空心線圈電流互感器特性測試與分析

空心線圈電流互感器特性測試與分析

0空心線圈電流傳感及性能測試方法及標準現(xiàn)狀電子服務源供電裝置的傳變性能應滿足系統(tǒng)或設備故障的要求。傳統(tǒng)電磁式電流傳感器的鐵芯飽和問題是影響其性能的最重要因素。為此,相關測試標準對電流互感器要求在穩(wěn)態(tài)一次短路電流下的測量誤差不超過規(guī)定限值,而對于短路電流非周期分量和互感器剩磁等引起的暫態(tài)飽和問題,需要通過選擇互感器的類型和參數(shù),以及在繼電保護環(huán)節(jié)采用相應的抗飽和措施解決?？招木€圈電流互感器由于不含鐵芯,不存在鐵芯飽和的問題,因此普遍對其傳變特性動態(tài)范圍大、頻帶寬等性能有很高期待,被認為有望帶來繼電保護原理和性能的突破。國內(nèi)外學者在空心線圈電流互感器實用化方面進行了深入地研究。分析了外界磁場、環(huán)境溫度、一次導體位置變動、線圈繞制工藝等因素對空心線圈電流互感器性能的影響并提出了相應的改善措施,針對積分方式、電子電路設計進行了研究,通過理論分析、試驗、仿真等方法研究空心線圈電流互感器的頻率特性、暫態(tài)特性等。研究工作有力地推動了空心線圈電流互感器實用化進程,已經(jīng)逐步進入工程應用階段。目前在電子式電流互感器的相關標準中,關于誤差等級的要求是與常規(guī)電磁式互感器一致的,暫態(tài)性能要求等同于常規(guī)互感器的TPY級定義。顯然,相應測試標準沒能體現(xiàn)出空心線圈電流互感器的結構特點和傳變特點。由于生產(chǎn)廠家一般不具備高壓大電流的試驗測試環(huán)境,使得產(chǎn)品在開發(fā)研制以及成品化過程中“摸著石頭過河”,很難定量分析和精確控制互感器單元部件及整體的特性。電磁式電流互感器由于存在非線性的磁特性,互感器在不同運行工況尤其是故障電流下的輸出具有不確定性,傳變特性只能定性分析,在相對低壓小電流條件下進行測試不能體現(xiàn)其本質(zhì)特征。而空心線圈電流互感器具有線性特性,可以應用疊加原理進行研究,傳變特性是可以定量分析的,而且采用等安匝法進行測試理論上是沒有誤差的。由于對空心線圈電流互感器傳變特性認識不足,及相關測試方法和標準的滯后嚴重影響了這項新技術的成熟和推廣應用,也使得該領域產(chǎn)品魚龍混雜,被認為“是調(diào)試出來的而不是制造出來的”。本文根據(jù)空心線圈電流互感器結構特點,基于對實際空心線圈電流互感器的單元模塊和整機的試驗,研究了空心線圈電流互感器的穩(wěn)態(tài)性能、頻帶特性和暫態(tài)響應等傳變特性,分析與常規(guī)電流互感器傳變特性的不同之處,提出了空心線圈電流互感器傳變特性應關注的測試重點,為相應測試標準的改進完善提出了建議。1環(huán)境參數(shù)測試(1)依據(jù)IEC60044-8和GB/T20840.8中對電子式電流互感器的要求,設計實驗測試方案。實驗測試方案的定位是研究電流互感器各單元部件及整體的傳變特性,實驗結果不作為評價測試產(chǎn)品性能指標的依據(jù)。(2)本實驗測試方案采用等安匝法進行測試,如額定一次電流2000A,一次線圈等安匝數(shù)500匝,則一次等效額定電流為4A。忽略等安匝線圈繞制對稱性對測試結果精確性的影響。(3)被測空心線圈電流互感器的結構模塊如圖1所示。測試時在信號處理電路中短接了低通濾波單元,以更真實地反映其頻帶特性。(4)A/D數(shù)據(jù)采樣率設置為10kHz。由于采用高精度的A/D轉(zhuǎn)換器以及采用同步信號控制通道A/D采樣,且實驗中光纖傳輸距離短,所以數(shù)字信號處理和傳輸誤差不計,即不考慮其對互感器傳變特性的影響。(5)測試基本接線如圖2所示。測量點分別設置于傳感線圈、積分放大、相位補償之后,再通過采樣板及合并單元MU送至互感器校驗儀。WYET-1A型電子式電流互感器校驗儀通過GPS秒脈沖分頻后同步采樣標準通道和被校通道,將同一時刻的兩路信號進行比對處理,可以觀察相應的波形和誤差,并可以導出波形數(shù)據(jù),本文中的實驗波形均由導出數(shù)據(jù)擬合而成。