差优于10-6数量级，达到设计要求。因此，加入屏蔽结构后能有效抵御母线偏心带来的误差，保证了比较仪能够达到0.005级准确度。

如图8所示仿真结构，邻近外导体通过5 kA直流电流，导线距外屏蔽层距离从35 mm增加到250 mm（考虑到磁调制器外部还有机壳等其他结构，35 mm为紧贴比较仪外侧）时，仿真计算出无屏蔽和有屏蔽时被检磁通大小，两种情况下外导体影响相对误差结果如表5所示。仿真计算结果表明：邻近外导体距离比较仪外侧距离越近，测量相对误差越大。无屏蔽时，邻近外导体影响误差在10-4数量级，不满足设计要求；加入屏蔽之后，误差减小到10-7数量级，达到设计要求。因此，加入屏蔽结构之后，有效抵御了邻近导体产生的外磁场干扰，保证了比较仪能够达到0.005级准确度要求。

图8 外磁场影响的有限元模型Fig.8 Finite element model of the influence of external magnetic field

表5 外磁场影响仿真结果Tab.5 Simulation results of the influence of external magnetic field

根据以上仿真结果，兼顾提高测量准确度和减小磁记忆效应影响，磁调制器铁芯选用1J85坡莫合金，尺寸为180 mm×190 mm×10 mm的圆环，相对磁导率为80 000；综合考虑屏蔽能力、屏蔽层体积和机械强度，屏蔽层材料使用151硅钢片，尺寸为140 mm×230 mm×45 mm、厚度10 mm的圆环腔体，相对磁导率为8 000。

对所选屏蔽结构进行母线偏心和外磁场影响最坏情况（5 kA母线偏心距离40 mm紧贴比较仪内侧、5 kA外导体距离35 mm紧贴比较仪外侧）仿真分析，仿真计算测量相对误差为2.71×10-6。因此，所选屏蔽结构能够保证比较仪达到0.005级准确度要求。

3 DCC性能测试

根据上述仿真分析选定的屏蔽结构研制了一台DCC样机。电流比为5 000 A：5 A，准确度等级为0.005级。为了检验该样机能否达到要求的准确度等级，需要利用更高准确度等级直流电流比例标准对其进行比例误差测试。由于DCC样机拟在高压直流输电现场使用，考虑现场使用时可能出现母线偏心的情况和外界磁场的影响，并且验证仿真分析结果，对样机进行了母线偏心影响和外磁场影响测试实验。

3.1 比例误差测试

测试方法采用电流对接法，其原理如图9所示。根据上述测量方法，直流电流比例标准和被测DCC实际变比为ks=ks0（1-εks）和kx=kx0（1-εkx），其中εks和εkx为直流比例标准和被测比较仪的比例误差。标准电阻实际阻值为Rx=R0（1-εR0），其中εR0为标准电阻的误差。根据线路图，可以得出：

由于εksεR0和εkxεR0两项为高阶无穷小，可忽略不计，可以得到：

图9 电流对接法比例误差测试原理图Fig.9 Testing schematic diagram of ratio error based on current difference method

从以上分析可知：该测量方法的测量误差与标准电阻准确度无关，直流电流比例标准的准确度只要比被测比较仪高两个准确度等级，就可以用这个方法对被测DCC进行比例误差测试。

测试时，采用额定电流为5 kA的直流电流源；数字电压表使用准确度为1.0×10-5的HP34401A数字电压表；电阻选用准确度为0.01级、标称阻值为10 Ω的标准电阻；直流电流比例标准使用准确度为1.0×10-6直流电流比较仪。

实验过程中，直流电流源输出电流从500 A升到5 000 A再下降到500 A时电压表示数和比例误差计算结果如表6所示。从实验数据可以看出DCC工作电流在500 A时准确度为1.2×10-5，1 000 A以上时准确度优于10-5，比较仪整体准确度优于5×10-5，达到设计要求。

表6 比例误差测量结果Tab.6 Measurement results of ratio error

3.2 母线偏心影响测试

测试方法以及所用设备与比例误差实验相同。测试过程中改变母线的位置，对不同母线偏心位置的比例误差进行读数计算。实验过程中，母线电流为5 000 A，母线分别放置在正中心、紧靠左端、紧靠右端、紧靠上端、紧靠下端5种情况电压表示数如表7。

表7 母线偏心实验数据Tab.7 Experimental data of eccentric bus

从实验数据中可见，5种情况下，直流电流比较仪的比例误差都在10-6数量级，可以得出，母线偏心对于本比较仪影响很小，可以忽略。这一实验结果与前文的仿真分析结果相同。说明母线偏心对该比较仪准确度影响可以忽略不计。

3.3 不同间距通流外导体产生的磁场对DCC性能影响测试

测试线路如图10所示，比较仪一次侧不加电流，二次侧通过标准电阻和数字电压表进行读数。直流电流源产生5 kA直流电流，改变直流母线与比较仪的距离d，分别记录不同情况下电压表的测量值。测试过程中需要使电流源与实验无关的回线尽量远离。

图10 邻近外导体对DCC影响试验原理图Fig.10 Testing schematic diagram for the influence of the nearby conductor on the DCC

实验过程中，外导线分别相对于比较仪穿心位置平行和垂直，对这两个位置的影响分别进行测试。实验所使用的设备与比例误差实验相同。实验过程中，在不加任何电流情况下，电压表示数为1μV，这是比较仪本身比例误差带来的零点偏移，在10-7数量级。平行和垂直两个方向分别从导线紧贴比较仪外侧开始测试，实验结果为：平行紧贴放置时误差为1.1×10-7，垂直放置误差为1.2×10-7。

由此可见，无被测电流情况下平行和垂直紧贴比较仪放置直流母线通过5 000 A电流时产生的误差为1.1×10-7和1.2×10-7，这个数值远小于要求的准确度等级，可见外导体对本台DCC的影响很小。由于紧贴比较仪放置时的误差已经比要求小两个数量级，所以不需要再测试远离比较仪外壳的其他情况。这一实验结果与前文中仿真分析所得结果在同一数量级，说明通有5 kA直流电流的邻近外导体产生的磁场对比较仪的影响可以忽略不计。