直流偏磁条件下电流互感器的传变特性

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互感器TA及其传变特性

Rogowski互感器传递特性 Rogowski互感器传递特性
B
空心线圈
电流
选择合适的等效电路参数，仿真结果如上图，在很宽的频带范围内，幅值和相角都可以无误差的传递。
Rogowski互感器传递特性 Rogowski互感器传递特性
B
Nµ 0 SRa di MRa di u0 (t ) = =L( Ra + Rs ) dt Ra + Rs dt
i2 (t ) = C c
dU 0 (t ) U 0 (t ) + dt Rsh i p (t ) = i2 (t ) + im (t )
dim (t ) U m (t ) = Lm dt U m (t ) = i2 (t ) Rt + U 0 (t )
LPCT互感器传递特性分析 LPCT互感器传递特性分析
H (s) =
U 0 ( s) − Ms = i p ( s ) LC s 2 + ( L + R C ) s + ( Rs + 1) c s c Ra Ra
H ( s) =
− Ms U 0 (s) = i p ( s ) LC s 2 + ( L + R C ) s + ( Rs + 1) c s c Ra Ra
Lm 故障切除时二次电流按τ 2 = R 指数衰减 2
LPCT互感器传递特性分析 LPCT互感器传递特性分析
ip
i2
Rt
LPCT互感器稳态特性和常规电磁式电流 LPCT互感器稳态特性和常规电磁式电流互感器相同，有相同的等效电路。
R Fe
Lm
im
R sh
Cc
U0

直流偏磁与剩磁对测量用电流互感器影响的实验与分析

直流偏磁与剩磁对测量用电流互感器影响的实验与分析申路;赵书涛;张佩;田晓倩【摘要】DC bias and remnant fIux wiII change the measuring current transfOrmer wOrking pOint in the cOre magnetizatiOn curve and have a direct impact On the accuracy Of eIectric energy measurement. An errOr measurement methOd based On the aIgOrithm fOr three-parameter Ieast squares fit tO sine wave is put fOrward and the infIuence Of DC bias and remnant fIux On errOr characteristics Of current transfOrmer is aIsO investigated thrOugh experiments. The experimentaI data shOws that DC bias and remnant fIux wiII increase the ratiO errOr and phase dispIacement in OppOsite directiOns and the ratiO and phase dispIacement wiII be far mOre than the Iimit vaIue when they are exist in same directiOn at the same time . This wiII seriOusIy affect the transmissiOn accuracy Of current transfOrmer.%直流偏磁与剩磁的存在会改变测量用电流互感器在铁心磁化曲线上的工作点，直接影响电能计量与测量的准确性。

电力变压器的直流偏磁特性分析

电力变压器的直流偏磁特性分析摘要：直流输电和地磁风暴在大地中产生的直流电流，经直接接地的变压器中性点流入绕组中，使变压器工作状态发生偏移，励磁电流发生畸变是产生直流偏磁的机理，在直流偏磁影响下，变压器噪声增大、振动加剧、局部过热，导致变压器绝缘降低，电力系统电压降低，甚至造成继电保护误动作；针对直流偏磁产生机理，使用在变压器中性点串联电容、电阻，削弱流入变压器的直流电流，可有效抑制直流偏磁。

关键词：变压器；直流偏磁；机理；影响；抑制措施0 引言目前，中国110kV及以上电力系统，广泛采用中性点直接接地运行方式，对于中性点直接接地系统，经过变压器中性点流入绕组中的直流电流导致变压器磁通曲线发生偏移，从而产生直流偏磁现象；直流偏磁现象使变压器的金属构件的涡流增大，损耗增加，运行噪声增大，甚至降低电力系统电压，影响电网安全稳定运行。

1 变压器直流偏磁产生的原因变压器直流偏磁主要是由于直流电流经过直接接地的变压器中性点流入绕组中，使变压器工作于非正常运行状态。

而大地中直流电流存在的原因有以下两种：（1）随着国家经济快速发展，电力需求不断增加，大容量、长距离直流输电工程得到广泛应用，目前直流输电系统常采用双极两端中性点接地运行方式，当双极电压、电流不相等时，即不对称运行方式时，大地中就存在直流电流，该直流电流为两级电流的差值；当直流输电系统采用单极大地回线运行方式时，大地构成直流输电回路的一部分，在大地中就会存在直流电流。

（2）地球内部存在的天然磁场—地磁场与太阳等离子风的动态变化相互作用产生的地磁风暴，使地磁场发生变化，这种变化在地球表面产生了电位梯度，在地面电导率较小的地区发生严重的地磁风暴时，在地表的电位梯度将在中性点直接接地的变压器绕组中诱发频率为0.001～1Hz之间的地磁感应电流，与电力系统中50Hz的交流电流相比，地磁感应电流可近似为直流电流，其值可以达到100A以上。

2 直流偏磁现象产生机理变压器铁芯由一种典型的铁磁材料硅钢片叠加而成，具有磁滞特性，而变压器正常运行时，工作在磁化曲线的非饱和区即OA段，变压器的磁通曲线、φ-I曲线和励磁电流曲线如图1中实线所示，当有直流电流流入变压器绕组时，直流电流和绕组中的交流电流叠加之后产生的总磁通使变压器工作状态发生了偏移，甚至进入了饱和区，使励磁电流增大并且发生畸变，如图1中虚线所示。

