一種新型直流線路諧波測(cè)量方法

一種新型直流線路諧波測(cè)量方法

0諧波測(cè)量系統(tǒng)近年來(lái)，我國(guó)長(zhǎng)距離經(jīng)營(yíng)電氣集中的輸送線功能特點(diǎn)良好，運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定好，虧損少，對(duì)電網(wǎng)干擾小，線路投資運(yùn)營(yíng)成本和維修費(fèi)用相對(duì)較低。在直流線路中,由于一些非線性用電設(shè)備等的存在,使得公用電網(wǎng)中不可避免的存在諧波。諧波污染已經(jīng)危害到電力系統(tǒng)本身,成為直流輸電系統(tǒng)必須解決的重要問(wèn)題之一,而準(zhǔn)確檢測(cè)諧波對(duì)諧波的抑制和治理有著重要的指導(dǎo)作用。但是,在公用電網(wǎng)中被測(cè)電流和電壓信號(hào)往往不能直接接入諧波測(cè)量?jī)x器,需要通過(guò)電流互感器或電壓互感器將它們變化到儀器可接收的范圍,這就要求互感器具有準(zhǔn)確的變比和良好的頻率特性。在實(shí)際的直流線路上,直流電流比較大,相對(duì)來(lái)講,各次諧波比較小(5%～7%)。直流電子式電流互感器中的諧波測(cè)量,若采用傳統(tǒng)的鐵心繞組,在大直流作用下磁通偏移嚴(yán)重,因?yàn)槠鋵?dǎo)磁率比較高而容易飽和。法拉第磁光效應(yīng)可測(cè)交、直流電流,理論上也可用于高壓諧波電流測(cè)量,它頻帶寬、絕緣好、抗干擾性強(qiáng),但溫度和振動(dòng)的影響嚴(yán)重阻礙了它的實(shí)際應(yīng)用,另外,響應(yīng)靈敏度太低也影響了它在直流諧波測(cè)量中的應(yīng)用。目前,實(shí)際中還采用拓寬直流互感器頻帶的方法測(cè)量直流諧波電流,但效果不盡人意。若采用空心的Rogowski線圈,由于信號(hào)比較小而靈敏度較低,如果通過(guò)增加線圈匝數(shù)或者增加骨架高度等其他增加互感的方法會(huì)增加加工難度或者影響線圈的其他性能,例如增加雜散電容、影響頻帶等,并且需要在高壓側(cè)設(shè)計(jì)外積分電路,這個(gè)積分電路需要在2.5kHz以內(nèi)、溫度變化的條件下穩(wěn)定工作,對(duì)積分電容和積分電阻提出了比較高的要求,增加了設(shè)計(jì)難度。本文介紹了所研制的300A直流電子式互感器中的諧波測(cè)量方法,采用鐵心式的Rogowski線圈,由于其鐵心的特殊性,一方面直流電流造成的磁通偏移可以在滿足系統(tǒng)要求下忽略;另一方面,可以增大電感擴(kuò)大輸出的信號(hào),滿足設(shè)計(jì)的要求。1諧波電流的測(cè)量首先,介紹直流線路上諧波的情況。直流諧波主要包含特征諧波和非特征諧波。特征諧波是指換流設(shè)備在理想的正常情況即完全平衡的方式下運(yùn)行時(shí)必然產(chǎn)生的次數(shù)一定的諧波。非特征諧波是指換流設(shè)備在理想的正常情況下不會(huì)產(chǎn)生的諧波,但由于控制角不等、供電電壓不平衡、系統(tǒng)三相阻抗不完全相等等因素引起的次數(shù)不定的諧波。對(duì)HVDC12脈動(dòng)換流器在直流線路上產(chǎn)生的諧波電流,主要集中在0.05～2.5kHz范圍內(nèi),以600nHz(n=1,2,3,4)最為突出,高次諧波2.4kHz以上基本為零。對(duì)于300A的直流線路,諧波最大的值≤60A,這就要求我們的測(cè)量方法能在直流的情況下,準(zhǔn)確測(cè)量0.05～2.5kHz范圍內(nèi)幅值≤60A的諧波,最大特征波為600Hz。如圖1所示,本設(shè)計(jì)中用矩形截面的錳鋅鐵氧體圓環(huán)鐵心采用自積分的方法測(cè)量諧波。為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確度,必須保證鐵氧體鐵心工作在磁化曲線的線性區(qū),并滿足ωL?R+RL。ωL?R+RL。式中,ω為被測(cè)電流的角頻率;L為線圈的電感;R為積分電阻;RL為線圈的導(dǎo)線電阻。所設(shè)計(jì)的鐵氧體鐵心參數(shù)為:內(nèi)徑d=61mm,外徑D=122mm,高度h=20mm,線圈匝數(shù)N=741,相對(duì)磁導(dǎo)率μr=2000,R+RL=30Ω,電感L=2μrN2h×10?7ln(Dd)=3.044H。L=2μrΝ2h×10-7ln(Dd)=3.044Η。在ω最小的50Hz時(shí),ωL=956?R+RL=30Ω,滿足自積分的條件。2增量環(huán)點(diǎn)在直流磁場(chǎng)和交流磁場(chǎng)同時(shí)作用下,鐵磁材料的磁化過(guò)程比較復(fù)雜。