电子式互感器的校准方法与技术_余春雨
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
0 前 言
传统的电磁式电力互感器校准系统由标准互感 器 、被测互感器和互感器校验仪组成 ,其中互感器校 验仪采用测差原理即被测互感器与标准互感器接成 差值回路 ,利用测差装置检测 。测差装置引入的误 差是互感器误差的误差 ,校验仪对电源 (高电压源和 大电流源) 的稳定性没有特殊要求 。
随着电力系统的容量和电压的增大 ,传统的电 磁式电压 、电流互感器 ( TV 、TA) 呈现出某些缺陷 , 如绝缘和电磁干扰问题 ;故障状态下的磁饱和 ;体积 大 、造价高等 。从上世纪 50 年代开始 ,国内外开始 研究新型互感器 ,包括利用 Faraday 磁光效应测量 电流的光电式 TA 和 Pockels 线性电光效应测量电
②校准系统还应分析系统的不确定度 ,其主要 部分是标准器的不确定度 ,而误差带来的不确定度 通过算法得到控制 ,其它影响因素可由改善试验环 境得到控制 (如控制实验室温度以减少温度变化的 影响 ,使用标准电源减少频率变动的影响) 。
(下转第 24 页)
·24 · Apr12004 HI GH VOL TA GE EN GIN EER IN G Vol. 30 No. 4
后者无以上问题且对将来出现的变化易于调 整 ,其原理方框见图 2 (以电子式 TA 为例) 。
图 2 数字输出式电子互感器校准系统原理 Fig12 Principle of calibration system for digital
output electronic transducer
比值误差ε和相位误差φe 单独测出 , 比较标准 互感器和被测互感器有效值得出ε, 测量两组信号 过零点得出 φe 。大数目采样点可使测量结果稳定 。 3 进一步的工作
①不能检测被测互感器数字输出信号是否符合 标准要求 ; ②分离 A/ D 转换与 D/ A 转换带来的误 差很困难 ; ③被测互感器的时延 (采样 ,A/ D 转换 , 数据处理 ,D/ A 转换) 带来的相位偏差与互感器本 身相移之和可能超出校验仪的测试范围 (典型平衡 电桥允许相移 200 mrad) 。
图 1 电磁式与电子式互感器的相位误差 Fig11 Phase error of electro2magnetic and electronic
instrument transformer
2 电子式互感器的校准方法
校准模拟输出的电子式互感器需改进校验传统 电磁式互感器校验系统 。标准器目前还用标准电磁 式互感器 。由于电子式的 TA 、TV 的模拟输出都是 小电压信号 ,所以要用标准电阻调整标准电磁式互 感器二次输出信号 ,二者送入同步放大器作比较 。 另外 ,电子式互感器的模拟输出信号远小于电磁式 互感器二次输出信号 ,因此校验仪要考虑微弱信号 的处理问题 。
1 电子式互感器的误差定义
对模拟输出而言 ,传统 TV 定额二次电压标准 值为 100 V ,传统 TA 额定二次电流标准值为 1 、5 A ,而电子式 TV 额定二次电压标准值为 11625～6. 5 V ,电子式 TA 额定二次电压标准值为 22. 5 mV～ 4 V ,而且电子式互感器输出的是数值序列 ,是一种 新的输出形式[3 ] 。如电子式 TA ,采用等距抽样 ,其 数字输出通过下列关系式阐述 :
时 ,须求出 3 个护套链电路中的工频感应电流 。护
套链 Ⅰ的电路见图 2 ,设长庆站 110 kV 母线故障期
间 B HQ1～B HQ6 不动作 (B HQ 不与 D1～D6 各点连
通) 。考虑 A 相母线短路时入地电流对电缆两端接
地装置工频接地电阻上的压降影响 ,可列出 3 个护
套链与大地构成电路的电压平衡方程 :
·
·
·
·
·Hale Waihona Puke Baidu
U Ⅰ0 = ( I KA / 3 + I0) 3 R d1+ I0j ( X 0a1 + X 0b2 + X 0c3) +3 I
R d2 据此绘出的护套链零序等值电路见图 3 。
忽略各段护套的直流电阻 , U Ⅰ0 = - j5691. 5 V ,电
缆 (总长) 两端接地装置的接地电阻分别为 R d1 = 0. 18 Ω , R d2 = 0. 45 Ω。由此算得 :
·20 · Apr12004 HI GH VOL TA GE EN GIN EER IN G Vol. 30 No. 4
电子式互感器的校准方法与技术
余春雨 , 叶国雄 , 王晓琪 , 李晓林 , 李 伟 (武汉高压研究所 ,武汉 430074)
CAL IBRATION TECHNIQUE OF EL ECTRONIC INSTRUMENT TRANSD UCERS