抗直流偏磁电流互感器在低压系统中的研究与应用

抗直流偏磁电流互感器在低压系统中的研究与应用赵玉富,张㊀龙,田闽哲,徐二强,罗辉勇(国网河南省电力公司电力科学研究院,河南㊀郑州㊀450052)作者简介:赵玉富(1976-),男,高级工程师,长期从事电能计量技术现场工作和电磁测量方面的研究工作㊂摘㊀要:在直流偏磁的影响下,电流互感器铁芯趋于饱和,其误差往负方向偏移,导致电能计量装置少计电量,有悖于电量交易的公正㊁公平㊂本文论述了直流偏磁对电流互感器产生影响的原理和相关试验验证,详细阐述了抗直流偏磁电流互感器的原理和相关试验验证,并应用于低压系统现场,取得了良好的效果㊂关键词:直流偏磁;电流互感器;低压系统;研究;应用中图分类号:TM452㊀㊀㊀㊀文献标识码:B㊀㊀㊀㊀文章编号:411441(2019)01-0038-040㊀前言按照国网公司营销计量[2017]9号任务单要求,国网河南电科院配合国网计量中心开展抗直流偏磁电流互感器在低压系统中的研究与应用㊂直流偏磁存在于整个电力系统中,主要由以下几个方面原因产生:(1)地磁感应电流㊂地磁风暴产生时,地磁场的变化在地球表面诱发电位梯度,在变压器绕组中产生低频感应电流,一般近似认为是直流电流;(2)高压直流输电中的大地回流㊂高压直流输电采用单极大地回路方式时,导致大地中回流的直流电流经接地中性点流入变压器绕组,进入交流系统;(3)线路故障时的直流分量;(4)不对称负载产生的直流分量,如相控整流器㊁单波整流器㊁线路换向逆变器㊁变频设备等都能产生直流分量㊂直流偏磁是指在变压器或电流互感器的励磁电流中出现了直流分量,导致铁芯半周磁饱和以及由此引起的一系列电磁效应[1]㊂在出现直流偏磁情况时,主磁通中存在直流分量,交变磁通与直流磁通叠加,两种磁通方向一致的半个周期磁通增强,两种磁通方向相反的半个周期磁通减弱,导致励磁电流正负半周期不对称,加快铁芯饱和,铁芯饱和影响电流互感器传变特性,从而影响电流互感器的计量误差㊂所以在第(4)种直流分量中存在着人为因素,达到低压电能计量装置少计电能量的目的[2]㊂1㊀直流偏磁对电流互感器计量误差的影响1.1㊀理论分析及仿真电流互感器T 型等效电路[3]如图1所示㊂图1㊀电流互感器T 型等效电路其一次和二次感应电动势相等㊂相应的磁滞回线如图2所示,图中H m 和B m 分别为磁场强度H 和磁感应强度B 的最大值㊂当电流互感器有直流经过时互感器铁芯产生直流磁通Φdc ,在直流磁通Φdc 的作用下磁通Φ曲线发生了偏移,使电流互感器的工作点由线性区进入到饱和区,激磁电流i 增大而且发生了畸变,如图3所示㊂图2㊀B -H 曲线DOI:10.19755/ki.hnep.2019.s1.010图3㊀电流互感器直流偏磁产生的原理图由于铁芯磁阻的存在,电流互感器在转变电流的过程中,必须消耗一小部分电流用于激磁,使铁芯磁化,从而在二次线圈产生感应电势和二次电流,电流互感器的误差就是由铁芯消耗的励磁电流引起的㊂文献[3]推导出的电流互感器误差公式为:ε=(Z 2ᶄ+Z b ᶄ)L 2πfμSN 22(1)当存在直流偏磁电流时,产生的磁通导致铁芯磁导率下降,激磁电流增大,电流互感器的误差增大,不管偏磁方向如何,都会使电流互感器误差曲线往负方向偏移㊂文献[4-5]用软件仿真的方法证明了这一点,但直流含量达到多少才会使电流互感器的误差有明显的改变,这需要试验进一步验证㊂1.2㊀试验验证采用传统比较法测试直流含量达到多大时才能对电流互感器误差产生明显的影响,试验线路图如图4所示,直流分量作为影响量加入被测电流互感器㊂图4㊀直流对电流互感器误差影响的测试原理图图中CT X 是被试电流互感器0.2S 级,CT 0就是同变比的标准电流互感器,为防止直流分量流入标准电流互感器回路加装了阻断电容器C,也可以采用零磁通标准电流互感器(如双级标准电流互感器㊁霍尔标准电流互感器等),这样就不用加装阻断电容防止直流分量流入标准电流互感器回路㊂试验回路工频交流为100A,改变被试电流互感器回路直流分量测试其误差数据如表1所示㊂表1㊀在不同直流含量下电流互感器的误差DC(A)012345f(%)0.1040.1140.1370.1490.085-0.075δ( ) 1.615.152.797.0140.2187.3DC(A)/678910f(%)/-0.298-0.633-1.023-1.480-1.988δ( )/230.9278.0321.9366.3409.5图5可以看出电流互感器在直流分量的影响下㊀㊀㊀直流分量(A)直流分量(A)图5㊀电流互感器在不同直流含量下的误差曲线图其误差发生变化(虚线为国家检定规程规定的合格范围),随着直流分量的增大比值差往负方向移,幅度越来越大直至铁芯饱和㊂2㊀抗直流偏磁电流互感器2.1㊀理论分析在直流偏磁产生的原因中第(3)条就是线路故障产生的直流,线路故障时线路保护装置能及时准确地动作切断故障点的重要前提就是保护装置能够准确及时地收到满足其动作的各个信号,其中最重要的就是故障电流信号,这就需要保护用电流互感器绕组能及时准确地把一次故障电流信号传到二次,抗直流偏磁电流互感器就可以采用电流互感器保护绕组铁芯的方式,但电流互感器保护绕组在正常工频电流下准确度等级不高,满足不了电能计量装置的要求㊂因此可以考虑将普通电流互感器和保护用电流互感器组成双铁芯互感器,既能满足正常情况下电能计量装置误差的要求,又能满足在直流偏磁影响下准确可靠的计量㊂图6是开气隙的电流互感器示意图,铁芯磁路长度为l,初级线圈匝数为N,铁芯气隙宽度为l g(l g≪l),一次电流为I㊂气隙的宽度非常小,磁通和气隙的界面垂直,并通过气隙保持连续[6],铁芯内部磁感应强度与界面是正交的㊂则下式成立:B=μ0Hair =μ0μγH(2)式中,B为磁感应强度,H air为气隙中的磁场强度,H 为铁芯磁场强度,μ0为真空磁导率,μγ为铁芯磁导率㊂由安培环路定律可得:NI=Hair lg+Hl=Hμrlg+l()(3)图6㊀带气隙电流互感器示意图从式(3)可以看出,在同样大小的一次电流情况下,铁芯开气隙电流互感器要比铁芯无气隙的磁场强度下降,即磁导率减小,抗磁饱和能力增强,磁导率下降也就意味着测量不够准确,因此要将普通电流互感器铁芯与开气隙铁芯组合起来形成双铁芯电流互感器,正常交流工作条件下普通铁芯工作,有直流偏磁时气隙铁芯工作,这样可以保证电流互感器在直流偏磁下的误差㊂气隙的大小不同磁导率下降多少也不同,需要专业计算和仿真分析㊂2.2㊀试验验证采用图4的试验线路,将图中的普通电流互感器换成抗直流偏磁电流互感器,抗直流偏磁电流互感器准确度等级2级,变比为500/5(A),二次额定负荷5VA㊂工频交流为100A,改变直流分量大小,试验方法同上,得到的试验数据如表2所示㊂表2㊀在不同直流含量下抗直流偏磁电流互感器的误差DC(A)012345f(%)0.1110.1050.0750.0440.018-0.001δ( ) 1.722.537.048.258.656.9DC(A)67891015f(%)-0.015-0.026-0.034-0.039-0.044-0.056δ( )73.479.583.489.794.6115.9DC(A)20304050//f(%)-0.063-0.079-0.104-0.146//δ( )134.2166.5195.5222.9//从表2中可以看出在正常交流工作状态下,抗直流偏磁电流互感器能满足0.2S级电流互感器的误差数据要求;在直流偏磁的作用下,该电流互感器的误差数据基本能满足准确等级2级的要求㊂3㊀应用只有经过现场长时间试运行,抗直流偏磁电流互感器才能真正投入到实际应用㊂首先寻找有直流分量的用户作为试运行点,含有直流分量的用户都有人为的因素在里面,因此具有很大的隐蔽性,靠技术人员现场测试很难发现㊂在河南电网比较典型的三个地市济源㊁安阳和许昌,从负荷性质分析现场大量测试仅发现一家含有直流分量的用户,而且直流分量比较小(仅1%),但谐波含量比较大(达到12%),为了验证抗直流偏磁电流互感器的可靠性,在该用户处加装一套抗直流偏磁电流互感器电能计量装置与原电能计量装置进行比对,如图7所示㊂图7㊀加装抗直流偏磁电流互感器现场图从2017年7月至12月份提取的电能量数据如表3所示㊂表3㊀现场测试数据原计量装置(kWh)新计量装置(kWh)电量差(%)平均电流(A)月份36373626-0.30%45.57月41504138-0.29%51.98月38913873-0.46%48.69月34923477-0.43%43.710月32183203-0.47%40.211月46764656-0.43%58.512月表3可以看出,抗直流偏磁电流互感器和普通电流互感器在正常交流工作状态下基本一样,从另一方面证明了抗直流偏磁电流互感器与普通电流互感器一样能正常工作,两套计量装置计量电量基本相同㊂国网湖南湘潭公司发现某低压专变用户投产之后线路损耗增大很多,现场检查电能计量装置接线无问题,把电能表和电流互感器拆回到实验室检测都满足国家检定规程要求,在该用户正常生产时现场测试用户电能质量发现谐波含量很大,有很大的直流分量,加装抗直流偏磁电流互感器进行对比,截取几天的数据如表4所示㊂表4㊀现场测试数时间台区供电量(kWh)台区售电量(kWh)台区线损率(%)原计量装置新计量装置原计量装置新计量装置3月5日1267.2935.51232.926.2 2.73月6日1222.4952.91208.122.1 1.23月7日1772.81501.21714.415.3 3.33月8日1734.41416.11705.518.4 1.73月9日1702.41404.81660.417.52.5从表4中可以看出,抗直流偏磁电流互感器能正常计量该用户的用电量㊂从公开㊁公正㊁公平电能计量专业角度出发,抗直流偏磁电流互感器将在台区高线损率㊁电加热㊁整流变频等三类用户中有广阔的应用市场㊂参考文献[1]李长云,李庆民,李贞等.直流偏磁下电流互感器的传变特性[J].中国电机工程学报,2010(19)ʒ127-132.[2]靳绍平,李敏,刘见等.低压抗直流互感器及检测装置研究[J].电测与仪表.2016(13)ʒ59-63.[3]赵玉富,朱保华.TA 误差分析[J].河南电力.2007(2)ʒ27-29.[4]田晓倩.直流偏磁对电流互感器及电能计量的影响研究[D].保定:华北电力大学,2014.[5]申路,裴东峰,未超,等.直流偏磁对测量用CT 影响及补偿方法的研究[J].电工电气.2017(3)ʒ23-27.[6]肇巍.电流互感器电磁场数值分析与屏蔽设计[D].沈阳:沈阳工业大学,2008.收稿日期:2018-07-16。

直流偏磁对变压器影响研究和综述

直流偏磁对变压器影响研究和综述摘要：现阶段，随着我国经济的快速发展，电力企业发展的也十分迅速。

而在电力企业中直流偏磁对变压器影响受到重视。

变压器在发生突发性事故之前,绝缘的劣化及潜伏性故障在运行电压下将产生光、电、声、热、化学变化等一系列效应及信息。

对于大型电力变压器,目前几乎是用油来绝缘和散热,变压器油与油中的固体有机绝缘材料在运行电压下因电、热、氧化和局部电弧等多种因素作用会逐渐变质,裂解成低分子气体;变压器内部存在的潜伏性过热或放电故障又会加快产气的速率。

