直流偏磁下计量用CT误差特性的研究

(中国电力科学研究院，湖北 武汉 430074)

0 引言

“直流偏磁”是指由于某种原因导致的直流磁势或直流磁通，以及由此引起的一系列电磁效应。直流偏磁对在线运行的变压器绕组会产生较大的直流分量，并影响到线路上的互感器及其他电力设备。直流偏磁主要由太阳风暴引起的地磁感应电流(geomagnetically-induced current,GIC)引起。1989年3月13日，魁北克大停电是因地磁感应电流引起继电保护误动作，导致系统电压剧烈波动而引起的历史上最严重的电力系统瘫痪事件[1]。国内外对直流引起的输配电网的研究多集中于变压器直流偏磁相关的内容[2-3]。

电流互感器(current transformer,CT)的工作原理与变压器一样，也会受到直流偏磁的影响。本文首先建立CT受直流偏磁影响的等效电路，然后使用仿真软件进行仿真测试，最后根据试验数据证明理论与仿真结果的正确性。

1 CT传变特性模型

(1)

(2)

式中：I2为二次电流(有效值)；Z2为二次回路总阻抗；B为磁通密度；H为磁场强度；Ac为铁心有效截面积；Lc为铁心的平均磁路长；μ为铁心材料的导磁率；N1为额定一次匝数；N2为额定二次匝数[7-8]。

将式(1)和式(2)代入仿真软件，得到CT受直流偏磁影响后的二次响应波形如图1所示。CT受直流偏磁影响后二次波形频谱如图2所示。

图1 受直流偏磁影响的CT二次波形

图2 受直流偏磁影响的CT二次波形频谱图

由式(1)和式(2)及图1和图2可见，当存在直流偏磁电流时，产生的磁通导致铁心磁导率μ下降，励磁电流增加。不管偏磁方向如何，原有误差曲线总是向负方向偏移。由于电网一次电流不受电流互感器变化的影响, 磁通密度非线性的增加造成二次电流高次谐波增加,基波有效成分相应减弱[9-10]。磁通密度的高次谐波分量的增加，使得二次感应电势的基波成分比无偏磁情况下减少，造成比差向负方向变化，角差向正方向变化。

2 直流干扰下CT误差测量方法的研究

目前，对电流互感器(CT)进行误差测量时需要使用互感器校验仪。根据互感器校验仪的原理可知，其内部存在感性元器件和容性元器件，这些元件的响应特性受频率影响严重[11-12]。

当测量回路中出现直流分量后，被测CT二次波形发生畸变，非基次谐波分量增加，导致校验仪自身的工作特性发生变化，从而引入测量误差。这种误差是随频率变化而变化的，难以从整体误差中扣除，最终导致测量的直流干扰下电流互感器误差不仅有电流互感器自身的误差，还包括校验仪产生的误差。

基于互感器校验仪的固有特点，根据等安匝原理，将工频电流源和直流电流源两个独立的回路同时穿过被测CT一次回路。50 Hz电流经标准CT，获得的信号通过分流器后作为标准信号进入抗干扰互感器校验仪标准通道CH0。工频信号和直流信号叠加产生的合成电流源经过被测电流互感器后，经标准电阻二次采样，得到的信号作为被测信号进入抗干扰互感器校验仪测量通道CH1。抗干扰CT误差测量线路如图3所示。

图3 抗干扰电流互感器误差测量线路

抗干扰CT误差检测系统分为三个部分：电源部分、信号转化部分和信号分析部分。电源部分由独立的工频电流源和独立的直流源构成。独立的电流源使得电流的幅值调节变得更容易，且测量系统相互独立，溯源性得到解决。信号转化部分主要指标准电流互感器、分流器和被测电流互感器。标准电流互感器CTN仅接入工频电流源中，被测电流互感器CNX同时经过工频电流源和直流电源，CNX与CTN的同名端对接。分流器RN1将CTN的输出电流转化为标准电压信号进入采集卡，分流器RN2将CNX的输出电流转化为被试电压信号进入采集卡。

