空心线圈电流互感器特性测试与分析

空心线圈电流互感器特性测试与分析

0空心线圈电流传感及性能测试方法及标准现状电子服务源供电装置的传变性能应满足系统或设备故障的要求。传统电磁式电流传感器的铁芯饱和问题是影响其性能的最重要因素。为此,相关测试标准对电流互感器要求在稳态一次短路电流下的测量误差不超过规定限值,而对于短路电流非周期分量和互感器剩磁等引起的暂态饱和问题,需要通过选择互感器的类型和参数,以及在继电保护环节采用相应的抗饱和措施解决。空心线圈电流互感器由于不含铁芯,不存在铁芯饱和的问题,因此普遍对其传变特性动态范围大、频带宽等性能有很高期待,被认为有望带来继电保护原理和性能的突破。国内外学者在空心线圈电流互感器实用化方面进行了深入地研究。分析了外界磁场、环境温度、一次导体位置变动、线圈绕制工艺等因素对空心线圈电流互感器性能的影响并提出了相应的改善措施,针对积分方式、电子电路设计进行了研究,通过理论分析、试验、仿真等方法研究空心线圈电流互感器的频率特性、暂态特性等。研究工作有力地推动了空心线圈电流互感器实用化进程,已经逐步进入工程应用阶段。目前在电子式电流互感器的相关标准中,关于误差等级的要求是与常规电磁式互感器一致的,暂态性能要求等同于常规互感器的TPY级定义。显然,相应测试标准没能体现出空心线圈电流互感器的结构特点和传变特点。由于生产厂家一般不具备高压大电流的试验测试环境,使得产品在开发研制以及成品化过程中“摸着石头过河”,很难定量分析和精确控制互感器单元部件及整体的特性。电磁式电流互感器由于存在非线性的磁特性,互感器在不同运行工况尤其是故障电流下的输出具有不确定性,传变特性只能定性分析,在相对低压小电流条件下进行测试不能体现其本质特征。而空心线圈电流互感器具有线性特性,可以应用叠加原理进行研究,传变特性是可以定量分析的,而且采用等安匝法进行测试理论上是没有误差的。由于对空心线圈电流互感器传变特性认识不足,及相关测试方法和标准的滞后严重影响了这项新技术的成熟和推广应用,也使得该领域产品鱼龙混杂,被认为“是调试出来的而不是制造出来的”。本文根据空心线圈电流互感器结构特点,基于对实际空心线圈电流互感器的单元模块和整机的试验,研究了空心线圈电流互感器的稳态性能、频带特性和暂态响应等传变特性,分析与常规电流互感器传变特性的不同之处,提出了空心线圈电流互感器传变特性应关注的测试重点,为相应测试标准的改进完善提出了建议。1环境参数测试(1)依据IEC60044-8和GB/T20840.8中对电子式电流互感器的要求,设计实验测试方案。实验测试方案的定位是研究电流互感器各单元部件及整体的传变特性,实验结果不作为评价测试产品性能指标的依据。(2)本实验测试方案采用等安匝法进行测试,如额定一次电流2000A,一次线圈等安匝数500匝,则一次等效额定电流为4A。忽略等安匝线圈绕制对称性对测试结果精确性的影响。(3)被测空心线圈电流互感器的结构模块如图1所示。测试时在信号处理电路中短接了低通滤波单元,以更真实地反映其频带特性。(4)A/D数据采样率设置为10kHz。由于采用高精度的A/D转换器以及采用同步信号控制通道A/D采样,且实验中光纤传输距离短,所以数字信号处理和传输误差不计,即不考虑其对互感器传变特性的影响。(5)测试基本接线如图2所示。测量点分别设置于传感线圈、积分放大、相位补偿之后,再通过采样板及合并单元MU送至互感器校验仪。WYET-1A型电子式电流互感器校验仪通过GPS秒脉冲分频后同步采样标准通道和被校通道,将同一时刻的两路信号进行比对处理,可以观察相应的波形和误差,并可以导出波形数据,本文中的实验波形均由导出数据拟合而成。(6)饱和特性测试时,不是由继电保护测试仪输出电流,而是通过升流器输出大电流,并由标准电流互感器取样进行测试。