基于电流比较仪测试直流互感器误差的方法.pdf

第3 0卷第 5期 湖南电力 H U N A N E L E C T R I C P O WE R 2 0 1 0年 l O月 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 8 - 0 1 9 8 2 0 1 0 0 5 0 1 4 基于电流比较仪测试直流互感器误差的方法 李恺 ，罗志坤 ，欧朝龙 ，白勇智，万全 ( 湖南省 电力公司试验研究院，湖南 长沙4 1 0 0 0 7 ) 摘要 ：本文分析直流互感器的基本结构和测量功能，介绍基于电流比较仪来实现对直 流互感器误差的测试方法。电流比较仪采用磁 芯零磁 通原理对激磁 电流进行反馈补偿 ， 其测量准确度理论上可以达到 1 1 0。 关键词：直流互感器；误差测试；电流比较仪 ；零磁通原理 中图分类号 ： T M 4 5 2 9 2 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 0 0 8 4 3 1 9 8 ( 2 0 1 0 ) 0 5 - 0 0 4 1 4 3 4 M e t ho d t o me a s ur e t he e r r o r o f DC t r a n s f o r me r s ba s e d o n c ur r e nt c o mpa r a t o r L I K a i ，L U O Z h i k u n ，O u C h a o l o n g ，B A I Y o n g z h i ，WA N Q u n ( H u n c h E l e c t r i c P o w e r T e s t & R e s e a r c h I n s fi t u e ，C h a n g s h a 4 1 0 0 0 7 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h i s a r t i c l e a n a l y z e s t h e b a s i c p r i n c i p l e a n d m e asu ri n g f u n c t i o n o f d i r e c t c u n t ( D C) t r a n s f o r ln e r $ ，a n d i n t r o d u c e s a me t h o d t o me a s u r e t h e e l l o r o f DC s f o l 3 fl tle r s b a s e d o n c u r r e n t c o mp a r a t o r Th e c u r r e n t c o mp a r a t o r c o mp e n s a t e s f o r r e a c t i v e l y e x c i t a t i o n c u r r e n t b y t h e z e r o flu x p r i n c i p l e a n d me asu r e me n t a c c u r a c y c a n rea c h 11 0_。 i n t h e o r y Ke y wo r d s ： DC t r a n s f o r me r s ； I T O r t e s t ；c u r r e n t e o mp a r a t o r ；Z e r o fl u x p rin c i p l e 随着电力电子和高电压技术的迅速发展 ，高压 直流输变电技术 日趋成熟 ，在输送能力和送电距离 上已可与特高压交流竞争，国网公司也计划在湖南 株洲筹建一个 8 0 0 k V的换 流站 。用于直流 电测 量的互感器是直流输变 电工程 中的重要设备 ，通过 直流侧电压、电流、电能的测量，可以监测线路运 行的状况 ，并计算电能的转换效率 ，以判断换流设 备的运行参数是否达到要求。 为了保证直流测量系统的正常运行 ，对直流测 量装置 ( 直流互感器) 的验收试验 和周期校 验是 计量部门要开展的日常工作 ，而直流互感器在原理 上也有别于交流测量系统，为此必须研制新的直流 互感器校验系统。 等几种 。在高压直流电的测量中，其核心就是直流 互感器 ，它将一次侧的高压、大电流转换成二次侧 低压、小电流。