直流偏磁下计量用电流互感器在线补偿技术研究

2021-05-18杨爱超李东江

仪表技术与传感器 2021年4期

胡琛，张竹，陈刚，李敏，杨爱超，李东江

(1.国网江西省电力有限公司供电服务管理中心，江西南昌 330096；2.合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥 230009；3.国网江苏省电力有限公司营销服务中心,江苏南京 211103)

0 引言

随着特高压直流和交流工程的建设，中国电网呈现出交直流混联大电网形态。当直流输电运行于单极大地回线或双极不平衡运行方式时，将会有高达数千安培的直流电流流入大地，部分直流电流流经中性点接地的电力变压器在交流系统中形成回路，从而在变压器和电流互感器中产生直流偏磁[1-3]。另一方面，地磁暴效应产生的地磁感应电流(GIC)频率很低，一般情况下，这种地磁感应电流的频率为0.01～0.1 Hz。

电磁式电流互感器作为电力系统重要的电能计量器具，其工作是基于电磁感应原理，通过铁芯的磁耦合实现一次电流到二次电流的变换。当一次电流存在直流分量时，励磁电流中也出现了直流分量，由于铁芯具有非线性励磁特性，这将导致电流互感器工作点改变，严重时铁芯半周磁饱和，导致电流互感器二次输出越限，影响电能计量结算的可靠性[4-6]。

20世纪40年代初，国外学者对直流偏磁起因、作用机理和危害性等进行了研究，但是没有深入研究直流偏磁工况下电流互感器的输出特性。近年来，国内学者研究了直流偏磁工况下电流互感器的稳态特性和暂态特性[7-9]。计及特高压直流输电系统单极大地运行方式引发的直流偏磁，文献[10-12]研究了直流偏磁对电流互感器传变特性的影响，分析了直流偏磁下电流互感器饱和对电能计量的影响。然而，这些研究还较少涉及电流互感器直流偏磁的抑制方法和措施。

本文分析了直流偏磁工况下电流互感器二次输出波形的特点，在此基础上提出一种直流偏磁下计量用电流互感器在线补偿技术，通过相敏检波和多级滤波技术检测电流互感器二次侧输出的二次谐波的大小及相位，判断电流互感器直流偏磁的严重程度，同时调节压控电流源向互感器补偿绕组注入相应量的反向直流电流作为补偿，补偿电流产生反向直流磁场，抵消互感器中一次直流电流产生的磁场，从而减小电流互感器的直流偏磁程度。

1 直流偏磁对电流互感器的影响

直流分量对电流互感器的影响，通常采用半波电流的方法进行试验，半波电流的直流分量占比达32%，当半波电流通过一次绕组时，直流分量使电流互感器工作接近饱和区，磁导率下降，其误差将显著的往负方向移动，二次绕组输出电流波形严重畸变且幅值大幅度缩减，如图1所示，上半部波形为一次电流，下半部波形为电流互感器输出二次电流。

图1 半波直流下电流互感器一次、二次电流波形图

通过对理想半波电流进行FFT分析，其傅里叶展开式如下：

(1)

从式(1)可知，半波直流经过FFT分析后，其直流分量为电流峰值的1/π，约为0.32。半波电流谐波成分主要体现在偶次谐波的增大[13]。

2 直流偏磁在线补偿装置

2.1 直流偏磁补偿原理

由上述分析可知，当电流互感器一次存在直流时，电流互感器二次侧输出存在二次谐波分量，其含量与一次直流分量密切相关。

基于上述关系，通过检测电流互感器二次输出的二次谐波分量，根据检测到的二次谐波的大小及相位，可以间接判断铁磁材料偏磁情况，实现电流互感器直流偏磁误差在线监测。同时，控制直流电流源向补偿绕组注入相应量的反向直流电流作为补偿电流，补偿电流在补偿绕组中产生磁场，当二次侧输出信号偶次谐波最小时，达到最佳补偿状态。此时，铁芯磁滞回环工作点回到理想位置，磁滞回环上下半轴对称，补偿电流产生的直流磁场和一次侧直流所产生的磁场正好抵消，互感器铁芯直流偏磁程度最小，电流互感器计量绕组的准确度也得以保证。

2.2 装置设计

由前面分析可知，当电流互感器的一次绕组有直流量时，由于受直流偏磁影响，二次侧输出会含有二次谐波分量。直流在线补偿技术通过在线检测二次谐波分量大小，根据检测到的二次谐波的方向及其大小，向补偿绕组注入相当量的反向直流电流，补偿电流在补偿绕组中产生磁场，抵消一次侧直流所产生的磁场，达到在线实时减小一次侧电流中直流分量影响的目的。直流在线补偿装置原理框图如图2所示。

图2 直流偏磁在线补偿装置原理框图

其中，标准信号变换器将电流互感器二次输出电流转变为电压；阻抗变换电路具有高输入阻抗，经阻抗变换后的信号一路经过整形倍频为100 Hz，作为相敏检波的参考信号；另一路经过50 Hz带阻滤波之后，作为相敏检波的输入信号。相敏检波的输出经过低通滤波，仍然有一定含量的50 Hz纹波，再经过50 Hz带阻滤波和低通滤波，最终控制压控电流源输出与一次直流电流成比例的直流补偿电流，使得二次输出电流的偶次谐波最小。输出的反向直流电流磁场抵消一次电流直流电流磁场，达到在线实时消除或减小直流偏磁的目的。