随着故障的缓慢发展,裂解出来的气体形成泡在油中经过对流、扩散作用,就会不断地溶解在油中。

同一类性质的故障,其产生的气体的组分和含量在一定程度上反映出变压器绝缘老化或故障的程度,可以作为反映电气设备异常的特征量。

关键词：直流偏磁；变压器影响研究；综述引言直流偏磁是变压器的一种非正常工作状态,是指在变压器励磁电流中出现了直流分量,直流偏磁的产生有多种原因,太阳磁暴也是其中的一种,直流偏磁将导致变压器温度升高、噪声增加和振动等问题,在变压器运行中必须引起注意。

1变压器直流偏磁产生机理及其影响1.1变压器直流偏磁产生机理直流偏磁下，变压器绕组中产生直流电流分量，铁心中包含直流磁通和磁势，其作用原理可用图1说明。

图1(a)实线表示无直流偏磁情况下的磁通曲线，虚线表示直流偏磁情况下的磁通曲线；图1(b)表示初始磁化曲线；图1(c)实线表示无直流偏磁情况下绕组中励磁电流波形，虚线表示直流偏磁情况下绕组中励磁电流波形。

为减小体积并节约铁磁材料，使正常工作状态下的变压器利用率达到最大，变压器稳定运行点一般处于线性区和饱和区临界点附近。

当变压器绕组中流过直流电流时，铁心中直流磁通和交流磁通叠加，总磁通曲线波形不变，但整体上移，使得与直流磁通方向相同的半周波，磁感应强度增大；方向相反的半周波，磁感应强度减小，对应的励磁电流产生畸变，谐波分量增多，此时变压器工作在半波饱和状态。

大地直流偏磁状态下电力变压器性能分析

大地直流偏磁状态下电力变压器性能分析大地直流偏磁状态下电力变压器是指在变压器的中性点与地之间加入一个直流偏磁电流的状态。

这种状态可能是由于外部故障或者系统设计的需要引起的。

与传统的正常运行状态相比，大地直流偏磁状态对电力变压器的性能产生了一些影响，因此需要进行性能分析。

大地直流偏磁状态下会产生额外的磁通分量。

这个额外的磁通分量会引起变压器的励磁电流增大，从而导致铁损耗增大。

这个额外的磁通分量也会引起变压器的漏感应电压增大，从而导致铜损耗增大。

大地直流偏磁状态下会导致变压器的总损耗增加。

大地直流偏磁状态下会引起变压器的短路阻抗增大。

由于额外的磁通分量导致主磁通的大小发生了变化，进而导致绕组内的电流分布发生变化，使得绕组内电流难以均匀分布，从而导致绕组电流的密度增大，进而引起绕组电阻上升，最终导致变压器的短路阻抗增大。

这对保护设备的选择和设置都会产生影响。

大地直流偏磁状态下还会引起变压器的温度升高。

由于额外的磁通分量导致变压器的总损耗增加，进而导致变压器内部的热量增加。

这个额外的热量无法通过变压器内部的冷却系统有效散出，从而导致变压器的温度升高。

长时间处于高温状态下会加速变压器的老化，降低其寿命。

为了充分分析大地直流偏磁状态下电力变压器的性能，需要对变压器进行合理的建模和仿真。

在建模时，需要考虑变压器的核心饱和特性，绕组的磁阻特性以及铜损耗和铁损耗的分布情况等。

通过仿真可以得到变压器在不同偏磁电流下的电压、电流、损耗以及温度等参数，进而分析偏磁状态下的性能。

在分析过程中，还需要考虑到变压器的工作环境和使用条件，比如环境温度、负载大小等因素的影响。

大地直流偏磁状态下电力变压器的性能分析是一个复杂而重要的问题。

通过合理的建模和仿真，可以对偏磁状态下变压器的性能进行全面的分析和评估，为电力系统的设计和运行提供参考依据。

电力变压器直流偏磁现象综述

电力变压器直流偏磁现象综述作者：王善磊赵玉瑶彭嘉杰王嘉禾江春鑫来源：《科学与财富》2017年第33期摘要：随着特高压直流输电工程的实施，由直流极单极大地回线运行引起的直流偏磁现象对电网安全运行造成了严重威胁。

本文首先从两个方面对变压器直流偏磁成因进行了机理分析，并结合直流偏磁下变压器的励磁特性总结出直流偏磁对电力变压器的的危害，最后，综合评价了三种主流的抑制直流偏磁的措施。

关键词：变压器；直流偏磁；形成机理；危害；直流输电1、引言：直流偏磁现象属于变压器的一种不正常工作状态，即在变压器励磁电流中出现了直流分量，且同时发生半波饱和[1]，直流偏磁会使得励磁电流的谐波分量增加，而且出现大量偶次谐波。

这将导致变压器温升增加，噪声加剧，同时使得绕组电磁力增大，振动明显。

此外，直流偏磁对继保设备、电容器组、电流互感器等设备的正常运行也有不同程度的影响[2]。

高压直流输电是导致直流偏磁产生的主要原因。

因为其具有输送容量大、损便于异步联网、损耗耗小、输送距离长等优点近年来被广泛使用。

文献[3]指出由于苏州500kV木渎变电站距离±800kV同里换流站接地极较近，在实际生产生活中发现其受直流偏磁影响严重。

另外，直流输电在运行点调试或突发故障情况下亦有可能有大量直流电流通过接地极流入大地，从而导致交流电网内变压器直流分量增加，给电网安全稳定运行带来危害[4]。

国内外近年来对电力变压器直流偏磁现象的研究也取得了实质性的进展。

文献[5]指出同纯正弦交流励磁时的磁滞回线相比，直流偏磁条件下铁心磁滞回线发生了明显变化。

并说明在铁磁材料磁化特性的众多模型中，Jiles-Atherton（J-A）模型比较符合磁滞现象的物理本质，且模型参数较少、实现方便。

在此基础上，文献[6]利用J-A模型，成功建立了直流偏磁时的变压器模型，并且设计出计及涡流损耗和异常损耗的铁心动态磁滞损耗模型。

2、直流偏磁形成机理分析2.1从变压器运行工作点及励磁特性分析如图1为变压器直流偏磁下的工作点分析，可以看到，当正常运行时，变压器工作于磁化曲线OA段。

大地直流偏磁状态下电力变压器性能分析

大地直流偏磁状态下电力变压器性能分析
大地直流偏磁状态下的电力变压器是指在电力系统运行过程中，由于各种原因导致变
压器的绕组磁场发生偏磁而使得变压器的性能受到影响的一种状态。

