电力保护电流互感器测量误差检测方法研究

摘要：受多方面因素共同影响，电流互感器测量结果存在较大误差，为此，提出电力保护电流互感器测量误差检测方法。构建电流互感器光-电-磁三维多物理场耦合模型，综合分析将原始的光信号转换为电信号的实现过程。在测量误差分析阶段，引入磁动势和电动势平衡法则，根据磁动势和电动势失衡状态，确定具体的误差程度，实现电力保护电流互感器测量误差检测。测试结果表明，误差检测结果与实际误差之间的差异稳定在0.03 A以内，与对照组相比，准确性和稳定性方面具有明显优势。

关键词：电流互感器" 测量误差检测" 光-电-磁三维多物理场耦合模型" 光信号" 电信号" 磁动势和电动势平衡法则

Research on Measurement Error Detection Method for Power Protective Current Transformer

WU Shuncheng

Ninghe Power Supply Branch of State Grid Tianjin Electric Power Company， Tianjin， 301500 China

Abstract： Due to the joint influence of multiple factors， there is a large error in the measurement results of current transformer. Therefore， a measurement error detection method for power protective current transformer is proposed. A three-dimensional optical-electrical-magnetic multiphysics coupling model of the current transformer was constructed， and the realization process of converting the original optical signal into an electrical signal was comprehensively analyzed. In the measurement error analysis stage， the Magnetomotive Force and Electromotive Force Balance Law is introduced， and the specific error degree is determined according to the imbalance state of the magnetomotive force and electromotive force， so as to realize the measurement error detection of the power protective current transformer. The test results show that the difference between the error detection result and the actual error is stable within 0.03A， which has obvious advantages in accuracy and stability compared to the control group.

Key Words： Current transformer; Measurement error detection; Optical-electrical-magnetic three-dimensional multiphysics coupling model; Optical signals; Signal; Magnetomotive force and Electromotive Force Balance law

电流互感器测量误差产生的原因主要是电流互感器本身的问题，如存在励磁电流，这是输入电流的一部分，它并不传变到二次侧，因此会形成变比误差。针对此，在多二次绕组串级式电流互感器误差计算方法中[1]，利用等效电路和相量图对其工作原理进行详细分析，然后推导出误差计算公式。然而，目前的设计手册和技术资料中较少涉及这方面的内容，因此这种计算方法的应用和普及还存在一定的难度。此外，电流在铁芯中产生的磁通会有铁芯损耗（涡流损失和磁滞损失）[2]，以及运行和使用条件（电流互感器铁芯饱和或二次负载过大），也是误差的一个来源[3]。针对此，以数据相关性分析为基础的电流互感器误差状态评估方法中[4]，通过分析电流互感器输入输出数据之间的相关性，评估其误差状态。这种方法可以实现对电流互感器性能的实时监测和预警，有助于提高电力系统的稳定性和可靠性。然而，这种方法需要大量的历史数据作为支持，而且对数据的质量和完整性要求较高。另外，由于电力系统的复杂性和动态性，数据相关性分析可能会受到多种因素的干扰，从而影响评估结果的准确性。

在此基础上，鉴于电流互感器的测量误差是一个复杂的问题，需要从多个方面进行深入分析，本文提出电力保护电流互感器测量误差检测方法研究，并通过对比测试的方式，分析验证了设计检测方法的性能。

1电流互感器测量误差检测方法设计

1.1三维多物理场耦合模型构建

电流互感器在实际测量过程中，其性能会受到电磁场、温度场、应力场等多种物理场的共同影响，涉及光-电-磁三维多物理场耦合的复杂过程[5]。构建光-电-磁三维多物理场耦合模型能够综合考虑这些物理场之间的相互作用，从而更准确地模拟电流互感器的实际工作状态。为此，本文构建电流互感器光-电-磁三维多物理场耦合模型。

从电磁感应角度分析，电流互感器的耦合模式可以表示为

式（1）中：表示感应电动势（电压）；表示电流互感器线圈的匝数；Ф表示磁通量。当通过电流互感器的磁通量发生变化时，线圈会产生相应的感应电动势[6]。

从法拉第电磁感应定律与电流关系角度分析，其可以表示为

式（2）中：表示电流互感器的二次侧电流参数；表示电流互感器的二次侧的总电阻参数，包括线圈电阻和负载电阻。电流互感器的二次侧电流与感应电动势（电压）之间建立关联关系。