(6)飽和特性測試時,不是由繼電保護測試儀輸出電流,而是通過升流器輸出大電流,并由標準電流互感器取樣進行測試。(7)暫態(tài)特性測試時,由于發(fā)生擾動的暫態(tài)過程迅速,采用具有錄波功能的ZH-5N網(wǎng)絡報文分析儀代替電子式互感器校驗儀顯示輸出波形。2空心線圈電流監(jiān)測技術在繼電保護測試儀中設置5%~120%額定工頻電流輸出進行測試。在額定工頻電流下傳感頭、積分放大、相位補償(對應互感器整體輸出)各點的實驗波形如圖3所示。此時,傳感頭輸出的信號超前一次電流約90°,由于傳感頭輸出信號較小,易受干擾而出現(xiàn)毛刺,經(jīng)過積分及放大環(huán)節(jié)后,波形被還原,波形與一次電流約有2°的相差。由于無源積分電路有一定濾波作用,經(jīng)過積分放大之后的波形比較光滑。經(jīng)過移相電路后的信號與一次電流相位趨于一致。等效一次電流分別為5%~120%額定電流時實驗結果如表1所示。由表1,空心線圈電流互感器在額定電流以及小電流下的準確級是完全可以滿足保護用電子式電流互感器的要求,甚至能夠達到測量用電流互感器的相應標準等級。本文實驗方案針對互感器各單元部件進行測試,雖然可能引入一定的測量誤差,但結果還是在合理范圍的。與常規(guī)互感器需要足夠的輸出功率驅(qū)動二次設備不同,空心線圈電流互感器輸出功率極小,如額定一次電流下傳感頭的輸出為150mV,因此小信號時易受電磁干擾的影響。在5%額定電流下傳感頭、積分放大、相位補償各點的實驗波形如圖4所示,可以看出小電流下空心線圈傳感頭的輸出受干擾嚴重,信號處理電路有效抑制了波形畸變,這依賴于各個廠家的電路設計性能。鑒于此,本文建議在空心線圈電流互感器的測試標準中引入“準確低限值系數(shù)”、“額定準確低限值一次電流”和“總諧波畸變率”指標,評價互感器在小電流時的輸出波形質(zhì)量,以補充“電流比值誤差”和“相位誤差”指標,使得對互感器在小電流時的評價更為全面。如定義“準確低限值系數(shù)”為0.05,“額定準確低限值一次電流”相應地為5%額定一次電流,可以要求滿足互感器在5%額定一次電流時“總諧波畸變率”不超過5.5%。如表1所示。3空心線圈電流整體線性度的比對通過升流器輸出5~25倍額定一次電流進行測試。從表2的實驗結果看出,由于空心線圈傳感頭不含鐵芯,為線性元件,可以在外界雜散磁場非常復雜的情況下準確測量大電流。空心線圈電流互感器測量精度高,而且很穩(wěn)定,互感器各個環(huán)節(jié)在不同倍數(shù)額定電流下的誤差非常一致。同時,保護用ECT的標度因子為01CFH,可以保證測量電流在50倍額定一次電流(0%偏移)或25倍額定一次電流(100%偏移)時互感器數(shù)據(jù)輸出不溢出。所以可以認為空心線圈電流互感器在50倍額定一次電流范圍內(nèi)不存在飽和問題?？招木€圈電流互感器的線性度如圖5所示。分別列出在5%~120%、5%~25倍額定電流下傳感頭和整體的比差和相差?？梢?對于空心線圈電流互感器,瓶頸在于測量小電流而不是大電流,這與電磁式電流互感器瓶頸在于測量大電流不同。相應地,空心線圈電流互感器在額定準確限值一次電流下的復合誤差限值較容易滿足,這也說明了空心線圈電流互感器確實適合于用作保護用電流互感器。因此,本文認為在大電流時仍然采用比差和相差作為衡量標準,可以不采用復合誤差,作為補充也可以引入諧波畸變率,如表2所示。4空心線圈電流傳感參數(shù)測試結果通過繼電保護測試儀輸出頻率為45~1000Hz的額定電流進行測試。由于空心線圈的輸出電壓與頻率是成正比的,所以本文將實際輸出的有效值除以被測電流頻率的倍頻數(shù)再與標準電流的有效值比較得出“比差*”,這樣處理后的比差更能體現(xiàn)空心線圈在測量不同頻率電流時的準確度。在工頻附近,空心線圈處于開路狀態(tài),輸出電壓與被測電流同相位。通過適當?shù)男盘柗糯蠛蜆硕?輸出電壓可精確反映被測電流。從表3的實驗結果看出,空心線圈電流互感器在96%~102%額定頻率下可以滿足準確級要求。而在高頻時,傳感頭不能等效工作于開路狀態(tài),由于受限于傳感頭自感與分布電容的諧振頻率和通帶上限截止頻率,使得特性變差。