在大地直流偏磁状态下，变压器绕组中产生了一个直流偏磁磁场，这个磁场的存在会
带来一系列的问题。

直流偏磁磁场会使得变压器铁心磁导率发生变化，从而导致铁心中的
磁通密度不均匀分布，进而引起铁心的磁化损耗和铁心饱和。

直流偏磁磁场还会引起变压
器的漏磁磁通的变化，从而导致漏磁损耗的增加和变压器绕组的温升。

直流偏磁磁场还会
对变压器的电气特性产生影响，如变压器的短路阻抗和零序电流等。

为了准确的分析大地直流偏磁状态下电力变压器的性能，首先需要建立一个包含直流
磁场的变压器数学模型。

这个模型需要考虑到变压器的结构特点以及直流偏磁磁场的影响，包括绕组的电阻、电感、互感等参数。

然后，可以利用这个模型对大地直流偏磁状态下的
变压器进行仿真分析。

在进行仿真分析时，可以通过改变直流偏磁磁场的大小和方向来研究其对变压器性能
的影响。

可以考虑以下几个方面：
1. 铁心饱和：通过增加直流偏磁磁场的大小来研究其对变压器铁心磁化损耗的影响。

可以得到铁心磁化损耗与直流偏磁场大小之间的关系曲线。

通过以上分析可以得出在大地直流偏磁状态下变压器的性能变化情况，进而可以采取
相应的措施来改善变压器的性能。

可以采取铁心堵塞、改进变压器结构、增设补偿设备等
措施来减小直流偏磁磁场对变压器的影响。

直流分量和谐波分量对电流互感器传输特性影响

第27卷㊀第5期2023年5月㊀电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Electri c ㊀Machines ㊀and ㊀Control㊀Vol.27No.5May 2023㊀㊀㊀㊀㊀㊀直流分量和谐波分量对电流互感器传输特性影响王亮1,㊀曾伟杰2,㊀田娟3,㊀戴莲丹3,㊀刘型志3,㊀崔晨辉1(1.西安交通大学电气工程学院,陕西西安710049;2.国网湖南省电力有限公司供电服务中心(计量中心),湖南长沙410004;3.国网重庆市电力公司营销服务中心,重庆401123)摘㊀要:电流互感器二次侧电流能否真实反映一次侧电流会受到直流分量以及谐波分量的干扰,影响电能计量公平性以及继电保护装置能否准确动作㊂首先从理论上阐明了电流互感器的误差影响因素,然后通过仿真与实验分别探究了谐波分量和直流分量对电流互感器比值误差和相角误差影响的程度,为电流互感器在不同工况干扰下的误差提供了参考数据㊂仿真和实验结果一致表明,由于直流分量可能更多地转化成励磁电流,使得铁心励磁特性变差,从而对误差造成更大的影响,比值误差差影响最高在1%左右;而谐波分量产生的交变磁通可以通过铁心耦合到二次侧,所以谐波分量对误差的影响较小,比值误差影响不超过0.1%㊂关键词:电能计量;电流互感器;传输特性;J -A 磁滞模型;比值误差;相角误差DOI :10.15938/j.emc.2023.05.001中图分类号:TM452文献标志码:A文章编号:1007-449X(2023)05-0001-08㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2022-03-14基金项目:国家自然科学基金(52177009)作者简介:王㊀亮(1999 ),男,硕士研究生,研究方向为电磁测量与智能计量;曾伟杰(1996 ),女,助理工程师,研究方向为标准电能表量值溯源技术;田㊀娟(1986 ),女,硕士研究生,工程师,研究方向为电测量技术;戴莲丹(1982 ),女,工程师,研究方向为电力营销;刘型志(1989 ),男,硕士研究生,高级工程师,研究方向为电测量技术;崔晨辉(1979 ),男,硕士研究生,研究方向为信号处理㊂通信作者:王㊀亮Influence of DC component and harmonic component on transmission characteristics of current transformerWANG Liang 1,㊀ZENG Weijie 2,㊀TIAN Juan 3,㊀DAI Liandan 3,㊀LIU Xingzhi 3,㊀CUI Chenhui 1(1.School of Electrical Engineering,Xi an Jiaotong University,Xi an 710049,China;2.State Grid Hunan Electric Power Co.Marketing Service Center,Changsha 410004,China;3.State Grid Chongqing Electric Power Co.Marketing Service Center,Chongqing 401123,China)Abstract :Current transformers are currently widely used in electric energy measurement and relay protec-tion,but whether the secondary side current truly reflects the primary side current will be disturbed by the DC component and the harmonic component,thus affecting the fairness of electric energy measure-ment and the accurate action of the relay protection device.The error factors of current transformer were illustrated,then the influence of the current transformer ratio error and phase angle error was explored,and reference data for the error of the current transformer was provided under various operating condi-tions.The experiment and simulation results show that the DC component can be more converted into the excitation current,so that the error;the harmonic component can be coupled to the secondary side,sothe harmonic component affects the error.Keywords:electric energy measurement;current transformer;transmission characteristics;J-A hystere-sis model;ratio error,phase-angle error0㊀引㊀言随着现代电网的发展以及各种电力器件的普及,电能是否准确计量以及继电保护装置是否准确动作关乎着供电㊁输电以及用电三方的基本利益[1]㊂而电能计量以及继电保护装置动作的关键在于电流互感器二次侧电流能否真实准确地反映一次侧电流㊂但是在当今电网中,由于各种非线性器件的使用以及地磁暴的时常发生,给电网母线带来大量的谐波分量以及直流分量的干扰,使得电流互感器的传输特性变差,无法真实反映一次侧电流[2]㊂因此,在常见干扰工况下,探究电流互感器的传输特性变化就具有重大实际工程意义[3]㊂1989年3月13日,加拿大魁北克由于地磁暴的干扰,产生的直流分量使得继保装置误动作,导致了大面积的停电事故[4]㊂之后魁北克电力公司对直流分量带来的干扰进行了系统分析,为后来学者研究工作打下基础㊂严勤等人[5]建立的直流偏磁下电流互感器的误差解析模型发现,电流互感器的测量准确性对电网线路电流中的直流分量十分敏感㊂田晓倩等人[6]利用全波傅里叶分析提取基波分量算法也定量推导出传输特性与直流分量的关系,并利用Lucas模型验证结论的正确性㊂Esoinski 等人[7]的研究阐述当电流互感器置于外加磁场当中,会改变直流分量对传输误差的影响,具体改变程度取决于外加磁场的方向㊂对于谐波分量干扰的研究,目前主要研究方向集中于电流互感器的频率特性㊂Cataliotti等[8]首先提出了谐波比差和谐波角差的概念,可以单独描述谐波对电流互感器传输特性的影响,同时也为后来学者的研究做了建设性的贡献㊂Ehsan等[9]提出一种新的频率特性测量方法,就是在正弦基波上加一个谐波分量,文中最多加到7次谐波㊂另外文中还指出谐波比差和角差是会随着谐波相位的改变而改变㊂杨志强等[10]进一步表明了谐波比差角差还会受到铁心气隙长度以及一次侧电流导线和磁路相对位置的影响㊂本文首先通过理论分析电流互感器误差存在的原因以及影响因素,然后通过仿真分别探究直流分量和谐波分量对比差和角差的影响,并最后通过实验验证所得出规律的正确性㊂1㊀电流互感器误差及影响因素分析电流互感器将一次侧大电流转换成二次侧的小电流,其工作原理就是电磁感应定律:电流互感器的铁心由一次侧和二次侧绕组缠绕而成,二次侧的匝数多于一次侧的匝数,当电流互感器的一次侧的绕组接入大电流后,会在其铁心中形成交变的磁场㊂铁心中的交变磁场会感应出对应的电动势,通过负载形成二次侧电流用于电流计量或者线路保护㊂电流互感器的结构图[11]如图1所示㊂图1㊀电流互感器结构图Fig.1㊀Structure diagram of current transformer在电流互感器当中,一次侧电流和二次侧电流是通过铁心中磁通耦合联系在一起,所以一次侧回路和二次侧回路是分开的㊂为了方便研究将二次侧回路参数折算到一次侧回路,即为电流互感器的等值电路,通过等值电路可以直观看出一次侧和二次侧之间的联系㊂首先是通过匝数比K N将二次侧回路上对应的电路参数折算到一次侧,折算公式为:㊀㊀㊀E㊃ᶄ2=K N E㊃2=N1N2E㊃2;(1)㊀㊀㊀I㊃ᶄ2=1KNI㊃2=N2N1I㊃2;(2)㊀㊀㊀Zᶄ2=K2N Z2=N1N2()2Z2㊂(3)式中:N1为一次侧绕组匝数;N2为二次侧绕组匝数; E㊃ᶄ2为二次侧折算后的电动势;I㊃ᶄ2为二次侧折算后的电流;Zᶄ2为二次侧折算后的阻抗㊂因此可以画出电流互感器的等值电路图以及相量图[12-13],如图2和图3所示㊂2电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀图2㊀电流互感器的等值电路图Fig.2㊀Equivalent circuit diagram of currenttransformer图3㊀电流互感器相量图Fig.3㊀Current transformer phase diagram由图3可以直观地看出,一次侧电流I ㊃1与折算到一次侧的电流-I ㊃2ᶄ并不完全重合,即数值上和相角上都存在着偏差㊂然后I ㊃1与I ㊃2ᶄ之差和I ㊃1的数值比即定义为比值误差,简称比差;I ㊃1与-I ㊃2ᶄ的角度之差定义为相角误差,简称角差㊂比差与角差存在的根本原因就是励磁电流I ㊃0导致的,在正常工作中,励磁电流很小,因此比差和角差也很小,都在允许范围内;但是当电流互感器运行出了故障,励磁电流急剧增大,也就导致了比差和角差增大[14]㊂通过电磁感应原理可以得出磁密与二次侧电动势之间的关系为B ㊃m=E ㊃24.44fN 2S㊂(4)电流互感器在正常运行过程中,由上文分析可得,一定会存在励磁电流,然而励磁电流就会导致电流互感器产生比差和角差㊂因此稳定运行中,稳态误差无法消除㊂比差角差测试是反应电流互感器精确度进行的测量[15]㊂除了比值误差和相角误差,常使用复合误差[16-17]来描述稳态误差,为ε=1I rms 1TʏT0(1K NI 2-I 1)2d t ㊂(5)式中:T 为一次侧电流周期;I rms 为一次侧电流的方均根值㊂磁场强度H ㊃超前于磁感应强度B ㊃,超前角度为损耗角,并可求出磁导率为μ=B ㊃m2H㊃㊂(6)由于损耗角是变量,一般是先根据电流互感器的磁性能做出B -H 的坐标图,再进一步求出H ㊃的数值㊂根据安培环路定律可得I ㊃0N 1=H ㊃l ㊂(7)式中l 为铁心的平均磁路长度㊂又知复数误差定义为ε=1K