3种电子式电流互感器的传变特性分析与比较

谢琼香，何瑞文，蔡泽祥，李佳曼

（1.广东工业大学自动化学院，广州 510006；2.华南理工大学电力学院，广州 510000）

电子式电流互感器ECT（electronic current transformer）的出现，解决了传统的电磁互感器存在的磁饱和、暂态精度低以及谐波测量的欠缺等方面的问题[1]，以其数字化输出和适应网络化接线等明显优势适应了继电保护系统和测量装置向微机化和数字化方向的发展趋势，成为电力系统研究与应用的一个热点。

根据IEC 60044-8标准，ECT采用光学装置、空芯线圈（有或无内置积分器）及配有并联取样电阻用作电流电压转换的铁心线圈3种不同类型传感器作为一次转换部分，不同类型的ECT所表现的优势及存在的约束条件也不一样，为了探讨之间存在的差异性，本文从准确度、饱和特性、频率特性及暂态特性等方面对3种ECT进行了实验研究与比较分析，为ECT在数字化变电站的应用研究提供一些实际的参考价值。

1 实验研究方案

ECT的饱和特性接线示意如图1所示，实验结构由升流装置、标准通道、被测通道和WYET-1A型电子式互感器校验仪4部分组成。标准通道由标准电流互感器构成；被测通道由被测互感器、信号处理电路、A/D采样板、合并单元等组成。被测ECT的对象是Rogowski线圈互感器、低功率电流互感器LPCT（low power current transformer）以及全光纤电流互感器FOCT（fiber optical current transformer）。标准通道和被校通道通过全球定位系统GPS（global positioning system）秒脉冲分频后同步采样，WYET－1A型电子式互感器校验仪通过采集标准通道和被校通道传递的电参量，并将同一时刻的2个信号进行比对处理，通过自带的算法计算出被校ECT的误差情况。

图1 ECT的饱和特性接线示意Fig.1 W iring of ECT saturation characteristic

ECT频率特性接线如图2所示，校验仪采集继保测试仪和被校通道传递的电参量，计算出误差并显示波形。ECT暂态特性的实验接线和频率特性类似，不同之处在于标准通道和被测通道分别经过A/D采样板和合并单元的2个通道，由于发生故障的暂态过程的时间很短，通过ZH－5N网络报文分析装置代替电子式互感器校验仪来显示其波形，该装置具有数据录波和录波回放功能。

图2 ECT的频率特性接线Fig.2 W iring of ECT frequency characteristics

采用等安匝法进行实验，设额定一次电流600 A，一次线圈等安匝数200匝，则一次等效额定电流为3 A。即通过等安匝法放大等效一次大电流，以满足实验室测试条件。

2 实验结果分析与比较

2.1 准确度

通过在继电保护测试仪中设置不同的工频被测电流，并分别在5%、20%、100%、120%的额定电流下测试其互感器准确性，经过电子式校验仪得出的误差见表1。

表1 不同百分数额定电流下互感器的准确性Tab.1 Accuracy of transformers with the different percentage of rated current

由表1可知，在小电流的测量中，LPCT的准确度最高，达到0.1级；Rogowski线圈互感器在小电流应用中，传感头输出的电压是mV级的，容易受到外界的干扰，准确性难以保障[2～4]。而在额定电流附近，准确度比较高，可以达到0.2级；FOCT在小电流测试中误差最大，在小电流测量当中相位信息不灵敏，导致采样出错，从而出现严重的过零失真现象。但在工频下测量额定电流时准确度可以达到0.2级。

根据校验仪导出的数据还原出5%额定电流下3种ECT的输出波形，如图3所示。

实验表明，LPCT适合作测量用电子式电流互感器，Rogowski线圈互感器和FOCT在小电流测量中都存在着较大的误差。

2.2 饱和特性

设置工频采用一次额定电流600 A，通过等安匝法分别施加5、10、15、20、25倍的额定电流对3种ECT的饱和特性进行测试，结果见表2。

从表2可知，Rogowski线圈电流互感器在不同倍额定电流下比差比较稳定，复合误差在1.5%附近，准确级比较高，可以达到5P；FOCT在5～20倍额定电流下输出的比差较大，其偏振误差来源于起偏器、相位调制器、λ/4波片和光纤传感头线性双折射、圆双折射等[5～7]，实验时一次线圈缠绕的等安匝并不均匀，导致偏振光偏振面的旋转，从而造成FOCT的测量误差。在25倍额定电流输出的时候，比差和角差都很小，复合误差达到4%左右；LPCT的信号处理电路板设计为测量用，被测电流约大于2倍额定电流时，电子电路发生截波现象，被测波形在峰值处达到饱和，此时LPCT传感头还未发生饱和，从电子式校验仪导出传感头及最后输出的数据还原波形，如图4所示。