传统的交流互感器基于法拉第电磁 感应原理工作 ，而 目前技术较成熟的直流互感器主 要是采用霍尔元件的直流电流互感器和采用分压 电 阻的直流电压互感器 。 1 直流电的测量 1 1 直流电参数主要包括电流、电压、功率、电能 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 5 - 2 8 图 1 霍 尔元件测量直流电流的工作原理 基于霍尔元件的直流电流互感器 直流电流互感器有电工式和零磁通型 ，后者使 4l 第 3 O卷第 5期 湖南电力 2 0 1 0年 l 0月 用较多。零磁通型采用霍尔元件检测磁通，如图 1 所示，在磁场 B作用下， 顺着霍尔元件 A a 方向 通以电流 ， ，由于运动的电荷在垂直于运动方 向的 磁场 B作用下会受到垂直于运动方向和磁场方向 的作用力而发生偏移，于是正负电荷分别聚集到霍 尔元件的V v 面，就会产生电势差 u 。 ： 式中 z为霍 尔 元件 厚度；R 为 霍 尔 系数， R = p ； p为霍尔元件电阻率； 为电子迁移率。 = R l ， 定义为霍尔灵敏度。 这种互感器 的一次 电流可达 3 0 0 k A，霍尔器 件的二次输出电压一般为0 5 V 。霍尔器件是半 导体器件，其霍尔系数、输人输出电阻、剩余电势 等与温度有关，存在较大的温度误差，温度对霍尔 电势的影 响为 0 0 2 一0 1 C。另外 由于霍尔 元件的非线性和零点漂移影响 ，常要采用复杂的补 偿电路及恒温措施将误差降至 0 2 以下。 1 2 基于分压电阻网络的直流电压互感器 图2 基于分压电阻网络的直流电压互感器 直流电压互感器主要有电阻分压器和串联电阻 板 2种。 电阻分压器由精密线绕电阻组成高压臂 ( 阻 值为百 k n至 M I ) 级) 、低压臂 ( 阻值为 k Q级) ， 二次电压经光耦隔离输出，如一种投人使用的直流 电压互感器变换比为5 0 0 k V 6 V 。线绕电阻电感较 大 ，需大量均压电容弥补。如图2所示为基于分压 电阻网络的直流电压互感器的结构 ，其 中 月 为主 4 2 电阻 ， 为屏蔽 电阻 ，c 为主 电阻和屏蔽电阻间 的寄生电容， c 为屏蔽电阻的对地电容。 为一 次侧高压， 为二次侧测量电压，若不考虑寄生 电容和对地电容 的影响，则分压 比为 ： 一 go ： 善 ( 2 )U i E“ R 、。 但是 ，由于电阻量的漂移和寄生电容、对地电 容的影响，实际使用的直流电阻分压器都要加上反 馈补偿环节。 串联电阻板型由导电材料、玻璃粘结剂 、有机 粘合剂配成浆料 ，由印制、烘干、调 校等工艺制 成 ，其阻值可达数千兆欧。这种电阻是无感的，可 不设均压电容。电阻柱的接地电流通过零磁通直流 互感器变换后输出，如一种投入使用的直流电压互 感器变换 比为 7 5 0 k V 7 5 m A。 2 电流 比较仪对 直流互感器误差的测 试 现场应用 的直流互感器准确度等级可达到 0 2 级 ，这就要求标准直流互感器的准确度等级至少要 达到 0 0 5级 。电流 比较仪是基于磁芯零磁通设计 对激磁 电流进行 反馈补偿 的，因此测 量准确度很 高 ，可 以满足 0 0 5级甚至更高的准确度要求 。 2 1 电流比较仪对直流电流测量 图 3为常用的电流比较仪对直流电流的测量原 图 3 电流比较仪 对直 流 电流的测 量 理， 其中 为一次侧直流电流， 为二次测量电 流， 为激励电流， D ， ， ， 为同磁芯绕 组。虬 ， 匝数相同，流过 的电流大小相 同，相 位相差 1 8 0 。 ，因此它们对磁芯的磁密影响为零。 第3 0卷第5期 李恺等：基于电流比较仪测试直流互感器误差的方法 2 0 若 ， 绕组电流满足安匝比平衡 ，即 = ，则磁芯磁密为零，那么 ， z 为正负峰值相同 的正弦交流。 如果 ， 绕组 电流不满足安 匝比平衡 ，即 D ， | ，则磁芯中存在方向固定的磁密。 在调制振荡器的正弦激励下，绕组 ， 半波饱 和，半波不饱和 ，绕组电抗发生周期性变化 ， 为 正负峰值不同的交变电流，如图 4所示 。 O 图4 为正负峰值不 同的交变电流 当 J ： 正负峰值不同时，峰值检测器将会输 出 1 个电流信号。信号经放大后补偿二次电流 ，直到 ， 绕组电流满足安匝 比平衡 ，即 = N p o 如图 5所 示，L F 3 9 8为采 样保持 器 ，C ，C ： 为比较器 。当 V o 时，L F 3 9 8逻辑控制端被置 为高电平 ，L F 3 9 8处于采样状态 ，V o =V 1 ；当 V o 0 ；一次侧 电流为反 向时 ，U o 0 。