N I ㊃2-I ㊃1I㊃1㊂(8)将式(4)㊁式(6)和式(7)代入式(8),并结合图2可得ε=-11+2πfN 1N 2K N SB ㊃mH ㊃l (Z ᶄ2+Z ᶄr )㊂(9)由式(9)可知,在实际使用中可以通过改善多个参数来减小互感器误差,但同时是否可行以及是否有经济效益也要考虑到,特别是微型电流互感器㊂在没有畸变电流补偿的情况下,比值误差为负数,因为一次侧产生的磁通一部分用于铁心励磁,使得二次侧电流要比理论值更小㊂2㊀直流和谐波分量干扰下的仿真分析PSCAD /EMTDC 是一款现在被普遍用于电磁仿真的软件,其中EMTDC 是其仿真计算核心,该软件可以通过时域分析的方法计算各种微分方程,计算结果准确,和现实工况比较接近㊂最后用户可以将PSCAD /EMTDC 与MATLAB 相对接,将EMTDC 中建立的模型所生成的数据导出,并在MATLAB 中进行更深一步更精确的数据分析㊂互感器是铁磁元件,对互感器的建模要考虑铁心的励磁特性才能满足互感器的传变特性㊂铁磁材料的磁化与磁滞理论相应的数学模型是研究的重点㊂PSCAD 中J -A 模型对于铁心中内部微观原理的解释更加接近于真实的铁磁材料㊂其对于磁化过程的解释,与磁滞现象背后的物理本质极为相似,最重要的是J -A 模型中所涉及到的物理量相比其他模型较少,模型结构较为简化,计算速度快,所以J -A 模型在对电磁式电流互感器的建模上已经得到了广泛的认可[18-19]㊂仿真采用的是J -A 磁滞模型,参数如表1所示㊂3第5期王㊀亮等:直流分量和谐波分量对电流互感器传输特性影响表1㊀电流互感器额定参数Table1㊀Current transformer rating parameters㊀㊀㊀参数数值匝数比5/50一次侧额定电流/A50铁心横截面积/cm226.01二次侧负载/Ω0.5铁心磁路长度/cm63.772.1㊀直流分量下传输特性的仿真分析分别选择一次电流有效值占额定电流有效值的5%㊁20%㊁50%㊁100%和120%以及直流分量占一次电流有效值的0㊁2%㊁5%㊁8%㊁10%和20%(即直流系数K dc分别为0㊁0.02㊁0.05㊁0.08㊁0.1和0.2)的条件进行仿真,仍然采用比差㊁角差仿真模块,其仿真结果如表2和表3所示㊂表2㊀直流分量下电流互感器比差仿真结果Table2㊀Simulation results of ratio error under DCcomponent%一次侧电流K dc00.020.050.080.10.25%I n-0.110-0.127-0.147-0.173-0.198-0.723 20%I n-0.095-0.178-0.350-0.551-0.697-2.558 50%I n-0.081-0.337-0.757-1.161-1.410-3.445 100%I n-0.070-0.515-1.046-1.457-1.694-4.217 120%I n-0.068-0.556-1.082-1.501-1.747-4.596表3㊀直流分量下电流互感器角差仿真结果Table3㊀Simulation results of phase error under DCcomponent(ᶄ)一次侧电流K dc00.020.050.080.10.25%I n 5.75 6.838.9411.1013.2139.96 20%I n 5.6710.0217.2224.2528.7468.41 50%I n 5.0113.3822.9730.5035.0193.25 100%I n 4.6114.2524.6836.5745.70187.32 120%I n 4.5814.2226.4142.0653.93222.36通过分析表2和表3可知,不论一次侧实际电流占一次侧额定电流的百分比为多少,随着逐渐提高直流分量所占的比例,电流互感器的比差和角差都会逐渐增大㊂由于直流分量导致铁心励磁电流增加进而使得稳态误差增大㊂供电线路中存在的直流分量会使铁心工作点发生偏移,对测量结果影响较大[20]㊂当直流系数K dc不变时,增大一次侧实际电流占比相当于增大式(5)和式(8)的分母,通过仿真结果观察到误差减小,符合原理的预期㊂另外由于比差总为负值,根据比差的计算公式可以得出二次侧电流折算到一次侧后,其值总是小于一次侧电流,这也进一步证明了一次侧电流有一部分用于产生励磁电流㊂图4㊀直流分量下比差仿真结果图Fig.4㊀Simulation results of the ratio error underthe DCcomponent图5㊀直流分量下角差仿真结果图Fig.5㊀Simulation result of the angle difference under the DC component2.2㊀谐波分量下传输特性的仿真分析根据上文对电流互感器比差和角差的定义,谐波工况下的谐波比差定义为e h=K N I2h-I1hI1hˑ100%㊂(10)式中:I1h为一次侧电流中第h次谐波;I2h为二次侧电流中第h次谐波;K N为电流互感器匝数比㊂仿真电路实验中,将一次侧电流分成基波电流以及不同的谐波电流进行研究,其中分别改变谐波有效值占基波有效值的比例㊁谐波的次数㊁谐波的初始相角等来多次探究不同工况下比差与角差的变化㊂4电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀2.2.1㊀谐波含量对误差影响的仿真本次实验探究当某一固定次数谐波的有效值占一次侧基波电流有效值不同比例时,对电流互感器的基波比差㊁基波角差㊁谐波比差和谐波角差的影响㊂分别设谐波有效值占一次侧基波电流有效值的0㊁2.5%㊁5%㊁10%㊁20%㊁30%㊁40%和50%,谐波的初始相角与基波的初始相角相同,均为0ʎ,谐波频率为150Hz,仿真误差结果如表4所示㊂表4㊀注入三次谐波对误差的影响Table4㊀Effect of three harmonic on error谐波含量/%基波比差/%基波角差/(ᶄ)谐波比差/%谐波角差/(ᶄ) 0-0.023 5.10 2.5-0.024 4.88-0.1388.015-0.026 4.74-0.0857.9010-0.028 4.65-0.0597.8320-0.033 4.55-0.0467.7930-0.038 4.48-0.0417.7440-0.043 4.43-0.0397.7250-0.050 4.39-0.0377.70由表4可知,当谐波有效值所占比例发生变化时,对于基波的比差和角差几乎不发生变化㊂但是谐波比差会随着谐波含量的增加而减小,并且是非线性减小㊂2.2.2㊀谐波频率对误差影响的仿真将谐波有效值固定在一次侧额定有效值的30%,初始相位仍为0ʎ,与基波电流相同,探究谐波频率从100~500Hz变化时,对电流互感器基波误差与谐波误差的影响,仿真结果如表5所示㊂表5㊀不同次数谐波下电流互感器误差仿真结果Table5㊀Simulation results of current transformer error under different harmonics谐波频率/Hz基波比差/%基波角差/(ᶄ)谐波比差/%谐波角差/(ᶄ) 100-0.036 4.59-0.0407.70 150-0.038 4.48-0.0417.74 200-0.039 4.40-0.0437.80 250-0.041 4.33-0.0427.89 300-0.044 4.26-0.0438.00 350-0.049 4.21-0.0418.14 400-0.056 4.18-0.0428.30 450-0.064 4.15-0.0438.49㊀㊀由表5的数据可以看出,当谐波的次数在较大的范围变化时,其对电流互感器误差的影响只是在很小可以接受的范围内波动㊂因此可以推测出当电流互感器受到谐波干扰时,其传输特性几乎不会发生变化,仍然可以精确地传输一次侧电流信号㊂2.2.3㊀谐波相角对误差影响的仿真固定谐波有效值占基波有效值的30%,谐波次数为3次,将谐波初始相角从0ʎ增加至360ʎ,所得误差结果如表6所示㊂表6㊀不同谐波相角下电流互感器误差仿真结果Table6㊀Simulation results of current transformer error under different phase angles谐波相角/(ʎ)基波比差/%基波角差/(ᶄ)谐波比差/%谐波角差/(ᶄ) 0-0.038 4.48-0.0417.7430-0.036 4.45-0.0397.7060-0.033 4.40-0.0367.6790-0.031 4.35-0.0317.65 120-0.029 4.31-0.0267.64 150-0.027 4.27-0.0247.62 180-0.024 4.25-0.0257.60 210-0.027 4.27-0.0287.62 240-0.030 4.30-0.0327.63 270-0.032 4.35-0.0357.66 300-0.034 4.39-0.0387.68 330-0.037 4.43-0.0417.71 360-0.038 4.48-0.0427.74由表6可知,当谐波初始相角从0ʎ到360ʎ发生变化时,基波比差和谐波比差的变化规律相同,都是先减小后增大㊂这是由于当谐波相角不同时,叠加到基波上后,会使得合成电流的波形之间有着较大的差异,导致励磁电流不同,从而也会引起误差的变化,同时由于谐波初始相角为180ʎ时,叠加后的波形畸变程度最小,使得此时比值误差也最小㊂3㊀直流和谐波分量干扰下的实验分析为了对比验证上述直流分量和谐波分量干扰下电流互感器传输特性的正确性,本文使用NI PXIe 平台和Cinergia公司生产的程控电流源EL-15来进行一次侧回路的实验搭建,信号采集仪器使用的是HIOKI8861型号记录仪㊂硬件平台架构图如图6㊁图7所示㊂通过NI信号发生器产生模拟电压5第5期王㊀亮等:直流分量和谐波分量对电流互感器传输特性影响互感器供电,分别提供两个测量电阻代表一次回路与二次回路,通过对电阻上电流信号的检测来得到比差与角差的数据㊂图6㊀硬件平台架构图Fig.6㊀Hardware platform architecturediagram图7㊀硬件实验场景图Fig.7㊀Hardware experiment scene diagram3.1㊀直流分量下传输特性的实验分析根据上一节在PSCAD 中对电流互感器仿真模型的探究方法,同样在实验平台中依次改变电流互感器的一次侧实际电流所占额定电流的比例和直流系数,探究此时传输误差的变化规律,其实验数据如表7㊁表8所示㊂表7㊀直流分量下电流互感器比差实验结果Table 7㊀Experimental results of current transformer ratioerror under DC component%一次侧电流K dc0.020.040.060.080.15%I n-1.094-1.061-1.102-1.183-1.200-1.23520%I n -0.701-0.635-0.655-0.898-1.255-2.07250%I n -0.565-0.615-0.738-1.067-1.511-3.015100%I n -0.312-0.489-0.872-1.501-3.397-5.647表8㊀直流分量下电流互感器角差实验结果Table 8㊀Experimental results of current transformer phaseerror under DC component(ᶄ)一次侧电流K dc0.020.040.060.080.15%I n10.839.0110.4413.5033.5596.3020%I n 8.769.9411.3817.2948.71126.8150%I n 7.4012.0517.1332.2758.14180.99100%I n 5.5620.4436.4664.5180.07257.46120%I n 4.8025.1143.4571.82103.34300.78对比图8㊁图9与图4㊁图5对比可知,实验平台的数据结果与PSCAD 中的仿真结果对于比差和角差的变化趋势相同,也验证了仿真软件中所搭建的J -A 磁滞模型可以很好地仿真实际电流互感器的电磁特性㊂随着直流系数K