3 试验验证及数据分析

本文对110 kV线路中使用的常规CT进行了直流干扰下的误差试验。被测CT参数选取如下。

① 变比2×600/1 A，0.2级，微晶合金材料，额定负载10 VA，cosφ=1.0；

② 变比2×600/1 A，0.2级，硅钢片材料，额定负载10 VA，cosφ=1.0；

③ 变比2×600/5 A，0.2级，微晶合金材料，额定负载30 VA，cosφ=1.0；

④ 变比2×600/5 A，0.2级，硅钢片材料，额定负载30 VA，cosφ=1.0。

选择相同参数的不同铁心材料CT，以验证不同磁导率下等值直流对CT误差的影响；选择相同材料、相同一次电流、不同二次输出，以验证占不同比例的电流对CT误差的影响。四种CT的试验误差数据如表1～表4所示。

表1 600/1A微晶合金材料CT误差数据

表2 600/1A硅钢片材料CT误差数据

表3 600/5A微晶合金材料CT误差数据

表4 600/5A硅钢片材料CT误差数据

根据表1数据可知，直流干扰后CT 的比值差向负方向偏移，相位差向正方向偏移。当直流量占CT一次额定电流的1%时，比值差绝对值变化最大点在额定电流5%的测量点，改变了-0.139%；相位差绝对值变化最大点在额定电流5%的测量点，改变了+7.8′。当直流干扰提高到占CT一次额定电流的2%时，比值差绝对值最大变化-1.094%；相位差绝对值最大变化+33.4′。该CT制作的误差等级为0.05级，受到占额定电流1%的直流干扰后，准确度等级为0.2级；当直流到达额定电流的2%时，等级为1.0级。即每提高占额定电流1%的直流干扰后，该CT误差下降2个准确度等级。

根据表2数据可知，当直流量占CT一次额定电流的1%时，比值差绝对值变化最大点在额定电流5%的测量点，改变了-0.133%；相对变化最大点在120%额定电流测量点，这一变化为没有干扰下比值差的0.51倍。相位差绝对值变化最大点在额定电流5%的测量点，改变了+5.2′；相对变化最大点在120%额定电流测量点，这一变化为没有干扰下比值差的1.2倍。当直流干扰提高到占CT一次额定电流的2%时，比值差绝对值最大变化-0.527%；相位差绝对值最大变化+21.3′。该CT制作的误差等级为0.2级，当直流占额定电流1%和2%时，准确度等级都为0.5级。即每提高占额定电流1%和2%的直流干扰后，该CT误差下降1个准确度等级。

对比表1和表2数据可知，直流干扰对CT误差的影响趋势与其铁心材料无关，比值差都是向负方向偏移，相位差都是向正方向偏移。不同点是硅钢片材料受直流干扰后其误差的变化是均匀而平滑的，微晶合金材料受直流干扰后其误差会发生突变，变化后的CT误差测量数据不再呈线性分布，会出现拐点。

表3数据显示微晶合金材料的CT原制作准确度等级为0.1级，受1%直流干扰后准确度等级为1.0。表4数据显示硅钢片材料的CT原制作准确度等级为0.2级，受1%直流干扰后准确度等级为0.5。

对比表1和表3数据可知，对于同一种铁心材料，在相同干扰直流下，二次输出电流大时CT受影响大，即直流量占CT二次输出的比值大时，对CT的误差影响大。这种影响在额定电流越小时越明显。在5%额定电流下，6 A直流对变比600 A/5 A的影响约为对变比600 A/1 A影响的4.3倍；当额定电流达到120%时，影响量减小。可见交流源中直流量的含量对CT误差的改变反应明显。

4 结束语

通过理论推导、软件仿真以及试验验证，对直流干扰下CT误差特性进行了分析，发现在无直流干扰的情况下，超微晶材料制作的CT误差优于硅钢片材料。但由于微晶合金材料的固有特性为初始磁导率高而饱和磁密低，在直流干扰的情况下会使得CT的铁心过饱和磁化。磁密的非线性增加导致二次电流高次谐波的增加，基波有效成分减弱，造成微晶合金材料的CT

在直流偏磁情况下误差远不如硅钢片材料的CT。

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