雙級(jí)電子式電流互感器誤差特性分析及校驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘曉敏

（湖北工業(yè)大學(xué)，湖北武漢430064）

雙級(jí)電子式電流互感器誤差特性分析及校驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘曉敏

（湖北工業(yè)大學(xué)，湖北武漢430064）

電子式電流互感器憑借較強(qiáng)的抗干擾能力和絕緣能力，在當(dāng)前的互感器領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。大多數(shù)電子式互感器中應(yīng)用單機(jī)低功率鐵芯線圈，其不需要應(yīng)用電子線路進(jìn)行功率補(bǔ)償，因此準(zhǔn)確度較高。提出一種雙極電流互感器，在分析工作原理的基礎(chǔ)上，論述了誤差檢測(cè)原理，提出了雙極電子式電流互感器校驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

電子式電流互感器；誤差特性；研究

傳統(tǒng)的電磁式電流互感器歷史悠久，性能也比較穩(wěn)定，但是在電力系統(tǒng)不斷發(fā)展的過程中，智能電網(wǎng)投入建設(shè)，電磁式電流互感器的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，安裝和維護(hù)較為困難［1］。電子式電流互感器在解決傳統(tǒng)電磁式互感器的問題時(shí)，成為電氣測(cè)量和電氣保護(hù)的重要手段，也是智能電網(wǎng)條件下的十分可靠的換代產(chǎn)品，具有良好的穩(wěn)定性，可以直接連接數(shù)字化設(shè)備，在實(shí)際電網(wǎng)測(cè)量中的應(yīng)用越來越廣泛。

1　雙級(jí)電子式電流互感器及其檢測(cè)技術(shù)

1.1應(yīng)用原理

圖1是雙極電子式電流互感器的結(jié)構(gòu)原理和等效電路。圈串聯(lián)后同Nb和Rs并聯(lián)，其中Rs表示標(biāo)準(zhǔn)取樣電阻。U.s表示Rs二端輸出互感器的二次電壓，I.2和Z2分別表示二次線圈中的電流和串聯(lián)阻抗，I.b和Zb分別表示補(bǔ)償線圈中的電流和阻抗，RL表示雙極電子式電流互感器的負(fù)載。

圖1雙級(jí)電子式電流互感器結(jié)構(gòu)原理（a）和等效電路（b）

如圖1（b）所示，I.'1表示為折算到二次側(cè)的一次電流I.1，I.01、I.02、Zm1和Zm2分別表示不同鐵芯的勵(lì)磁電流和勵(lì)磁阻抗，在考慮I.'1和U.s的情況下，不考慮一次線圈的阻抗。

1.2誤差檢測(cè)

用誤差指標(biāo)衡量電子式電流互感器的性能，其中涉及到重要的電流誤差f（比差）和相位誤差δ（角差），其中電流誤差為實(shí)際二次電壓的有效值U2折算到一次側(cè)后與一次有效電流值的差，其值表示為，其中KN表示雙極電子式電流互感器的額定變比，I1表示一次被測(cè)電流，U2表示實(shí)際二次電壓，相位誤差δ表示二次電壓相位取反后與一次電流相位作差，表達(dá)式為δ＝φ2-φ1，其中φ1和φ2表示一次和二次電流相角。得出雙極電子式電流互感器的比差和角差后，可以進(jìn)一步進(jìn)行誤差檢測(cè)，因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)用差值法測(cè)量互感器的誤差。圖2為雙級(jí)電子式電流互感器校驗(yàn)系統(tǒng)的原理。

圖2　校驗(yàn)系統(tǒng)原理

如圖2所示，在系統(tǒng)中引入頻率和幅值都可以進(jìn)行調(diào)節(jié)的電流源I.1，另外還包括被測(cè)互感器、標(biāo)準(zhǔn)電阻R0、信號(hào)調(diào)理電路和信號(hào)處理部分。在信號(hào)調(diào)理電路中用K△表示標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)U.0的放大倍數(shù)，Ks表示差值信號(hào)△U.=U.s-U.0的放大倍數(shù)。在信號(hào)處理系統(tǒng)中應(yīng)用偏置電路和數(shù)模采樣電路對(duì)誤差進(jìn)行計(jì)算。

2　雙級(jí)電子式電流互感器校驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1校驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

（1）校驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在雙級(jí)電子式電流互感器的校驗(yàn)系統(tǒng)中，主要應(yīng)用模擬信號(hào)的發(fā)生單元和測(cè)量單元。其中模擬信號(hào)包括模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、濾波電路和功率放大電路，其中模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中應(yīng)用DAC7724芯片，處理器為DSP TMS320F28335，可以按照幅值和頻率的要求對(duì)正弦波形進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證基波和諧波相互疊加，對(duì)實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行模擬；濾波電路的主要作用是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，例如模數(shù)輸出信號(hào)，在濾波電路的作用下可以滿足實(shí)驗(yàn)需求；功率放大電路主要是放大模數(shù)輸出信號(hào)，提高功率輸出。校驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)量部分包含信號(hào)調(diào)理電路、偏置電路和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，其中信號(hào)調(diào)理電路按照差值法的計(jì)算理論，對(duì)互感器一次側(cè)和二次側(cè)的電壓信號(hào)進(jìn)行作差，在信號(hào)放大器的作用下放大輸出；為了滿足DSP芯片內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣需求，偏置電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，保證信號(hào)達(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換的工作需求，提高器件的安全性；數(shù)據(jù)采集和處理單元計(jì)算出內(nèi)部比差和角差結(jié)果［2］。

