电子式电流互感器校验技术的研究

电子式电流互感器校验技术的研究

于文斌1,张国庆1,郭志忠1,2

(11哈尔滨工业大学电气工程学院,哈尔滨150001;21许继电力科学研究院,北京100085)

摘　要　电流互感器原有的校验技术已难满足新型电子式电流互感器(输出模拟电压小信号和数字量信号)产品性能检定的技术要求。依据IEC60044-8标准,讨论了新互感器校验技术的原理和方法。结合研究的混合式电流互感器,引入虚拟仪器技术,建立了电流互感器的校验系统,给出了比值误差和相位误差的实验结果。

关键词　电子式电流互感器　校验技术　比值误差　相位误差　虚拟仪器技术

中图分类号　TM452 文献标识码　A

The R esearch for C alibration T echnology of Electronic Current T ransformers

Yu Wenbin1,Zhang Guoqing1,Guo Zhizhong1,2

(1.School of Electrical Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin150001,China;

2.Electric Power Research Institute of X J Group,Beijing100085,China)

Abstract　The old calibration technology of transformers has not satisfied with the performance test of electronic current transformers.According to the output characteristics of electronic current transformers(analog voltage signals and digital signals),the theory and method of calibration technology for electronic current transformers are discussed in this paper based on the standard of IEC6004428.The virtual instrument technology is introduced,and the calibration system of cur2 rent transformers is constructed,combining with the designed hybrid optical current transformer.The test results of ratio error and phase error are given and analyzed.

K ey w ords　electronic transformer　calibration technology　ratio error　phase error　virtual instrument technology

0　引　言

传统的电流互感器(TA)校验技术基于比较仪式(工作电压下用电流比较仪测小电流)和电位差式(工作电流下测电位差即低电压)共同采用的补偿式零值平衡原理,通过调节电导箱、电容箱或同相盘、正交盘使电路平衡,求得正交分量和同相分量。传统模拟式TA利用零检测仪通过平衡模拟桥(其读数即TA的比值差和相位差)来校验。这都是模拟方法,且误差不能太大(否则模拟桥不能平衡)。新型电子式电流互感器(ETA)由电磁铁心线圈、Ro2 gowski线圈、分流器以及传感元件(传感光纤或光学玻璃)构成,其传感机理虽与传统电磁式TA不同,但均有模拟电压小信号和数字量输出[1]。ETA 的电子线路带来的信号时延经数模转换后再利用模拟桥时被看作ETA的相位差。时延较小时该误差可在算法上补偿,但该时延大多较大(通常ms级),使桥不能平衡。

依据IEC标准,ETA输出的数字量或模拟量信号的准确度均须校验[2],而现有TA校验技术已难满足ETA性能检定的技术要求,故有必要研究ETA校验技术。1　理论分析

111　相位差和相位误差

传统TA的相位差指标因ETA的模数转换和数据处理引入了时延而不再适用,故而使用新定义的相位误差[2]。

相位差系一、二次信号间总的相角差,对模拟输出系一、二次电流相量间的相位移之差,对数字输出系一次侧某电流出现时刻与二次数字化数据集传输启动时刻间的时间差。传统TA基于极坐标的相位差φ=φs-φp(见图1,φp为一次电流相量I p的相位移,φs为二次电流相量I s的相位移,K r为变比)。若I s超前I p,则φ>0

。

图1　电流互感器的相位差

Fig11　Phase displacement of current transformers

相位误差[2]φe=φ-(φ0r+φtdr)(见图2,φ0r 为额定相位偏差补偿;φtdr=-2πf t dr,为额定时间延迟t dr引起的相位偏差;f为频率)。

无积分环节空心线圈式TA的φ0r=90°,其他类型ETA的φ0r=0°(意即任何其他的相位偏差必须在t dr中考虑)。

・

2

・J uly12004 High　Voltage　Engineering Vol.30No.7　

图2　电流互感器的相位误差

Fig 12　Phase error of current

transformers

图3　二次输出相量滞后于一次电流向量时的相位误差

Fig 13　Phase error when second ary output lags

behind primary current vector

数字量输出的I s 一般会滞后I p ,即φ<0(见图

3),因校正的t dr 工作在与φ相反的方向,故φe <φ。

图4的实际校验测试系统相量参考图系在图3基础上增加参考系统的相量(虚线所示)后所得。该系统中先用采样技术将标准参考系统数字化,再与被测TA 的输出结果比较

。

图4　实际测试系统相量参考图

Fig 14　V ector diagram of actu al calibration system

显然,参考系统的相位差φr 包含模拟部分引起

的相位移φer 和采样过程中的时延t drr 。实际测试所得相位差是被测TA 和参考系统输出相量间的角度差,即图4中最下面两相量间的夹角φm 。因参考系统的t drr 和φer 较准确,故它们对整个

测试系统的作用可校正。略去φ0r (设为0°)时,φr =φer -2

πf t drr ,则被测TA 的相位误差为φe =φm +φr +φtdr 。

(1)

112　比值误差

ETA 的比值误差[2]ε与传统TA 类似。

对于模拟输出,ε=(K ra U s -I p )/I p ,

(2)对于数字输出,ε=(K rd I s -I p )/I p ,

(3)

其中,K ra 、K rd 分别为模拟、数字输出的额定比例系数,U s 为二次转换输出的有效值,I s 为二次数字输出的有效值,I p 为一次电流有效值。2　校验系统的设计和构造

为克服交流电源不稳带来的误差,ETA 的校验

(系统框图见图5)一般采用比较法原理。被测ETA 和标准参考TA 同串一回路,通过调节输入电流的大小进行测试。

图5中参考TA 是一台标准高准确度(至少比

被测ETA 高两个数量级)电磁式TA ,以高准确度无感电阻作为电流/电压转换器,可代表一次电流。被测ETA 一般同时有数字量和模拟小电压信号输出,根据IEC 标准[2],这些量都必须经过校验。这些信号经DAQ 卡采集到处理计算机中处理和计算后即得所需测试结果。为满足多种ETA 校验系统的数据采集要求,DAQ 卡必须包含多个A/D 口、DIO 口以及计数器口,且这些端口间必须要有同步触发信号进行同步采样

。

图5　校验系统框图

Fig 15　Schematic diagram of calibration system

图6　校验系统结构图

Fig 16　Structure diagram of calibration system

结合自制的混合式光学电流互感器[3](HO 2TA ),建立了一套互感器校验系统(见图6)。参考TA 的输出电流经电阻采样后输入DAQ 卡的A/D 口,被测HO TA 的数字量输出直接送计数器进行数字解调,而模拟电压输出也进入DAQ 卡的A/D 口进行采样,所得采样信号最终输入计算机处理。

数值处理过程中引入了虚拟仪器技术,利用LabV IEW 编程进行数字信号处理和计算,它灵活易用,很便于算法的实现和修改。3　测试结果

针对工频量而言的ε和φe 的算法有多种,本文采用DF T 算法。将信号f (t )按傅立叶级数展开,可求得基波分量的大小为

a 1=2N

∑

N -1i =0

f (i )cos (2πN

i ),b 1=

2

N

∑N -1

i =0

f (i )sin (2π

N i ),

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