dc 的增大,比差和角差也都在逐渐增大,同样在K dc 较大时,不论是比差还是角差都会由于已经逐渐饱和的铁心而突然增大,此时电流互感器已无法用于电能计量㊂图8㊀直流分量下比差实验结果图Fig.8㊀Results of the ratio difference experiment underthe DCcomponent图9㊀直流分量下角差实验结果图Fig.9㊀Results of the angle difference experiment under6电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀但是实验中的比差角差与仿真中的比差角差在数值上有较大的差异,这是由于PSCAD中的J-A 磁滞模型仅仅是基于电流互感器铁心内部微观励磁特性而搭建的模型㊂因此在宏观上只能反映电流互感器误差的变化趋势,在数值上会与实验中的误差数据不同㊂3.2㊀谐波分量下传输特性的实验分析由谐波分量下的仿真分析可知,谐波对基波误差以及谐波误差的影响较小,因此在实验部分只测量整体的误差㊂3.2.1㊀谐波含量对误差影响的实验设置谐波有效值大小分别为待测电流互感器一次侧额定电流有效值的0㊁2.5%㊁5%㊁10%㊁20%㊁30%㊁40%和50%,其比差和角差测量结果如表9所示㊂表9㊀不同谐波含量下比差和角差实验结果Table9㊀Experimental results of ratio error and angle error under different harmonic content谐波含量/%比差/%角差/(ᶄ)0-0.320 5.902.5-0.330 5.785-0.342 5.5010-0.356 5.2020-0.370 4.9830-0.391 4.6840-0.418 4.3050-0.452 3.85随着谐波含量的逐渐增大,电流互感器的比差和角差只会在一个很小的范围内变化,说明铁心对于谐波的传输特性较好,一般情况下谐波的干扰对其影响程度不深,不影响实际电力系统中电流互感器的正常工作㊂比差和角差变化趋势的实验结果与上节的仿真结果基本一致㊂3.2.2㊀谐波频率对误差影响的实验同样通过LabVIEW的控制模块控制谐波的有效值为电流互感器一次侧额定电流的30%,其频率分别从100Hz变化到500Hz,其比差和角差测量结果如表10所示㊂随着谐波频率的增加,电流互感器的比差和角差仍然在很小的范围内变化,进一步证明了当电流互感器受到谐波干扰时,由于谐波不会像直流分量那样使得励磁电流显著增大㊂表10㊀不同谐波频率下的比差和角差实验结果Table10㊀Experimental results of ratio error and angle error under different harmonic frequencies谐波频率/Hz比差/%角差/(ᶄ)100-0.376 4.75150-0.390 4.66200-0.412 4.50250-0.436 4.33300-0.461 4.14350-0.489 3.90400-0.520 3.65450-0.565 3.40500-0.611 3.113.2.3㊀谐波相角对误差影响的实验初始相角仍然从0ʎ增加至360ʎ,所得比差和角差的结果如表11所示㊂表11㊀不同谐波相角下比差和角差实验结果Table11㊀Experimental results of ratio error and angle error at different harmonic phase angle谐波相角/(ʎ)比差/%角差/(ᶄ)0-0.391 4.7030-0.379 4.5560-0.360 4.4090-0.347 4.28120-0.331 4.15150-0.315 4.02180-0.290 3.93210-0.299 4.01240-0.305 4.15270-0.331 4.27300-0.353 4.41330-0.372 4.56360-0.391 4.48整体误差也都是先减小后增大,与仿真结果的变化趋势相同,也是在180ʎ时,由于波形畸变程度最小,使得误差最小㊂同样因为J-A磁滞模型只能仿真微观励磁特性,实验的误差在数值大小上与仿真结果差异较大㊂7第5期王㊀亮等:直流分量和谐波分量对电流互感器传输特性影响4㊀结㊀论本文设计了直流分量和谐波分量对电流互感器传输特性影响的实验,在PSCAD中搭建J-A磁滞模型,通过改变直流系数㊁频率㊁角差进行仿真实验,发现直流分量由于无法通过铁心耦合到二次侧,会使传输误差显著增大,而谐波分量对误差影响较小㊂表明直流分量的影响大于谐波分量对电流互感器传输特性的影响㊂根据仿真的参数设置搭建了实验平台,模拟直流分量和谐波分量的干扰,通过对比验证了仿真的正确性㊂该方法可为电能计量系统在分析电流互感器的直流与谐波分量误差时提供参考㊂参考文献:[1]㊀杨金涛,乐健,汪妮,等.谐波背景下电能计量系统的计量误差分析[J].电力系统自动化,2015,39(13):144.YANG Jintao,LE Jian,WANG Ni,et al.Analysis of measure-ment error for electric energy meteringsystem under harmonic con-ditions[J].Automation of Electric Power Systems,2015,39(13):144.[2]㊀路光磊.互感器特性对电能质量监测和计量影响的研究[D].华北电力大学,2018.[3]㊀李猷民,姜建平,菅有为,等.谐波对电磁式互感器测量的影响研究[J].电气技术,2021,22(2):36.LI Youmin,JIANG Jianping,JIAN Youwei,et al.Research on the influence of harmonics on the measurement of electromagnetic transformers[J].Electrical Engineering,2021,22(2):36.[4]㊀PICHER P,BOLDUC L,DUTIL A,et al.Study of the acceptableDC current limit in core-form power transformers[J].IEEE Trans-actions on Power Delivery,1997,12(1):257.[5]㊀严勤,李世松,叶远誉,等.直流偏磁下电流互感器测量特性分析[J].电测与仪表,2021,58(12):144.YAN Qin,LI Shisong,YE Yuanyu,et al.Analysis of measurement characterization of current transformers with DC magnetic bias[J].Electrical Measurement&Instrumentation,2021,58(12):144.[6]㊀武英婷.低压电流互感器自动检定系统研究[D].西安:西安科技大学,2019.[7]㊀SOINSKI M,PLUTA W,ZUREK S,et al.Metrological attributesof current transformers in electrical energy meters[J].Internation-al Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics,2014,44(3):279.[8]㊀CATALIOTTI A,CARA D D,EMANUEL A E,et al.A novel ap-proach to current transformer characterization in the presence of harmonic distortion[J].IEEE Transactions on Instrumentation andMeasurement,2009,58(5):1446.[9]㊀HAJIPOUR E,VAKILIAN M,SANAYE-PASAND M.Current-transformer saturation compensation for transformer differential re-lays[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2015,30(5):2293.[10]㊀杨志强.剩磁对计量用电流互感器传变特性影响研究[D].武汉:华中科技大学,2018.[11]㊀陈刚,王忠东,白浩,等.电流互感器剩磁相关参数测量的直流法[J].高电压技术,2014,40(8):2416.CHEN Gang,WANG Zhongdong,BAI Hao,et al.DC methodfor measuring parameters of remanence of current transformer[J].High Voltage Engineering,2014,40(8):2416.[12]㊀郭捷.谐波对电流互感器的传变特性及电能计量影响研究[D].重庆:重庆大学,2014.[13]㊀路光磊.互感器特性对电能质量监测和计量影响的研究[D].保定:华北电力大学,2018.[14]㊀戴魏,郑玉平,白亮亮,等.保护用电流互感器传变特性分析[J].电力系统保护与控制,2017,45(19):46.DAI Wei,ZHENG Yuping,BAI Liangliang,et al.Analysis ofprotective current transformer transient response[J].Power Sys-tem Protectionand Control,2017,45(19):46. [15]㊀高龙,赵琳琳.电流互感器校验原理及方法分析[J].河北电力技术,2017,36(2):54.GAO Long,ZHAO Linlin.Principle and method of key link incurrent transformer verification[J].Hebei Electric Power,2017,36(2):54.[16]㊀陈利翔,吴丹岳,邵振国.基于J-A动态磁滞模型的电流互感器谐波变换建模及实验验证[J].电气技术,2016(8):14.CHEN Lixiang,WU Danyue,SHAO Zhenguo.Modeling and ex-perimental verification of current transformer harmonic transformbased on J-A dynamic hysteresis model[J].Electrical Engineer-ing,2016(8):14.[17]㊀王婷.电流互感器暂态饱和对计量误差的影响[J].中国设备工程,2019(4):206.[18]㊀刘任,李琳.基于损耗统计理论与J-A磁滞模型的直流偏磁下磁性材料损耗计算方法[J].高电压技术,2019,45(12):4062.LIU Ren,LI Lin.Loss prediction of magnetic material under DCbias based on the statistical theory of losses and Jiles-Athertonhysteresis model[J].High Voltage Engineering,2019,45(12):4062.[19]㊀赵越.J-A磁滞模型的仿真与实验研究[D].北京:华北电力大学,2019.[20]㊀苏果.CT伏安特性曲线及10%误差校验方法探讨[J].水电站机电技术,2018,41(5):16.SU Guo.Discussion on volt-ampere characteristic curve and10%error checking method of CT[J].2018,41(5):16.(编辑:刘素菊)8电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀。