(7)暂态特性测试时,由于发生扰动的暂态过程迅速,采用具有录波功能的ZH-5N网络报文分析仪代替电子式互感器校验仪显示输出波形。2空心线圈电流监测技术在继电保护测试仪中设置5%~120%额定工频电流输出进行测试。在额定工频电流下传感头、积分放大、相位补偿(对应互感器整体输出)各点的实验波形如图3所示。此时,传感头输出的信号超前一次电流约90°,由于传感头输出信号较小,易受干扰而出现毛刺,经过积分及放大环节后,波形被还原,波形与一次电流约有2°的相差。由于无源积分电路有一定滤波作用,经过积分放大之后的波形比较光滑。经过移相电路后的信号与一次电流相位趋于一致。等效一次电流分别为5%~120%额定电流时实验结果如表1所示。由表1,空心线圈电流互感器在额定电流以及小电流下的准确级是完全可以满足保护用电子式电流互感器的要求,甚至能够达到测量用电流互感器的相应标准等级。本文实验方案针对互感器各单元部件进行测试,虽然可能引入一定的测量误差,但结果还是在合理范围的。与常规互感器需要足够的输出功率驱动二次设备不同,空心线圈电流互感器输出功率极小,如额定一次电流下传感头的输出为150mV,因此小信号时易受电磁干扰的影响。在5%额定电流下传感头、积分放大、相位补偿各点的实验波形如图4所示,可以看出小电流下空心线圈传感头的输出受干扰严重,信号处理电路有效抑制了波形畸变,这依赖于各个厂家的电路设计性能。鉴于此,本文建议在空心线圈电流互感器的测试标准中引入“准确低限值系数”、“额定准确低限值一次电流”和“总谐波畸变率”指标,评价互感器在小电流时的输出波形质量,以补充“电流比值误差”和“相位误差”指标,使得对互感器在小电流时的评价更为全面。如定义“准确低限值系数”为0.05,“额定准确低限值一次电流”相应地为5%额定一次电流,可以要求满足互感器在5%额定一次电流时“总谐波畸变率”不超过5.5%。如表1所示。3空心线圈电流整体线性度的比对通过升流器输出5~25倍额定一次电流进行测试。从表2的实验结果看出,由于空心线圈传感头不含铁芯,为线性元件,可以在外界杂散磁场非常复杂的情况下准确测量大电流。空心线圈电流互感器测量精度高,而且很稳定,互感器各个环节在不同倍数额定电流下的误差非常一致。同时,保护用ECT的标度因子为01CFH,可以保证测量电流在50倍额定一次电流(0%偏移)或25倍额定一次电流(100%偏移)时互感器数据输出不溢出。所以可以认为空心线圈电流互感器在50倍额定一次电流范围内不存在饱和问题。空心线圈电流互感器的线性度如图5所示。分别列出在5%~120%、5%~25倍额定电流下传感头和整体的比差和相差。可见,对于空心线圈电流互感器,瓶颈在于测量小电流而不是大电流,这与电磁式电流互感器瓶颈在于测量大电流不同。相应地,空心线圈电流互感器在额定准确限值一次电流下的复合误差限值较容易满足,这也说明了空心线圈电流互感器确实适合于用作保护用电流互感器。因此,本文认为在大电流时仍然采用比差和相差作为衡量标准,可以不采用复合误差,作为补充也可以引入谐波畸变率,如表2所示。4空心线圈电流传感参数测试结果通过继电保护测试仪输出频率为45~1000Hz的额定电流进行测试。由于空心线圈的输出电压与频率是成正比的,所以本文将实际输出的有效值除以被测电流频率的倍频数再与标准电流的有效值比较得出“比差*”,这样处理后的比差更能体现空心线圈在测量不同频率电流时的准确度。在工频附近,空心线圈处于开路状态,输出电压与被测电流同相位。通过适当的信号放大和标定,输出电压可精确反映被测电流。从表3的实验结果看出,空心线圈电流互感器在96%~102%额定频率下可以满足准确级要求。而在高频时,传感头不能等效工作于开路状态,由于受限于传感头自感与分布电容的谐振频率和通带上限截止频率,使得特性变差。