低功耗鐵芯線圈型電子式電流互感器的非線性補(bǔ)償技術(shù)研究

劉江仙， 沈利清

（1.浙江天際互感器有限公司， 浙江 江山 324123； 2.中國(guó)計(jì)量學(xué)院， 杭州 310018）

低功耗鐵芯線圈型電子式電流互感器的非線性補(bǔ)償技術(shù)研究

劉江仙1， 沈利清2

（1.浙江天際互感器有限公司， 浙江 江山 324123； 2.中國(guó)計(jì)量學(xué)院， 杭州 310018）

低功耗鐵芯型電子式電流互感器通常連接測(cè)量用儀器儀表，但是作為一次傳感器的低功耗鐵芯線圈具有非線性的特點(diǎn)，磁化電流是它的主要誤差源。因此提出了一種非線性補(bǔ)償技術(shù)，該技術(shù)基于低成本線性電路和非線性數(shù)字控制律，能輸出準(zhǔn)確度高的電壓模擬量，理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)方案的可行性。

電子式；電流互感器；鐵芯線圈型；非線性

0 前言

電子式電流互感器將電網(wǎng)電流按比例轉(zhuǎn)換為合適的信號(hào)供測(cè)量?jī)x表、保護(hù)和控制裝置使用。電子式電流互感器一次傳感元件通常采用光學(xué)器件、帶或不帶積分器的空心線圈以及帶取樣電阻的低功耗鐵芯線圈等，在這些元件中，帶取樣電阻的低功耗鐵芯線圈傳感器具有性能穩(wěn)定、輸出信號(hào)大且不易飽和的優(yōu)點(diǎn)，因此這種類型的電子式電流互感器既可作為測(cè)量用電子式電流互感器，也可作為測(cè)量和保護(hù)的多用途電子式電流互感器[1]。 與傳統(tǒng)電流互感器相比， 低功耗鐵芯線圈傳感器雖然運(yùn)行在低功耗狀態(tài)下，但磁化電流仍然是它的主要誤差源。當(dāng)被測(cè)一次電流變化時(shí)，勵(lì)磁支路的等效電阻和電感非線性變化，因此勵(lì)磁電流和一次電流的復(fù)數(shù)比也是非線性變化的。在沒有采取一定補(bǔ)償措施前，比差和角差呈非線性，而且通常會(huì)超出誤差的限值范圍。

對(duì)于傳統(tǒng)電流互感器，有許多補(bǔ)償?shù)霓k法，例如傳統(tǒng)的匝數(shù)補(bǔ)償、磁分路補(bǔ)償?shù)日`差補(bǔ)償技術(shù)及多鐵芯式補(bǔ)償技術(shù)[2-3]。 匝數(shù)補(bǔ)償技術(shù)一般針對(duì)比差進(jìn)行補(bǔ)償，磁分路補(bǔ)償主要利用部分鐵芯的飽和作用來(lái)達(dá)到比差和相角差的補(bǔ)償效果，但引入了非線性勵(lì)磁，同時(shí)也增加了工藝的復(fù)雜性。多鐵芯式補(bǔ)償技術(shù)線路復(fù)雜，一般用在標(biāo)準(zhǔn)電流互感器的場(chǎng)合，如雙級(jí)電流互感器。近年來(lái)還出現(xiàn)了數(shù)字算法、輔助電子線路、外部電流注入等補(bǔ)償技術(shù)[4-6]， 其中數(shù)字算法需要測(cè)量二次瞬時(shí)電流以及包含磁滯和渦流現(xiàn)象的鐵芯模型，該方法無(wú)法對(duì)輸出模擬量進(jìn)行修正；輔助電子線路通過(guò)提供二次負(fù)載電勢(shì)來(lái)減少鐵芯的磁動(dòng)勢(shì)，從而達(dá)到減少磁化電流的目的；利用物理相似原則，通過(guò)微型鐵芯線圈產(chǎn)生模擬的磁化電流并注入到二次輸出線路，以達(dá)到補(bǔ)償?shù)男Ч?。但是以上均為傳統(tǒng)電流互感器的補(bǔ)償方法，并非針對(duì)電子式電流互感器。