如果在一個(gè)直流偏置磁場(chǎng)的基礎(chǔ)上,作用一個(gè)小信號(hào)交變磁場(chǎng)時(shí),鐵磁材料的磁狀態(tài)將不沿磁化曲線變化,而以原工作點(diǎn)為中心,形成一個(gè)增量環(huán)(即局部磁滯回線),如圖2中ab、cd所示。這個(gè)回線很窄,可用其兩點(diǎn)之間的連線來(lái)代替。這種情況下,變化的磁密與變化的磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系,可用一個(gè)所謂的增量磁導(dǎo)率的物理量來(lái)表示,即這個(gè)增量環(huán)的弦的斜率。理論上來(lái)講,增量磁導(dǎo)率要小于動(dòng)態(tài)磁導(dǎo)率,而且隨著直流電流的增加,增量磁導(dǎo)率要減小。但是在所用的額定300A直流系統(tǒng)中,由于直流電流不大,再加上所采用的鐵氧體鐵心的動(dòng)態(tài)磁導(dǎo)率不大(2000),所以其直流工作點(diǎn)的變化不是很大,可以在滿足系統(tǒng)準(zhǔn)確度要求的范圍內(nèi)忽略。3直流偏置農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)時(shí),受實(shí)驗(yàn)條件所限,采用等安匝法產(chǎn)生校驗(yàn)電流。用來(lái)測(cè)量的帶鐵氧體鐵心的Rogowski線圈上有3個(gè)繞組:N1、N2、Nd。Nd為直流偏置繞組,模擬線路上的直流分量;N1為被測(cè)諧波繞組,通過(guò)改變其大小和頻率來(lái)模擬線路上各次諧波。實(shí)驗(yàn)中,對(duì)同一諧波量,將線圈輸出的結(jié)果和高準(zhǔn)確度的電流互感器的輸出結(jié)果都送入虛擬儀器進(jìn)行處理,認(rèn)為高準(zhǔn)確度電流互感器的輸出結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)值x2,線圈輸出結(jié)果為測(cè)量值x1,取比差Rt=((kx1-x2)/x2)×100%,k為常系數(shù)來(lái)衡量測(cè)量的準(zhǔn)確度。3.1直流分量變化在傳統(tǒng)的鐵心測(cè)量中,直流分量對(duì)其磁通影響很大,而在我們所采用的新方法中,可以忽略直流分量變化對(duì)于磁通偏移的影響。為了說(shuō)明這一點(diǎn)的可行性,我們?cè)谧畲蟮奶卣鞑?00Hz幅值為60A時(shí),疊加不同的直流量,使直流量從0～420A變化,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)比差的變化很小,不到0.001%,結(jié)果如圖3所示。3.2積分電阻檢測(cè)比差在最大特征波600Hz時(shí),使諧波電流從額定電流60A的5%～120%變化,檢測(cè)輸出的比差,比差<0.05%,如圖4所示,線圈和積分電阻的線性度良好。3.3hz到200hz的變化當(dāng)幅值為60A時(shí),使諧波的頻率從50Hz到2500Hz變化,比差隨頻率的變化如圖5所示。實(shí)驗(yàn)證明,線圈和自積分電路的頻率響應(yīng)特性良好,通頻帶內(nèi)比差<0.05%。3.4比差隨溫度變化的特性由于這部分電路是在室外工作的,因此要經(jīng)受環(huán)境溫度變化的考驗(yàn),需要對(duì)線圈和自積分電阻做溫度實(shí)驗(yàn)。我們采用了溫度特性比較好的特制電阻,將線圈和自積分電阻先后分別放置在烘箱和冰箱內(nèi),調(diào)節(jié)溫度在-30～70℃范圍內(nèi)變化,測(cè)量到系統(tǒng)的比差隨溫度變化的曲線如圖6所示。測(cè)量裝置隨溫度的變化穩(wěn)定性良好,比差的變化<0.1%。在中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波GB/T14549-1993采用了1998年國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)關(guān)于諧波測(cè)量?jī)x器的主要性能、準(zhǔn)確度要求和對(duì)不同波動(dòng)性質(zhì)的諧波測(cè)量方法,并總結(jié)了TA諧波測(cè)量的誤差,規(guī)定“在測(cè)量的頻率范圍內(nèi),儀用互感器等諧波傳感設(shè)備應(yīng)有良好的頻率特性,其引入的幅值誤差不應(yīng)>5%”。前文所示的線圈和自積分電路的整體誤差達(dá)到0.2%,通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)后面的信號(hào)處理系統(tǒng),可使整個(gè)諧波測(cè)量裝置的準(zhǔn)確度達(dá)到1%,甚至更好。4社會(huì)主義主導(dǎo)地位電網(wǎng)諧波電壓-1070c本文所介紹的電子式直流電流互感器中,采用的帶鐵心Rogowski線圈通過(guò)自積分