图3 5%额定电流下3种ECT的输出波形Fig.3 Waveforms of three types of ECT with 5%rated current

表2 不同大电流下的ECT误差Tab.2 ECT errors with different high-current

要观察传感头在大电流下的输出是否饱和，则需要采用示波器直接观察LPCT传感头的情况，传感头分别在5、10、15、20、25倍的额定电流下由示波器导出数据还原出的波形，如图5所示。由图可见，LPCT传感头设计在5倍额定电流下输出波形正常，还未出现饱和现象。随着电流的增大，铁心逐渐进入饱和状态，10倍额定电流时信号波形开始出现失真情况，随着一次电流继续增大，传感头输出波形的畸变程度也越来越明显。

图4 2倍额定电流下LPCT传感头和最后输出波形Fig.4 Output waveforms of LPCT sensor head and the final with double rated current

Rogowski线圈互感器和FOCT具有不饱和特性，适用于测量暂态和稳态交流大电流；LPCT稳态测量精度高，但其包含铁心，虽然在正常工况下铁芯不会饱和，但在短路故障过程中存在重合闸，重合闸操作会产生很大的剩磁通，使LPCT在短时间内迅速饱和，不适合测量大电流和继电保护。

2.3 频率特性

在继电保护测试仪中设置额定电流频率45～1 000Hz，测试ECT的频率特性。根据IEC60044－8和GB/T20840.8中对ECT的规定，ECT应在标准频率范围内满足其准确级要求[8]。标准频率范围中，测量用准确级应为额定频率的99%～101%，保护用准确级应为额定频率的96%～102%。电子式电流互感器在标准频率范围内仍然可以保证准确性，误差情况如表3所示。

频率在45～1 000 Hz范围内变化时，ECT的比差和相差的情况如图6所示。

由图6可见，Rogowski线圈互感器的比差小且比较稳定，而相差随着频率的增大而线性增大，一方面是由于传感头输出信号相差的变化，受其自身结构参数及电磁参数的影响；另一方面是由于电子电路的相频特性，特别是移相电路的相移是随着频率的增大而增大的，移相电路对于不同频率的信号所产生的相移是不一样的，根据实验样机给出的信号处理电路中的移相电路在1 000 Hz所产生的相移为44°，所以高频电流下的相移主要是由移相电路的相频特性造成的；LPCT在不同倍频下的比差和相差比较小，无明显波动；FOCT的相差小，比差随着频率的增大而增大，可以保持在5%范围内，仍然满足IEC60044－8规定的对功率计量的谐波准确度为0.2级的要求。

图5 LPCT在5、10、15、20、25倍额定电流下的电压波形Fig.5 Waveforms of LPCT sensor head with 5、10、15、20、25 times the rated current

因此，ECT的频率特性主要决定于电子线路部分，通过改善电子电路结构使其可以测出高压电力线路上的谐波。ECT具有较宽的测量频率响应范围，能够真实地反映某些高频信号，为基于暂态量的继电保护实现提供准确可靠的数据基础。

2.4 暂态特性

电力系统暂态电流包含有衰减的非周期分量和周期分量，互感器对暂态电流的响应实质上是对各分量响应的叠加，通过在实验装置中设定电流幅值，非周期分量以时间常数τ衰减（τ取40～120ms），在ZH－5N网络报文分析装置进行数据录波和回放来分析这些参数变化对暂态特性的影响。Rogowski线圈、LPCT及FOCT以衰减时间常数为100ms时的暂态波形如图7所示，其中第1条为标准通道得出的电流波形；第2条为被测通道得出的电流波形；第3条通过纵轴放大的、由标准通道与被检通道相减的差值得到的最大瞬时误差电流波形。

表3 额定电流工频附近电子式互感器的误差Tab.3 ECT errors with rated power frequency

图6 在不同倍频下ECT输出的误差情况Fig.6 ECT error situation with different octave

由录波回放出的图形可知，3种ECT的跟随特性总体来讲还是比较好的，其最大瞬时误差电流分别是229 A、66 A、2 A。Rogowski线圈互感器的差值明显是大得多，由于其自身的基本原理不能用于测量稳恒直流，传变一次暂态电流时的误差主要是由直流分量造成的，对交流分量的影响可忽略，故对于变化比较缓慢的非周期分量的测量存在有一定局限性；LPCT得出的最大瞬时误差虽然较小，但是电流大到一定程度时会有饱和现象；FOCT得出的差值最小，只有2 A，可进行直流的测量，能用于高压、特高压场合测量高压直流电流，能够很好地满足电力系统故障录波的要求。

图7 3种ECT在τ=100m s时的暂态波形Fig.7 Transient waveform of three types of ECT withτis100m s

3 结语

通过将3种不同类型的ECT进行实验和比较分析，表明Rogowski线圈电流互感器不含铁心，具有不饱和特性，测量大电流时精度高，但不能用于测量稳恒直流，在测量小电流下准确度难以保障；LPCT稳态测量精度高，但存在铁心饱和问题；FOCT具有不饱和特性，能测量高压直流电流及高压电力线路上的谐波，但在小电流下测量下会出现过零点失真现象导致误差大。尽管电子式电流互感器目前还存在一定的缺陷，还未达到实用化的成熟度，但其优越性是传统互感器无法比拟的。

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