2004 年 4 月 高 电 压 技 术 第 30 卷第 4 期 ·21 ·
电流测量中电子式 TA 的电流误差 ( 比值误 差) ε = ( knIs - Ip) / Ip ×100 % 为实际变比不等于 额定变比引起的误差 。其中 : k n 为额定变比 ; Ip 为 实际一次电流在其谐波分量 ip ,r ( t) = 0 时的有效 值 ; Is 为当 isdc ( n) + i sres ( t n) = 0 时的数字输出二次 电流有效值 。因此电子式互感器的比差可按照电磁 式互感器的ε理解 。
i s ( n) = 2 I sscsin (2πf t n +φs) + i sdc ( n) + i sres ( n) , n = 1 ,2 , …, N 。
式中 , is ( n) 为合并单元输出的数字数目 ,代表一次 电流的瞬时值 ; Issc 为合并单元输出的基波有效值 ; i sdc 包括指数部分的二次直流输出 ; i sres 为包括谐波 和次谐波分量的二次剩余电流输出 ; n 为数据组计 数器的计数 ,即采样次数 ; t n 为一次电流第 n 次数据 组的抽样时刻 ; f 为频率 ;φs 为二次相位差 。
电子式互感器的相位误差 φe 却比电磁式互感 器的复杂 ,后者指互感器的一次电压 \ 电流相量与 二次电压 \ 电流相量的相位之差 φ, 即 φ 就是 φe (见图 1a) 。电子式互感器由于数据处理和传输时 间要产生延时 ,因此产生的相位差可能很大 ,把它当 作φe 显然不宜 ,所以电子式互感器的φ和φe 应分别 定义 。数字输出的电子式互感器相位差 φ与传统互 感器的相同 ,即一 、二次电流的相位之差 , 指在一次 接线端子上出现某一电流时刻与对应数字启动传输 时刻的时间差 ( 表示成与额定频率相关的角度单 位) ; 而 相 位 误 差 φe 则 为 φ 减 去 因 额 定 相 位 差 φor (电子式互感器因选用的技术产生的额定相位 差) 和额定延时时间 tdr (数据处理和传输所需时间 的额定值) 所引起的偏移量 (见图 1b) , 即一个时钟 脉冲到与数字传输值对应的一次电流抽样间的时间 差 :φ = φ - φor + 2πf t dr 。
校准数字输出的电子式互感器的标准器目前也 用标准电磁式互感器 。因此有两种方法 ,一是将被 测互感器的数字输出经 D/ A 转换 ,然后与标准互感 器输出比较 ;一是将标准互感器的模拟输出经 A/ D 转换 ,然后与被测互感器输出比较 。
前者易实现且可与模拟输出的传统互感器校准 系统合并 ,但它存在以下问题 :
压的光电式 TV ,它们体积小 、绝缘性能好 。这类新 型互感器 (电子式互感器) 的二次输出与传统互感器 不同 ,分为数字输出和模拟输出两种 。模拟输出虽 是为了利用变电站现存的模拟接口二次设备 ,但也 不是传统意义上的模拟输出 ,其输出容量比传统输 出小许多 。对于数字输出的电子式互感器 ,国际电 工委员会也有相应的标准化工作 ,给出了新的误差 定义 ,采用绝对测量法检测 ,对电源的稳定性有要 求 ,误差测量系统也与传统互感器测差原理完全不 同 ,应开发新的校准系统 。
Yu Chunyu , Ye Guoxiong , Wang Xiaoqi , Li Xiaolin , Li Wei ( Wuhan High Voltage Research Instit ute , Wuhan 430074 , China)
Abstract Electronic instrument transducers are calibrated for t he small voltage signal or a numeric sequence. Electronic in2 strument transducers have time delay due to data processing , transmission , etc. So t he phase error is t he difference between t he actual phase displacement and t he rated phase displacement considering t he difference between t he actual time delay and t he rated time delay and related to t he rated frequency. The stan2 dard conventional transformers are needed for t he calibration of t he electronic