大地直流偏磁状态下电力变压器性能分析

大地直流偏磁状态下电力变压器性能分析
大地直流偏磁状态是指变压器的磁通存在一个偏离正弦波形的直流分量的状态，这种
状态下变压器的性能会受到一定的影响。

本文分析了大地直流偏磁状态下电力变压器的性
能变化及其原因。

首先，大地直流偏磁状态会使变压器的铁心存在磁滞回线，这会使得变压器的瓦尔康
漏损和饱和损耗增大。

同时，由于磁通存在偏移，变压器的磁阻也会发生变化，使得变压
器的短路阻抗减小，导致短路电流增大。

其次，大地直流偏磁状态会对变压器的油温和绕组温升产生影响。

由于变压器的瓦尔
康损耗和饱和损耗增大，使得变压器的总损耗增大，从而产生更多的热量，导致温升增大。

特别是在高温环境下，由于变压器的散热能力受到限制，温升可能会超过允许的极限，从
而影响变压器的长期稳定性。

综上所述，大地直流偏磁状态对电力变压器的性能具有一定的影响，需要对其进行评
估和控制。

电力系统应采取合适的措施，如增加变压器的短路阻抗、降低变压器的损耗、
采用合适的冷却方式等，以减小大地直流偏磁状态的影响。

同时，还需要加强对变压器的
在线监测和故障预测，及时发现和处理变压器的异常状态，保证电力系统的稳定和可靠运行。

直流偏磁条件下高精度微型电流互感器的传变特性

直流偏磁条件下高精度微型电流互感器的传变特性李春来;汤晓宇;罗坤明;兰雄【摘要】高精度微型电流互感器(CT)是高端智能电力仪表常用的前端取样器件,其传变特性受直流偏磁的影响.以0.02级微型电流互感器为例,通过实验数据来定量分析直流偏磁对CT传变特性的影响.研究表明,CT传变特性受直流偏磁的影响,这种影响随直流偏磁电流的增大而增大;角差随直流偏磁电流的增大而向正方向变化,随直流偏磁电流的增大而呈非线性快速增长;当直流偏磁电流超过微型电流互感器一次侧交流电流有效值的2％时,比差超出0.02级CT比差误差限值.直流偏磁将导致仪表测量偏小.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2019(000)005【总页数】3页(P124-126)【关键词】直流偏磁;高精度微型电流互感器;传变特性;比差;角差【作者】李春来;汤晓宇;罗坤明;兰雄【作者单位】河源职业技术学院,广东省智能低压电气设备工程技术研究中心,广东河源 517000;广东雅达电子股份有限公司,广东河源 517000;河源职业技术学院,广东省智能低压电气设备工程技术研究中心,广东河源 517000;广东雅达电子股份有限公司,广东河源 517000【正文语种】中文【中图分类】TM4520 引言太阳等离子风的动态变化与地磁感应电流的作用，在高压直流输电系统采用单极-大地回路方式时，及地磁爆效应等原因，电磁装备中均会出现直流偏磁电流。

高精度电磁式微型电流互感器是智能电力仪表常用的前端取样器件，其性能指标及稳定性直接影响电力仪器仪表的测量精度。

而直流偏磁现象会改变电流互感器(current transformer，CT)的传变特性[1-3]。

本文选用0.02级电磁式微型电流互感器CT23-5A/5 mA为研究对象，通过实验数据研究分析直流偏磁条件下电磁式高精度微型电流互感器(CT)的传变特性。

1 直流偏磁条件下传变特性的数理关系电流互感器传变特性用角差f与比差δ衡量，根据文献[4]有：(1)(2)(3)式中：γ1为CT二次侧的负载阻抗角；Bdc为CT直流偏磁磁通密度。

电流互感器的工作原理及特性

电流互感器的工作原理及特性
一、工作原理
电流互感器的工作原理与一般变压器相像。

如图中，当一次侧流过电流I1时，在铁芯中产生交变磁通，此磁通穿过二次绕组，产生电动势，在二次回路中产生电流I2。

电流互感器的一、二次额定电流之比，称为额定电流比，用Ki表示。

依据磁动势平衡原理，忽视励磁电流时，可以认为：
Ki=IN1/IN2≈N2/N1=KN
式中，IN1、IN2为一、二次绕组的额定电流；N1、N2为一、二次绕组匝数；KN为匝数比。

可见，由测量出的二次电流I2乘以额定电流比Ki即可测得一次实际电流I1。

二、特性
与一般变压器相比，电流互感器有如下特点：
1、一次电流的大小打算于一次负载电流，与二次电流大小无关。

2、正常运行时，由于二次绕组的负载是测量仪表和继电器的电流线圈，阻抗很小，二次绕组近似于短路工作状态。

3、运行中的电流互感器二次回路不允许开路，否则会在开路的两端产生高电压危及人生平安，或使电流互感器发热损坏。

所以，二次侧不允许安装熔断器，且二次连接导线应采纳截面积不小于2.5平方毫米的铜芯截面。

运行中当需要检修、校验二次仪表时，必需先将电流互感器的二次绕组或回路短接，再进行拆卸操作。

计及直流偏磁的电流互感器传变特性对差动保护的影响_郑涛

＝ｍ
［］Biblioteka 励磁支路的励磁ＴＡ工作在磁化曲线的线性部分，电感为常数；铁芯合成磁通正比于 ③ 不计ＴＡ铁损，。励磁电流；负载为纯阻性由此得到ＴＡ的简化 ④ 等效电路如图２所示。图中：ＬＲｓ为ｅ为励磁电感，包括ＴＡ二次绕组电阻及负载电二次回路电阻（，阻）为折算到二次侧的一次侧电流，ｉ ′ ｉｓ为二次侧ｐ电流，ｉｅ为励磁电流。
０引言
随着高压直流输电的快速发展，当直流输电运行于单极大地回路方式时所导致的直流偏磁现象愈发引起了人们的关注。直流偏磁是指在变压器或电流互感器（的励磁电流中出现了直流分量，导致ＴＡ）以及由此引起的一系列电磁效铁芯半周磁饱和，］１３－。目前直流偏磁对继电保护的影响研究主要应［集中在变压器直流偏磁引起的附加效应对继电保护］的影响上。文献［指出，由于变压器直流偏磁引起４造成中性点零序电压保护，电容器过流保的谐波，护、过压保护误动，且直流偏磁会使变压器铁芯发热引起瓦斯保护动作，而励磁激增则会造成变压器差动保护误动。研究者们常忽视了直流偏磁对ＴＡ的影响。然而作为继电保护装置的重要设备之一，ＴＡ能否进行准确的电流变换对继电保护的可靠性而言至关重要，因此本文重点研究了直流偏磁下ＴＡ的特性变化对继电保护产生的影响。差动保护作为变压器的主保护，它的可靠性值。，得重视当一侧ＴＡ正常传变而另一侧ＴＡ发生饱和，或者两侧ＴＡ的饱和程度不一致时，变压器差动保护就有可能误动。本文探讨了直流偏磁条件下的ＴＡ饱和对变压器差动保护的影响因素，根据直流偏磁产生的机理构建仿真模型，仿真验证了直流