隨著頻率的增大,線圈傳感頭輸出信號的相位不再超前一次電流90°,超前的角度逐漸減小,在1kHz時,傳感頭輸出只超前80.5°左右?；ジ衅髡w相差增大的另一方面原因是由于電子電路的相頻特性,如本文測試對象的相位補償電路的相移是隨著頻率增大而顯著增大的。根據(jù)廠家提供的相位補償電路參數(shù)仿真可得1kHz時的相移為44°?？招木€圈電流互感器的寬頻帶是可以實現(xiàn)的。如果二次系統(tǒng)需要空心線圈電流互感器在很寬的頻帶范圍內(nèi)有很高的準確度,性能良好的電子電路設計很重要,提高空心線圈的繞制工藝以減小分布電容也很關鍵。5空心線圈電流過流保護測試方案比選采用繼電保護測試儀的故障回放輸出和錄波儀進行測試。繼電保護測試儀雖然只能輸出等效一次額定電流大小的信號,不能模擬真實故障電流,但由于之前的測試表明,空心線圈電流互感器確實沒有飽和的問題,因此本測試方案是可行的。5.1空心線圈暫態(tài)電流和諧波分析當時間常數(shù)τ為80ms時,Rogowski線圈傳感頭的暫態(tài)波形和諧波分析結果如圖6所示。圖6中從上到下依次為互感器傳感頭輸出波形(輸出電流),傳感頭輸出波形中的直流分量,一次暫態(tài)電流(被測電流),一次暫態(tài)電流中的直流分量。諧波分析依次為被測電流和輸出電流的結果。Rogowski線圈傳感頭傳變一次暫態(tài)電流時的誤差主要是由直流分量造成的,附加諧波分量是由于干擾引起的。Rogowski線圈傳變衰減直流時有較大的誤差,由分解出的衰減直流波形可知Rogowski線圈輸出信號中的直流衰減速度明顯比原信號快,即衰減直流傳變到二次側(cè)時時間常數(shù)減小了。時間常數(shù)τ為80ms時空心線圈電流互感器整體輸出的暫態(tài)波形和諧波分析結果如圖7所示。圖7中從上到下分別為互感器輸出波形(輸出電流),互感器輸出波形中的直流分量,一次暫態(tài)電流(被測電流),一次暫態(tài)電流中的直流分量,測量誤差電流。諧波分析依次為被測電流和輸出電流的結果。由以上諧波分析可知,空心線圈電流互感器對于暫態(tài)電流中的各次諧波都能較準確地傳變至二次側(cè),但是對于衰減直流,傳變至二次側(cè)時時間常數(shù)會變小,互感器輸出的衰減直流衰減得比一次側(cè)快造成傳變暫態(tài)電流的主要誤差。而比較各個實驗波形可知,空心線圈電流互感器傳變暫態(tài)電流時在故障發(fā)生經(jīng)過時間τ(直流衰減時間常數(shù))后誤差達到最大,之后誤差逐漸減小。直流衰減時間常數(shù)τ改變時,空心線圈傳變暫態(tài)電流時的最大瞬時誤差也有所不同。實驗具體數(shù)據(jù)如表4所示。對電磁式電流互感器而言,短路時短路電流中的衰減直流分量是引起互感器鐵芯飽和的重要因素,并且隨著時間常數(shù)的增長飽和愈加嚴重。而對于空心線圈電流互感器,系統(tǒng)短路、有大的衰減直流分量的時候,其暫態(tài)誤差特性取決于測量的下限頻率和積分電路的時間常數(shù)。5.2空心線圈電流傳感及特性本文勵磁涌流是通過在RTDS中仿真變壓器空載合閘產(chǎn)生勵磁涌流波形,利用繼電保護測試儀進行故障回放輸出。勵磁涌流波形和諧波分析結果如圖8所示。圖8中從上到下分別為空心線圈電流互感器輸出波形(輸出電流),一次勵磁電流波形(被測電流),以及測量誤差電流。諧波分析依次為被測電流和輸出電流的結果。由實驗波形可知,空心線圈電流互感器對于勵磁涌流的間斷角有良好的識別功能,能正確地傳變勵磁涌流的波形。將9次以內(nèi)諧波分量列出對比如表5所示?？梢?空心線圈電流互感器能較好傳變基波及各次諧波,但是對于衰減直流分量卻不能完全傳變到二次側(cè)。故障暫態(tài)電流(包括勵磁涌流)實質(zhì)上是含有幅值不等的衰減直流分量、基波分量和各次諧波分量。從前面的分析可以看出,空心線圈電流互感器的線性度好,因此對暫態(tài)電流的響應可以采用疊加原理分析,即可分別研究互感器對暫態(tài)電流各分量的響應;又由于空心線圈電流互感器的頻率特性好,基波和各次諧波的傳變誤差小,所以空心線圈電流互感器對短路電流或勵磁涌流的傳變誤差主要來源于衰減的非周期分量。6空心線圈電流