instrument transducers. The output of t he stan2 dard conventional transformer is converted by induced voltage divider , reference resistance or reference AD converter. Then t he converted signal is compared wit h t he test signal. At t he last of t he paper , t he future work of tracing to t he source stan2 dard , analyzing of uncertainty , comparison for designing t he new calibration system is discussed. Key words Electronic instrument transducers calibration error 摘 要 电子式互感器校准的对象是小电压信号和数字序 列 ,其数据处理 、传递时间产生延时 。电子式互感器相位误 差与额定频率有关且等于相位差减去由于额定相位差和额 定延时所引起的偏移量 。电子式互感器的校准需用标准电 磁式互感器作为标准器 ,通过感应分压器 、标准电阻或标准 A/ D 转换器变换标准信号后与被测信号比较 。建立电子式 互感器校准系统需要进行标准器溯源 、不确定度分析 、比对 等工作 。 关键词 电子式互感器 校准 误差 中图分类号 TM45 文献标识码 A
目前 ,国内外电子式互感器的研制已向实用化 阶段发展 , IEC 已制定相关标准[1 ,2 ] 。国内许多电 子式互感器研制单位需要开发新的校验仪检验其产 品 。为了使新产品顺利进入电力市场 ,确保电力系 统可靠运行 ,国家高压计量站也需要建立电子式互 感器校准系统 ,编制相应规范以统一校验标准和方 法 。本文介绍电子式互感器校准的技术要求及校准 方法 。
比较了传统电磁式互感器和电子式互感器的误 差定义并提出电子式互感器的校准方法后的工作是 建立电子式互感器校准系统 。这工作较为复杂 ,除 了以上论及的技术方法外 ,尚需解决 :
①标准器具 (包括标准互感器和标准 A/ D4 转 换器) 必需具有可溯性 ,能上溯到更高准确级的标准 器并且保证长期稳定性 。
传统的电磁式电力互感器校准系统由标准互感 器 、被测互感器和互感器校验仪组成 ,其中互感器校 验仪采用测差原理即被测互感器与标准互感器接成 差值回路 ,利用测差装置检测 。测差装置引入的误 差是互感器误差的误差 ,校验仪对电源 (高电压源和 大电流源) 的稳定性没有特殊要求 。
随着电力系统的容量和电压的增大 ,传统的电 磁式电压 、电流互感器 ( TV 、TA) 呈现出某些缺陷 , 如绝缘和电磁干扰问题 ;故障状态下的磁饱和 ;体积 大 、造价高等 。从上世纪 50 年代开始 ,国内外开始 研究新型互感器 ,包括利用 Faraday 磁光效应测量 电流的光电式 TA 和 Pockels 线性电光效应测量电
②校准系统还应分析系统的不确定度 ,其主要 部分是标准器的不确定度 ,而误差带来的不确定度 通过算法得到控制 ,其它影响因素可由改善试验环 境得到控制 (如控制实验室温度以减少温度变化的 影响 ,使用标准电源减少频率变动的影响) 。
(下转第 24 页)
·24 · Apr12004 HI GH VOL TA GE EN GIN EER IN G Vol. 30 No. 4
后者无以上问题且对将来出现的变化易于调 整 ,其原理方框见图 2 (以电子式 TA 为例) 。
图 2 数字输出式电子互感器校准系统原理 Fig12 Principle of calibration system for digital
output electronic transducer
比值误差ε和相位误差φe 单独测出 , 比较标准 互感器和被测互感器有效值得出ε, 测量两组信号 过零点得出 φe 。大数目采样点可使测量结果稳定 。 3 进一步的工作
①不能检测被测互感器数字输出信号是否符合 标准要求 ; ②分离 A/ D 转换与 D/ A 转换带来的误 差很困难 ; ③被测互感器的时延 (采样 ,A/ D 转换 , 数据处理 ,D/ A 转换) 带来的相位偏差与互感器本 身相移之和可能超出校验仪的测试范围 (典型平衡 电桥允许相移 200 mrad) 。
图 1 电磁式与电子式互感器的相位误差 Fig11 Phase error of electro2magnetic and electronic
instrument transformer