（2）校驗(yàn)系統(tǒng)的組成

圖3是校驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

圖3　互感器校驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC7 724在處理器TMS320 F28335的控制下，產(chǎn)生出可以調(diào)節(jié)幅值和頻率的正弦信號(hào)，信號(hào)依次經(jīng)過濾波電路、功率放大電路后，提升系統(tǒng)的負(fù)載能力，同時(shí)電流信號(hào)的可控性不斷增強(qiáng)。將這個(gè)限流信號(hào)用于電子式電流互感器的輸入信號(hào)，輸入到一次側(cè)，實(shí)際應(yīng)用過程中，可以方便地在取樣電阻上獲得標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)U.0和二次電壓U.s，結(jié)合差值法的校驗(yàn)理論，在信號(hào)調(diào)理電路的作用下，得出最終的△U..對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大后，偏置電路可以保證電壓信號(hào)滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣需求，處理器控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器開展數(shù)據(jù)運(yùn)算，求出同步信號(hào)的扶智和出相角后，可以得出比差和角差。

2.2模擬信號(hào)發(fā)生器

實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用模擬信號(hào)發(fā)生器輸出正弦信號(hào)，該正弦信號(hào)的幅值和頻率可調(diào)，還可以通過基波和諧波的疊加對(duì)雙極電子式電流互感器的實(shí)際一次電流進(jìn)行模擬，應(yīng)用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)向模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，在濾波電路的作用下，DAC7724輸出平滑的波形，經(jīng)過功率放大后保證電流信號(hào)滿足實(shí)驗(yàn)需求。

實(shí)際應(yīng)用中數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的信號(hào)不能帶較大的負(fù)載，輸出的波形也不規(guī)則，一般表現(xiàn)為階梯狀，此時(shí)可以應(yīng)用濾波電路得出優(yōu)質(zhì)的電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)，一般在系統(tǒng)中選用二階濾波電路，在電壓跟隨器的幫助下，對(duì)數(shù)模輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，便于在應(yīng)用的同時(shí)提高負(fù)載能力。

2.3功率放大電路

實(shí)際雙極電子式電流互感器工作中的額定電流位200 A，該電流值為單匝線圈中的電流，在準(zhǔn)確度

校驗(yàn)過程在紅個(gè)，可以在一次側(cè)中提供幅值為1 A的電流，為了在實(shí)際應(yīng)用中滿足實(shí)驗(yàn)需求，必須保證電壓信號(hào)經(jīng)過濾波器后可靠通過功率放大電路，提高功率的輸出［3］。本研究應(yīng)用OCL功率放大器實(shí)現(xiàn)功率放大，應(yīng)用三極管電路組成不同的互補(bǔ)輸出級(jí)，對(duì)電路形成可靠的保護(hù)作用，避免產(chǎn)生不安全的大電流，同時(shí)借助電流的反饋?zhàn)饔?，能夠保證工作點(diǎn)穩(wěn)定，降低非線性失真造成的影響。芯片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣器中應(yīng)用的輸入電壓的幅值為0～3 V，由于被測(cè)信號(hào)為交流，因此必須在應(yīng)用的過程中保證抬升電壓信號(hào)滿足采樣需求。

3　結(jié)束語

本文在介紹雙級(jí)電子式電流互感器結(jié)構(gòu)原理的同時(shí)，對(duì)等效電路進(jìn)行了分析，得出了誤差的計(jì)算公式，構(gòu)建出校驗(yàn)系統(tǒng)，應(yīng)用二階RC濾波電路提高輸出信號(hào)的帶負(fù)載能力。結(jié)合互感器的設(shè)計(jì)原理，可以在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜萘繑U(kuò)展，提高在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的可靠性和穩(wěn)定性。

［1］徐雁，朱明鈞，郭曉華，等.空心線圈作為保護(hù)用電流互感器的理論分析和試驗(yàn)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，26（16）:52.

［2］宋天斌，史會(huì)軒，李敏，等.電流互感器電子式負(fù)荷裝置研究［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2014，25（2）:18.

［3］潘寶祥，顧紅波.一種用于電流互感器校驗(yàn)的新型電子式負(fù)載箱［J］.中國(guó)計(jì)量學(xué)院，2013，33（3）:25.

Error of Two Stage Electronic Current Transformer Performance Analysis and Calibration System Design

PAN Xiao-min
（Hubei University of Technology，Wuhan Hubei430064，China）

The electronic current transformer with the strong ability of anti-interference and insulating ability.Most of the application of single low power electronic transformer iron core coil，which do not need to compensate the power electronic circuit，so the accuracy is higher.This paper proposes a bipolar current transformer，on the basis of analyzing the working principle，this paper discusses the principle of error detection，put forward a bipolar designmethod of electronic current transformer calibration system.

electronic current transformer；Error characteristics；research

TM 452

A

1672-545X（2016）05-0212-02

2016-02-20

潘曉敏（1983-），男，湖北孝感人，本科，工程師，研究方向?yàn)榭刂乒こ獭?/p>