本文提出一種低功耗鐵芯線圈型電子式電流互感器的非線性補(bǔ)償技術(shù)，基于線性電路和非線性數(shù)字控制律，通過(guò)跟隨電子式電流互感器輸出電壓、構(gòu)建電壓同相和正交分量并進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償目的。

1 非線性補(bǔ)償?shù)脑?/h2>

式中： ω=2πf，f為工頻頻率。

將式（2）代入式（3）， 再將式（3）代入式（1），并略去微小量 L2， Cc， Ic和 1/Rb， 得

電流的 同相和 正 交比 例量， 運(yùn)算放 大 器 IC4 和IC5 實(shí)現(xiàn)同相和正交比例量的合成及電壓-電流的 轉(zhuǎn) 換 。 的 同 相 和 正交 比 例 量 由標(biāo) 量 電 壓 V1和V2· 驅(qū) 動(dòng) 產(chǎn) 生 ，而其 中為 互 感 器 輸 出 Vs的 非 線 性 函 數(shù) ， 它 們 可 以由廉價(jià)的單片機(jī)及兩片數(shù)模轉(zhuǎn)換器方便地實(shí)現(xiàn)。

由于電子式電流互感器輸出最多為幾伏，未經(jīng)補(bǔ)償?shù)膫鞲衅鳒?zhǔn)確度通?？蛇_(dá) 1%且二次電流不 大 于 1 A， 因 此 可 以 采 用 普 通 的 運(yùn) 算 放 大 器 。如 果 Rs1=Rs2=Rf及 R5=R6， 則

2 非線性補(bǔ)償?shù)暮?jiǎn)便方法

根據(jù)定義，電子式互感器的比差ε和角差φ可以表示為：

圖1 低功耗鐵芯線圈型電子式電流互感器的非線性補(bǔ)償電路圖

式中： Kra=1/Rsh， 為 一 次電 流折算 到二次 側(cè)后 的額定變比。

假定補(bǔ)償電流設(shè)計(jì)為

將式（8）代入式（7）， 得到經(jīng)補(bǔ)償后的誤差：

未加補(bǔ)償時(shí)原始的比差 ε0和 φ0， 可以在補(bǔ)償電路尚未接入時(shí)利用電子式互感器校驗(yàn)儀方便地測(cè)量。 補(bǔ)償是對(duì) 1%～120%額定一次電流（也即額定二次輸出電壓）范圍內(nèi)，任意工作電流條件下的補(bǔ)償。考慮到未經(jīng)補(bǔ)償?shù)碾娮邮诫娏骰ジ衅髡`差曲線的連續(xù)和光滑性， 原始比差 ε0和 φ0可以僅僅在 1%， 5%，20%，100%及 120%額定電流等幾個(gè)有限的工作條件下測(cè)量，其他任意工作狀態(tài)可通過(guò)擬合曲線得到，如圖2所示。這樣，對(duì)于電子式電流互感器的任意輸出 Vs， 便可在單片機(jī)中通過(guò)查找曲線得到相應(yīng)的原始比差 ε0和 ε0，同時(shí)利用式（10）和（11）計(jì)算出 V1和 V2并輸出。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證非線性補(bǔ)償方案的正確性，設(shè)計(jì)了1 個(gè)額定變比為 200 A/1 V、準(zhǔn)確度等級(jí)為 0．2S、2．5W 取 樣 電 阻 Rsh=0．5 Ω 的 低 功 耗 鐵 芯 線 圈 型電子式電流互感器，取樣電阻精度為 0．01%。補(bǔ)償電路參數(shù)為 R3=39 kΩ，R5=R6=100 kΩ，R7= 390 kΩ 以及 C7=0．1 μF， 其他電阻為 380 kΩ。 補(bǔ)償電路中所有電阻均為 0．1%精度的金屬膜電阻，所有運(yùn)算放大器均采用 OP07。 檢測(cè)系統(tǒng)采用差值法原理進(jìn)行誤差的測(cè)量和計(jì)算，二次參考電壓信號(hào)由額定變比為 200 A/5 A 的 0．02S 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電流互感器二次輸出的電流在 0．01 級(jí)、 0．2 Ω、 5W的四端電阻上轉(zhuǎn)換得來(lái)。參考信號(hào)及差值信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集， 采樣頻率為 51．2 kHz，它們的幅值和相位通過(guò)傅立葉變換得到，頻率信息通過(guò)單相軟件鎖相環(huán)（SPLL）獲得。 最后通過(guò)LabVIEW 軟件進(jìn)行誤差計(jì)算和顯示。