2 电子式互感器的校准方法
校准模拟输出的电子式互感器需改进校验传统 电磁式互感器校验系统 。标准器目前还用标准电磁 式互感器 。由于电子式的 TA 、TV 的模拟输出都是 小电压信号 ,所以要用标准电阻调整标准电磁式互 感器二次输出信号 ,二者送入同步放大器作比较 。 另外 ,电子式互感器的模拟输出信号远小于电磁式 互感器二次输出信号 ,因此校验仪要考虑微弱信号 的处理问题 。
1 电子式互感器的误差定义
对模拟输出而言 ,传统 TV 定额二次电压标准 值为 100 V ,传统 TA 额定二次电流标准值为 1 、5 A ,而电子式 TV 额定二次电压标准值为 11625～6. 5 V ,电子式 TA 额定二次电压标准值为 22. 5 mV～ 4 V ,而且电子式互感器输出的是数值序列 ,是一种 新的输出形式[3 ] 。如电子式 TA ,采用等距抽样 ,其 数字输出通过下列关系式阐述 :
时 ,须求出 3 个护套链电路中的工频感应电流 。护
套链 Ⅰ的电路见图 2 ,设长庆站 110 kV 母线故障期
间 B HQ1～B HQ6 不动作 (B HQ 不与 D1～D6 各点连
通) 。考虑 A 相母线短路时入地电流对电缆两端接
地装置工频接地电阻上的压降影响 ,可列出 3 个护
套链与大地构成电路的电压平衡方程 :
·
·
·
·
·Hale Waihona Puke Baidu
U Ⅰ0 = ( I KA / 3 + I0) 3 R d1+ I0j ( X 0a1 + X 0b2 + X 0c3) +3 I
R d2 据此绘出的护套链零序等值电路见图 3 。
忽略各段护套的直流电阻 , U Ⅰ0 = - j5691. 5 V ,电
缆 (总长) 两端接地装置的接地电阻分别为 R d1 = 0. 18 Ω , R d2 = 0. 45 Ω。由此算得 :
·20 · Apr12004 HI GH VOL TA GE EN GIN EER IN G Vol. 30 No. 4
电子式互感器的校准方法与技术
余春雨 , 叶国雄 , 王晓琪 , 李晓林 , 李 伟 (武汉高压研究所 ,武汉 430074)
CAL IBRATION TECHNIQUE OF EL ECTRONIC INSTRUMENT TRANSD UCERS
2004 年 4 月 高 电 压 技 术 第 30 卷第 4 期 ·21 ·
电流测量中电子式 TA 的电流误差 ( 比值误 差) ε = ( knIs - Ip) / Ip ×100 % 为实际变比不等于 额定变比引起的误差 。其中 : k n 为额定变比 ; Ip 为 实际一次电流在其谐波分量 ip ,r ( t) = 0 时的有效 值 ; Is 为当 isdc ( n) + i sres ( t n) = 0 时的数字输出二次 电流有效值 。因此电子式互感器的比差可按照电磁 式互感器的ε理解 。
i s ( n) = 2 I sscsin (2πf t n +φs) + i sdc ( n) + i sres ( n) , n = 1 ,2 , …, N 。
式中 , is ( n) 为合并单元输出的数字数目 ,代表一次 电流的瞬时值 ; Issc 为合并单元输出的基波有效值 ; i sdc 包括指数部分的二次直流输出 ; i sres 为包括谐波 和次谐波分量的二次剩余电流输出 ; n 为数据组计 数器的计数 ,即采样次数 ; t n 为一次电流第 n 次数据 组的抽样时刻 ; f 为频率 ;φs 为二次相位差 。
电子式互感器的相位误差 φe 却比电磁式互感 器的复杂 ,后者指互感器的一次电压 \ 电流相量与 二次电压 \ 电流相量的相位之差 φ, 即 φ 就是 φe (见图 1a) 。电子式互感器由于数据处理和传输时 间要产生延时 ,因此产生的相位差可能很大 ,把它当 作φe 显然不宜 ,所以电子式互感器的φ和φe 应分别 定义 。数字输出的电子式互感器相位差 φ与传统互 感器的相同 ,即一 、二次电流的相位之差 , 指在一次 接线端子上出现某一电流时刻与对应数字启动传输 时刻的时间差 ( 表示成与额定频率相关的角度单 位) ; 而 相 位 误 差 φe 则 为 φ 减 去 因 额 定 相 位 差 φor (电子式互感器因选用的技术产生的额定相位 差) 和额定延时时间 tdr (数据处理和传输所需时间 的额定值) 所引起的偏移量 (见图 1b) , 即一个时钟 脉冲到与数字传输值对应的一次电流抽样间的时间 差 :φ = φ - φor + 2πf t dr 。
校准数字输出的电子式互感器的标准器目前也 用标准电磁式互感器 。因此有两种方法 ,一是将被 测互感器的数字输出经 D/ A 转换 ,然后与标准互感 器输出比较 ;一是将标准互感器的模拟输出经 A/ D 转换 ,然后与被测互感器输出比较 。