直流偏磁对变压器的影响及控制措施

（2）装设有中性点直流电流在线监测装置的变电站在发生直流偏磁时应结合变压器最大允许直流电流及时加强监视，越限时汇报相应调度，采取降电压、改变直流运行方式、停变压器等手段降低直流电流。并每小时记录一次油温、功率、直流电流、噪声值。没有直流电流在线监测装置的变压站直流偏磁时应每小时手测一次直流电流值。
（3）因为产生在变压器发生直流偏磁时铜耗和铁耗的增加，尤其是各部件涡流产生大量的热能，也应该重视变压器油温的变化，避免各部件由于温度过高造成设备损坏。
2.1噪声增大，振动加剧
变压器铁芯的磁致伸缩导致噪声的产生，且随磁通密度的增大而增大。直流偏磁使变压器铁芯磁通密度增大，导致磁致伸缩加剧，噪声增大，当直流电流等于励磁电流时，单相变压器的噪声增大了10dB，2004年5月贵广直流单极大地运行方式下，变压器中性点直流电流达到了34.5，噪声达到93.9dB。另外直流偏磁情况下，变压器励磁电流不仅有奇数次谐波分量还有偶数次谐波，噪声将会发生变化。此外，磁致伸缩会引起变压器铁芯和本体振动，振动加剧，会导致变压器有关部件松动，进而引起发热、放电或部件掉落，危机变压器安全运行。
3、变压器允许的直流电流
我国能源主要分布在西部地区，随着全国联网战略的实施，电能越来越多依靠直流输送，单在云南省境内目前就有楚穗直流、普侨直流、牛从直流。变压器允许流过直流电流值与变压器结构、材料、磁通密度有关。电压等级越高允许流过的直流电流更大，另外三相五柱式的变压器比单相分体的允许流过的直流更大。
2.2变压器损耗增加
铁损和铜损是变压器的损耗。变压器铁损包磁滞和涡流损耗。磁滞损耗正比于铁芯磁密的平方和频率。当铁芯饱和时，铁芯的导磁率接近空气的导磁率，从而使变压器漏磁通增加，变压器的漏磁通穿过压板、夹件和油箱等构件，并在其中产生涡流损耗。这说明直流分量增加时，铁损也会增加。

大地直流偏磁状态下电力变压器性能分析

大地直流偏磁状态下电力变压器性能分析
大地直流偏磁状态下电力变压器的性能分析一直是电力系统研究领域的一个重要课题。

大地直流偏磁是指由于各种原因，变压器的铁心磁通出现一个恒定的偏磁。

这种偏磁状态下，变压器的性能会发生一些变化，需要对其进行详细分析。

偏磁状态下的变压器磁路分析是性能分析的基础。

在偏磁状态下，电流不再通过变压
器的原正副绕组，而是通过偏置绕组。

磁路的磁通分布会发生变化，影响变压器的短路阻
抗和磁通分布。

需要通过数学建模和磁路分析，找到磁路参数和磁通分布的变化规律，以
了解偏磁状态下变压器的性能。

从磁路分析的结果中可以得到偏磁状态下的变压器参数变化。

短路阻抗会发生变化，
导致变压器在短路故障时的电流和电压分布也会不同。

还可以得到变压器的漏磁电抗、无
功电流等参数的变化规律。

通过对这些参数的分析，可以评估偏磁状态下的变压器在不同
工况下的性能，提供参考和指导。

偏磁状态下的变压器在运行过程中可能会产生一些问题。

磁通分布的改变可能导致局
部过热，降低变压器的效率并缩短设备寿命。

偏磁状态下的变压器产生的磁损耗也会增加，进一步降低了变压器的效率。

需要对这些问题进行分析和研究，提出相应的改进措施和解
决方案。

大地直流偏磁状态下电力变压器的性能分析还可以拓展到系统级别。

偏磁状态会导致
变压器在系统中出现一些异常情况，例如电流和电压不平衡，功率因数变化等。

这些异常
情况可能会对整个电力系统的运行稳定性和可靠性产生影响，因此需要对其进行分析和评估。

计量用TA在直流偏磁条件下传变特性的实验与分析_李春来

计量用TA 在直流偏磁条件下传变特性的实验与分析李春来1，汤晓宇2，黄业安1，罗坤明1，肖运海1（1.河源职业技术学院电子与信息工程学院，广东河源517000；2.广东雅达电子股份有限公司，广东河源517000）摘要：直流偏磁会改变计量用电流互感器（TA ）的传变特性，直接影响仪表测量、电能计量的精度。

地磁风暴、直流输电系统、线路故障、人为加入直流分量等都会使TA 产生直流偏磁。

理论分析表明，直流分量不产生变化磁通，其作为励磁电流改变铁心工况，产生各次谐波，影响TA 的正确传变。

以计量仪表常用的0.1级TA04－5A ／5mA 为例，通过实验数据来分析研究直流偏磁对TA 传变特性的影响。

研究表明，直流偏磁使计量用TA 的比差向负方向变化，角差向正方向变化，并且这种影响随着直流偏磁电流的增大而增大，尤其是角差呈非线性快速增长，直流偏磁最终导致电力仪表测量、电能计量偏小。

关键词：电能计量；互感器；直流偏磁；传变特性；比差；角差中图分类号：TM 452文献标识码：A文章编号：1006－6047（2011）07－0143－03收稿日期：2011-03-29；修回日期：2011-05-19基金项目：广东省科技厅高新技术产业化基金资助项目（2010-B010900011）Project supported by High -Tech Industrialization Program of Science and Technology Department of Guangdong Province （2010B010900011）电力自动化设备Electric Power Automation EquipmentVol．31No .7Jul.2011第31卷第7期2011年7月电流互感器（TA ）实际上是精确的变流器，把一个较大的电流精确变成一个较小的电流。

计量用TA 作为电力仪器仪表的最前端取样器件，其性能对计量、测量、监控、录波、测距都有重要影响［1］，直接影响电力仪器仪表的测量精度。

直流偏磁对电流互感器暂态传变特性的影响

直流偏磁对电流互感器暂态传变特性的影响郭一飞;高厚磊【摘要】高压直流输电和地磁感应电流引起的直流偏磁现象日趋严重,分析其对电流互感器暂态传变特性的影响十分必要.通过建立等效分析模型,针对直流偏磁及故障起始角对于电流互感器暂态传变特性,特别是对起始饱和时间的影响进行了详细的推导和分析.通过MATLAB程序对某实际电网中运行的电流互感器暂态传变特性参数进行计算,得出偏磁电流大小与起始饱和时间、二次电流的基波和2次谐波的定量关系.分析结论为了解电流互感器在偏磁条件下的工作状况以及继电保护装置的整定提供了参考.【期刊名称】《电力自动化设备》【年(卷),期】2015(035)012【总页数】7页(P126-131,144)【关键词】直流偏磁;互感器;故障起始角;起始饱和时间;故障电流;基波;2次谐波;暂态【作者】郭一飞;高厚磊【作者单位】山东大学电网智能化调度与控制教育部重点实验室,山东济南250061;山东大学电网智能化调度与控制教育部重点实验室,山东济南250061【正文语种】中文【中图分类】TM550 引言高压直流输电（HVDC）[1-4]工程和地磁感应电流（GIC）[5-7]造成的电力系统直流偏磁现象日益严重，严重威胁着电力系统某些电磁设备的安全运行。

直流偏磁现象是指电磁设备中励磁电流含有直流分量，使得铁芯的工作点发生偏置，极容易造成铁芯的半波饱和。

电流互感器（TA）作为电网中重要的电力设备，在电能计量和继电保护中起到重要作用，对于保护用TA，其暂态传变特性[8-10]对继电保护装置的正确动作有重要影响。

文献[11-12]对保护用TA在故障电流全偏移条件下的暂态传变特性进行了定性分析，并基于估计的参数对TA直流偏磁条件下的暂态特性进行了仿真计算，得出了偏磁电流与起始饱和时间的关系。

但之前的研究通常采用仿真软件中提供的TA模型以及研究者假定的故障参数，这不能直接反映实际工程条件下直流偏磁对TA工作状况的影响，且仅选取故障电流全偏移时进行分析，而针对故障起始角的影响分析很少涉及。