实际工况下，电流互感器为多抽头互感器，直流偏磁误差在线补偿装置现场实施方案示意图如图3所示。其中，L1、L2为一次绕组的两端(一次侧)；K1、K3为二次绕组的两端，K2为二次绕组中间抽头。假设K1、K2为二次输出接线端子，连接后续二次测量设备；则可以使用K2、K3作为补偿绕组端子，用于注入反向补偿直流电流。

图3 现场实施方案示意图

直流在线补偿测方法的关键点在于确定电流互感器输出的二次谐波含量，以此定量评估一次侧直流量，从而控制电流源产生相应的补偿直流，减小或者抵消一次侧直流影响。为了实现该功能，直流偏磁在线补偿装置采用了基于相乘原理的相敏检波技术、多级滤波技术和压控电流源技术。

2.3 相敏检波电路

为了补偿一次电流产生的直流偏磁，首先需要从电流互感器二次输出的基波中检测出二次谐波的含量。电流互感器二次侧输出电流中，二次谐波最大时为基波电流的8%左右，最小时为基波电流的0.2%左右，两者的幅值相差倍数约在50～500倍之间。直接采用高通滤波器是难以准确提取出二次谐波，因此，采用了高灵敏度的相敏检波技术来提取二次谐波。

相敏检波的主要作用是从输入信号中取出与参考信号同频同相的信号，其基本工作机理就是将频率为ω1的输入信号与频率为ω2的参考信号相乘，再通过滤波将高频成分滤除，取出低频信号。假设ui1和ui2分别为输入信号和参考信号：

(2)

经过乘法器之后的输出为

(3)

第一项为差频分量，即低频成分，第二项为和频分量，即高频成分。当2个信号同频率时，即ω1=ω2差频信号输出为直流，且直流量大小和方向与2个输入信号的初相有关，体现出了相敏检波的选频和鉴相特性。相敏检波的总输出信号为直流信号叠加和频交流信号，即为：

(4)

输出信号经过低通滤波电路，滤除高频成分，即得到直流成分。本装置相敏检波芯片采用调制解调专用芯片AD630，能够从100 dB的噪声中恢复出有益信号，带宽达到2 MHz。

2.4 多级滤波电路

相敏检波电路输出信号是和频和差频信号的叠加，需要经过低通滤波器滤除和频信号，得到差频直流信号。多级滤波电路原理图如图4所示。

图4 低通滤波器原理图

R14和C11、R15和C15分别构成一阶低通电路，C11在低频段引入正反馈，在高频段引入负反馈，电路总体幅频特性更接近于理想。其传递函数为

(5)

当电路Q值为0.707时，-3 dB截止频率点为30 Hz。

2.5 压控电流源

经过相敏检波和多级滤波之后，为了产生该直流补偿电流，使用压控电流源做最后输出级[14]，最终控制压控电流源输出与一次直流电流成比例的直流补偿电流，使得二次输出偶次谐波最小。压控电流源原理图如图5所示。

图5 压控电流源

压控电流源输出电流与输入电压关系为

I=ui/Rs

式中：ui为输入电压；Rs为限流电阻。

3 试验验证

3.1 直流偏磁对电流互感器的影响试验

首先，在无直流偏磁在线补偿装置的情况下，对某电流互感器的计量绕组(额定600 A，0.2级)开展直流偏磁影响试验，测试时功率因数cosφ=0.8，试验结果如表1、表2所示。表1对应的是轻载2.5 VA工况，表2对应的是满载30 VA工况。

表1 空载时直流分量对计量误差的影响

表2 满载时直流分量对互感器误差的影响

结果表明：在一次电流中叠加直流后，输出的二次谐波含量与直流分量大小正相关，二次谐波最大值为基波电流的6%左右；直流偏磁下电流互感器的误差严重超差，比差向正方向偏移，角差向负方向偏移；轻载情况下直流偏磁对电流互感器的影响较小，这是由于轻载时铁芯磁密变化范围较小，进入饱和区程度较浅。

直流偏磁导致电流互感器的二次侧产生二次谐波，二次谐波含量与直流偏磁分量的大小呈现相关性。规格不同的互感器相关程度不一样，但互感器输出二次谐波电流含量与一次电流直流分量含量的变化规律是相似的，如图6所示。

图6 二次谐波与一次侧直流电流关系

3.2 在线补偿装置试验

直流在线补偿方案验证性试验的原理框图如图7所示，试验设备包括交直流合成大电流发生装置[15]、标准电流互感器(0.05级)、被测计量用电流互感器、互感器校验仪(0.05级)、直流偏磁在线补偿装置等。引入直流偏磁在线补偿装置后，在不同负载和额定电流情况下对电流互感器计量绕组的误差进行测试，试验现场接线图如图8所示。

图7 试验原理框图

图8 试验接线图

根据实验接线图将自动在线补偿装置的输出反馈到电流互感器补偿绕组，补偿绕组为65匝，CT比差角差测试使用校验仪。在不同负载情况下，分别对未补偿和补偿线之后的互感器准确度进行对比，测量结果如表3～表6所示。表3和表5对应的是负载2.5 VA，补偿线圈120匝的工况，表4和表6对应的负载30 VA，补偿线圈120匝的工况。