前者易实现且可与模拟输出的传统互感器校准 系统合并 ,但它存在以下问题 :
压的光电式 TV ,它们体积小 、绝缘性能好 。这类新 型互感器 (电子式互感器) 的二次输出与传统互感器 不同 ,分为数字输出和模拟输出两种 。模拟输出虽 是为了利用变电站现存的模拟接口二次设备 ,但也 不是传统意义上的模拟输出 ,其输出容量比传统输 出小许多 。对于数字输出的电子式互感器 ,国际电 工委员会也有相应的标准化工作 ,给出了新的误差 定义 ,采用绝对测量法检测 ,对电源的稳定性有要 求 ,误差测量系统也与传统互感器测差原理完全不 同 ,应开发新的校准系统 。
Yu Chunyu , Ye Guoxiong , Wang Xiaoqi , Li Xiaolin , Li Wei ( Wuhan High Voltage Research Instit ute , Wuhan 430074 , China)
Abstract Electronic instrument transducers are calibrated for t he small voltage signal or a numeric sequence. Electronic in2 strument transducers have time delay due to data processing , transmission , etc. So t he phase error is t he difference between t he actual phase displacement and t he rated phase displacement considering t he difference between t he actual time delay and t he rated time delay and related to t he rated frequency. The stan2 dard conventional transformers are needed for t he calibration of t he electronic instrument transducers. The output of t he stan2 dard conventional transformer is converted by induced voltage divider , reference resistance or reference AD converter. Then t he converted signal is compared wit h t he test signal. At t he last of t he paper , t he future work of tracing to t he source stan2 dard , analyzing of uncertainty , comparison for designing t he new calibration system is discussed. Key words Electronic instrument transducers calibration error 摘 要 电子式互感器校准的对象是小电压信号和数字序 列 ,其数据处理 、传递时间产生延时 。电子式互感器相位误 差与额定频率有关且等于相位差减去由于额定相位差和额 定延时所引起的偏移量 。电子式互感器的校准需用标准电 磁式互感器作为标准器 ,通过感应分压器 、标准电阻或标准 A/ D 转换器变换标准信号后与被测信号比较 。建立电子式 互感器校准系统需要进行标准器溯源 、不确定度分析 、比对 等工作 。 关键词 电子式互感器 校准 误差 中图分类号 TM45 文献标识码 A
目前 ,国内外电子式互感器的研制已向实用化 阶段发展 , IEC 已制定相关标准[1 ,2 ] 。国内许多电 子式互感器研制单位需要开发新的校验仪检验其产 品 。为了使新产品顺利进入电力市场 ,确保电力系 统可靠运行 ,国家高压计量站也需要建立电子式互 感器校准系统 ,编制相应规范以统一校验标准和方 法 。本文介绍电子式互感器校准的技术要求及校准 方法 。
比较了传统电磁式互感器和电子式互感器的误 差定义并提出电子式互感器的校准方法后的工作是 建立电子式互感器校准系统 。这工作较为复杂 ,除 了以上论及的技术方法外 ,尚需解决 :
①标准器具 (包括标准互感器和标准 A/ D4 转 换器) 必需具有可溯性 ,能上溯到更高准确级的标准 器并且保证长期稳定性 。