并且 的大小跟一次侧 电流大小 有关。 经运算放大器处理后 ，加在二次绕组 上，形成二次测量电流 ，满足 ， p = 。 2 2 基于电流比较仪的标准直流分压器 测量直流电压可以使用高压分压器，而为了达 到高准确度要求 ，分压器都引入 了反馈补偿环节 。 图 6所示 的直流高压分压器就是利用电流比较仪进 行反馈补偿。 图 6 基于直流比较仪的标准直流高压分压器 为反馈 电流， 为补偿 电流 ，L =E R ， I N=E R 。 当 电流 比较 仪 满 足零 磁 通 条 件 时， L N 1 = l u 2 ，E N l R = E 2 R 。当不满 足零磁通条件时， 对输出进行补偿，最终使反馈 电流 ， 与一次电流 满足安匝比平衡 ，即 。 43 第 3 0卷第 5期 湖南电力 2 0 1 0年 l O月 = I N N z 。因此 ，这种直流高压分压器的分压比为 E 日 E L = ( R 。 N1 ) ( R L N 2 ) 。 2 3 具有数字输出直流互感器的误差测试 图 7为数字输出的直流互感器校验原理图。被 试品为直流电流互感器，则标准直流电流互感器与 之串联，同时测量一次电流大小，测量值经模 数 转换并带上时标后后进行比对；若被试品为直流电 压测量装置 ，则标准直流电压互感器与之并联，同 时测量一次侧电压 ，测量量经模 数转换并带上时 标后进行 比对。通过间接比对的方法可测得被试互 感器的误差。 图7 数字输 出的直流互感器校验原理 3 误差分析 由于零磁通要求 日 d l =0 ，但是实际的装置 不可能达到这点，而对 日 d f 残值的定量测定就 是对直流比较仪误差的标定。残值与系统 的调制灵 敏度、放大倍数、比例铁芯抗外场干扰性能有关 ， 分述如下： ( 1 )调制灵敏度。当一次侧直流电流变化时， 调制振荡器输出波形的正负峰值将会发生变化，此 。 。 - 0 ( 上接第 3 8页) 6廖有为 ， 曹树印， 钟萍 ， 等 喷涂聚脲涂料 在混凝土结 构表面保 护领域的应用研究 J 上海涂料 ， 2 0 0 8 ， 4 6 ( 8 ) ： 2 2 - 2 5 7 )廖有为 风电叶片用聚天门冬氨酸酯涂料的开发 C 2 0 0 9 中国 ( 北京 )首届 喷涂聚脲峰会论文集 ，2 0 0 9 ：2 3 9 - 2 4 3 ( 8 廖有为，曹树印，赵舒超，等喷涂聚脲防水涂层体系的确 定及其在 “ 南水北调”工程中的应用研究 J 中国涂料， 2 0 0 9 ( 1 O ) ：3 5 - 3 9 作者简介 廖有为( 1 9 7 2 一) ，男，高级工程师，湖南省腐蚀与防护学会副理 4 4 时峰值检测器要经过一定反应时间才会将输出进行 调整。而且峰值检测器对检测正负峰值存在误差， 输出后经过放大使得误差也得到放大。 ( 2 )放大倍数。由于运算放大器的非线性影 响和电阻的零点漂移使得放大倍数存在误差。 ( 3 )铁芯受 到外磁 场干扰 ，根据全 电流定律 可得出 + H d l ，其中 为反馈电流， 为 补偿 电流，这就给电流比较仪带来 了误差。 4总结及展望 直流输 电的发展前景广阔，其应用将会越来越 多 ，这对直流计量工作提出了新的要求 。而电流比 较仪基于零磁通原理 ，常常用于反馈补偿 ，很多标 准仪器都使用电流比较仪来提高精度。同样，基于 电流 比较仪的直流计量标准仪器也可以满足其对精 度的要求 ，具有广阔的运用前景。 参考文献 1 赵有斌 ，赵华峰直流输 电用 4 - 5 0 0 k V电压 传感器及 电流传 感器的研制 J 高压电器2 0 0 5 ( 8 )：2 9 9 - 3 0 0，3 0 3 ( 2 王乐仁，雷 民，章述汉特高 压直流 换流站 电流 电压传 感器 的测量误差 J 高电压技术2 0 0 6 ( 1 2 ) ：1 6 4 - 1 6 7 3 宗建华 ，闫华光，杨林电流比较 仪技术在精密测量中的应用 J 电测与仪表 ，2 0 0 3 ( 5 )：5 1 O 4 叶晓慧 ，李小珉，张森 峰值检 测器量 程 自动转 换 的一种 实 现方法 J 长江大学学报 ( 自科版 ) 2 0 0 4 ( 4 ) ：1 4 1 6 ( 5 李莉 ，才滢零磁通直 流电流传 感器及其 在电流标 准源 中的 应用 J 宇航计测技术2 0 0 6 ( 5 ) ：3 7 -4 0 作者简介 李恺( 1 9 8 5 一) ，男 ，湖南 长沙人 ，助理工程 师