随着频率的增大,线圈传感头输出信号的相位不再超前一次电流90°,超前的角度逐渐减小,在1kHz时,传感头输出只超前80.5°左右。互感器整体相差增大的另一方面原因是由于电子电路的相频特性,如本文测试对象的相位补偿电路的相移是随着频率增大而显著增大的。根据厂家提供的相位补偿电路参数仿真可得1kHz时的相移为44°。空心线圈电流互感器的宽频带是可以实现的。如果二次系统需要空心线圈电流互感器在很宽的频带范围内有很高的准确度,性能良好的电子电路设计很重要,提高空心线圈的绕制工艺以减小分布电容也很关键。5空心线圈电流过流保护测试方案比选采用继电保护测试仪的故障回放输出和录波仪进行测试。继电保护测试仪虽然只能输出等效一次额定电流大小的信号,不能模拟真实故障电流,但由于之前的测试表明,空心线圈电流互感器确实没有饱和的问题,因此本测试方案是可行的。5.1空心线圈暂态电流和谐波分析当时间常数τ为80ms时,Rogowski线圈传感头的暂态波形和谐波分析结果如图6所示。图6中从上到下依次为互感器传感头输出波形(输出电流),传感头输出波形中的直流分量,一次暂态电流(被测电流),一次暂态电流中的直流分量。谐波分析依次为被测电流和输出电流的结果。Rogowski线圈传感头传变一次暂态电流时的误差主要是由直流分量造成的,附加谐波分量是由于干扰引起的。Rogowski线圈传变衰减直流时有较大的误差,由分解出的衰减直流波形可知Rogowski线圈输出信号中的直流衰减速度明显比原信号快,即衰减直流传变到二次侧时时间常数减小了。时间常数τ为80ms时空心线圈电流互感器整体输出的暂态波形和谐波分析结果如图7所示。图7中从上到下分别为互感器输出波形(输出电流),互感器输出波形中的直流分量,一次暂态电流(被测电流),一次暂态电流中的直流分量,测量误差电流。谐波分析依次为被测电流和输出电流的结果。由以上谐波分析可知,空心线圈电流互感器对于暂态电流中的各次谐波都能较准确地传变至二次侧,但是对于衰减直流,传变至二次侧时时间常数会变小,互感器输出的衰减直流衰减得比一次侧快造成传变暂态电流的主要误差。而比较各个实验波形可知,空心线圈电流互感器传变暂态电流时在故障发生经过时间τ(直流衰减时间常数)后误差达到最大,之后误差逐渐减小。直流衰减时间常数τ改变时,空心线圈传变暂态电流时的最大瞬时误差也有所不同。实验具体数据如表4所示。对电磁式电流互感器而言,短路时短路电流中的衰减直流分量是引起互感器铁芯饱和的重要因素,并且随着时间常数的增长饱和愈加严重。而对于空心线圈电流互感器,系统短路、有大的衰减直流分量的时候,其暂态误差特性取决于测量的下限频率和积分电路的时间常数。5.2空心线圈电流传感及特性本文励磁涌流是通过在RTDS中仿真变压器空载合闸产生励磁涌流波形,利用继电保护测试仪进行故障回放输出。励磁涌流波形和谐波分析结果如图8所示。图8中从上到下分别为空心线圈电流互感器输出波形(输出电流),一次励磁电流波形(被测电流),以及测量误差电流。谐波分析依次为被测电流和输出电流的结果。由实验波形可知,空心线圈电流互感器对于励磁涌流的间断角有良好的识别功能,能正确地传变励磁涌流的波形。将9次以内谐波分量列出对比如表5所示。可见,空心线圈电流互感器能较好传变基波及各次谐波,但是对于衰减直流分量却不能完全传变到二次侧。故障暂态电流(包括励磁涌流)实质上是含有幅值不等的衰减直流分量、基波分量和各次谐波分量。从前面的分析可以看出,空心线圈电流互感器的线性度好,因此对暂态电流的响应可以采用叠加原理分析,即可分别研究互感器对暂态电流各分量的响应;又由于空心线圈电流互感器的频率特性好,基波和各次谐波的传变误差小,所以空心线圈电流互感器对短路电流或励磁涌流的传变误差主要来源于衰减的非周期分量。6空心线圈电流