表1為補(bǔ)償前后該電子式電流互感器的誤差測(cè)量結(jié)果。從表1可以看出，補(bǔ)償前電子式電流互感器的準(zhǔn)確度等級(jí)為 0．5 級(jí)， 補(bǔ)償后準(zhǔn)確度提高到了 0．2S 級(jí)， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方法的可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

圖2 原始比差 ε0和 φ0的擬合曲線

表1 補(bǔ)償前后的誤差

低功耗鐵芯型電子式電流互感器的誤差具有非線性的特點(diǎn)，磁化電流是其主要的誤差源。為減少誤差，提出了一種非線性補(bǔ)償技術(shù)并進(jìn)行了理論分析，得到了直接反映補(bǔ)償效果的誤差表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了基于低成本線性電路和非線性數(shù)字控制律的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了輸出模擬量的誤差補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該補(bǔ)償技術(shù)理論分析的可行性。

[1]IEC 60044 －8 International Standard．Instrument transformers－Part8∶Electronic current transformers[M]．2002．

[2]趙修民．測(cè)量用互感器[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986．

[3]D BRANISHAV， E SO．An optically isolated hybrid twostage current transformer for measurements at high voltage[J]．IEEE Trans on Instrumentation and Measurement，2006，55（4）∶1204－1207．

[4]N LOCCI， CMUSCAS．A digital compensationmethod for improving current transformer accuracy[J]．IEEE Trans on Power Delivery,2000，15（4）∶1104－1109

[5]D SLOMOVITZ．Electronic error system for clamp-on probes andmeasuring current transformers[J]．IEEE Trans on Instrum and Meas，2000，49（6）∶1278－1281．

[6]Q XU， A REFSUM， RWATSON．Application of external compensation to current transformer[J]．in Proc IEE of Science Measurement and Technology，1996，143 （2）∶147－150．

（本文編輯：陸 瑩）

Research on Nonlinear Com pensation Technology for Low Power Iron-core Coil Electronic Current Transformers

LIU Jiang-xian1， Shen Li-qing2
（1.Zhejiang Horizon Instrument Transformers Co.， Ltd， Jiangshan Zhejiang 324123， China；2.China Jiliang University， Hangzhou 310018， China）

electronic；current transformer；iron-core coil；nonlinear

TM452

： B

： 1007-1881（2011）07-0019-04

2011-4-26

劉江仙（1962-）， 女， 浙江江山人， 工程師， 從事機(jī)電設(shè)計(jì)工作。

Abstruct： The low power iron-core coil electronic current transformers are often connected with measuring instruments and meters.However,low power iron-core coils have nonlinear characteristics as primary current sensors and themain error source is themagnetizing current.Therefore,a nonlinear compensation approach is proposed.It can output high-accuracy voltage analog quantity based on a low-cost linear circuit and a nonlinear numeric control law.And the feasibility of the technical scheme is verified by theoretical analysis and experiments.