在此基础上，电流互感器的光电转换效率可以表示为

式（3）中：表示电流互感器的光电流参数；表示测量阶段的入射光功率。实现对信号的转化，使其以电信号的形式输出具体的测量结果参数。

按照上述的光-电-磁三维多物理场耦合模型，电流互感器将原始的光信号转换为电信号，实现对目标状态数据的采集。

1.2电流互感器测量误差检测

通过电流互感器光-电-磁三维多物理场耦合模型，可以预测电流互感器在不同工作条件下的测量误差情况，包括变比误差和相位误差等，为误差检测提供更为精确的理论依据。在上述基础上，本文通过引入磁动势和电动势平衡法则，将具体的电流互感器测量误差检测问题转化为磁动势和电动势失衡状态分析问题。其中，引起失衡的原理如图1所示。

在图1中，和分别表示目标测量对象和干扰对象。在x-y坐标系中，和之间的位置关系决定了干扰的影响程度，即最终的误差程度。针对此，本文结合结合1.1部分构建的电流互感器光-电-磁三维多物理场耦合模型，对误差的分析结果可以表示为

式（4）中：表示电流互感器测量的光电流误差参数；表示和之间的水平夹角。一般情况下，和之间的水平夹角为定值，且在运行工况不变的情况下，对应的电流互感器测量误差参数也为恒值。结合式（4）可以看出，在电流互感器与干扰对象之间的位置关系不变的前提下，测量误差与干扰电流的强度成正比关系，即干扰电流越大，对应的测量结果误差越大；相反地，干扰电流越小，对应的测量结果误差越小。

按照上述所示的方式，实现对电流互感器测量误差的检测，为实际的应用提供保障。

2测试与分析

2.1测试准备

为了验证电力保护电流互感器测量误差检测方法的有效性，在测试阶段，本文以某实际的电流互感器装置为基础开展对比测试。对测试装置的具体组成情况进行分析，其主要包括铁（芯硅钢片制成，负责磁场传输和耦合）、初级线圈（多根细铜线绕制，负责接收高电流信号）、次级线圈（输出转换后的低电流信号）、绝缘材料和外壳（聚酰亚胺薄膜，负责保护和绝缘）。在此基础上，对测试电流互感器装置的运行参数进行统计，具体如表1所示。

在具体的测试过程中，分别设置等效电路相量图检测方法，数据相关性分析检测方法以及本文设计的检测方法作为测试的对照组。通过对比分析不同方法的测试结果，对其具体的性能作出客观评价。

2.2测试结果与分析

对于不同方法的检测性能，本文测量某输变电装置一次侧的实际电流大小，并与其所在电力系统监测到的数据结果进行比较，数据结果如表2所示。

结合表2所示的测试结果对3种不同方法的检测结果进行分析，其中，在等效电路相量图检测方法下，对应的误差检测结果与实际误差之间的差异程度相对稳定，但是存在进一步控制的空间，基本在0.24～0.28 A区间范围内；在数据相关性分析检测方法下，对应的误差检测结果与实际误差之间的差异程度波动明显，最大值达到了0.49 A，最小值仅为0.09 A；在本文设计检测方法下，对应的误差检测结果与实际误差之间的差异稳定在0.03 A以内，与对照组相比，其在准确性和稳定性方面具有明显优势。

3结语

为了降低测量误差诊断阶段对电流互感器本身特性和运行条件的依赖性较强，不同条件下的误差特性存在较大差异的情况，进一步深化误差计算方法，以提高其准确性和适用性是极为必要的。本文提出电力保护电流互感器测量误差检测方法，并实现了对具体测量误差程度的精准判断，对于实际的电流互感器校正和应用具有良好的指导价值。

参考文献

[1]贺春安，唐福新，叶飞，等.一种多二次绕组串级式测量用电流互感器设计及误差计算方法[J].变压器，2023，60（12）：6-11.

[2]梁中豪，肖春，杨艳芳，等.三相宽量程电磁式电流互感器的排列方式对测量误差的影响[J]. 系统仿真技术， 2023，19（3）：241-246.

[3]王鹏玮，徐丙垠，陈恒，等.零序电流互感器误差对小电流高阻接地保护影响及选型[J].电力系统自动化，2023，47（12）：154-162.

[4]叶剑涛，李宾宾，黄杰，等.基于数据相关性分析的全光纤电流互感器误差状态在线评估方法研究[J].高压电器， 2022，58（12）：156-162.

[5]王耀，赵玉灿，阎嫦玲，等.基于闭环算法的光学电流互感器的暂态电流误差特性研究[J].高压电器，2022，58（3）：148-154.

[6]刘彤，王晓涵，谢慧勤，等.一种基于自适应控制技术的多台位配网高压电流互感器检定全自动接线装置[J].机械工业标准化与质量，2022（3）：38-42.