電流互感器計量繞組的直流偏磁自動補償裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種電流互感器計量繞組的直流偏磁自動補償裝置，其特征在于：電流互感器的計量鐵芯上具有計量繞組和補償繞組兩個獨立繞組，所述補償繞組與直流偏磁自動補償裝置連接。直流偏磁自動補償裝置用于檢測電流互感器二次側計量繞組輸出信號中的偶次諧波分量的大小及相位，從而控制直流電流源向電流互感器二次側補償繞組注入相應量的反向直流電流作為補償電流，補償電流在補償繞組中產生磁場，抵消一次側直流所產生的磁場，從而實現(xiàn)對電流互感器直流偏磁的自動在線補償。本裝置對電流互感器直流偏磁的自動補償效果顯著。
【專利說明】電流互感器計量繞組的直流偏磁自動補償裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及電流互感器計量繞組的一種直流偏磁自動補償裝置，具有對直流偏磁進行自動補償?shù)墓δ?，屬于電力系統(tǒng)電磁測量領域。
【背景技術】
[0002]作為變電站一次設備的重要組成部分，電流互感器在變電站中具有為后續(xù)計量、保護及監(jiān)控設備提供測量信號的重要作用，其運行的可靠性和穩(wěn)定性非常重要。
[0003]交、直流混合運行的電網結構使得交、直流系統(tǒng)之間的相互影響越加明顯，雙極高壓直流輸電線路檢修或單極故障時需以單極-大地回線方式運行時，會有很大的直流電流流過接地極，此時會在大地上形成恒定的直流電流場，產生地表電位差，在交流網絡中變壓器繞組、架空線和大地形成的回路中產生直流電流，從而在變壓器和電流互感器回路中產生直流偏磁。直流偏磁會加劇電流互感器的鐵心飽和磁化，引起電流互感器發(fā)生磁滯畸變，改變電流互感器的傳變特性，引起電流互感器的測量誤差，從而影響電流互感器的計量和保護性能。
[0004]以2013年錦蘇特高壓直流運行工況統(tǒng)計看，錦蘇2013年錦蘇特高壓直流不對稱運行或單極大地運行方式主要集中在I月初末、2月中下旬、5月中下旬、6月初、7月中旬、9月中旬等期間，最長單次持續(xù)時間5天，最短持續(xù)3小時，入地直流最大達4000A。全年累計單極對地運行時間267小時，累計不對稱運行89小時。直流輸電單極運行造成的直流偏磁會使電流互感器產生計量誤差偏大，還會對電網安全穩(wěn)定運行產生隱患。
[0005]目前，抑制直流偏磁主要采取限流、隔直、注入反向直流以及電位補償?shù)姆椒ǎ?⑴中性點串聯(lián)電阻；⑵中性點串聯(lián)電容；⑶線路串聯(lián)電容；(4)中性點注入反向直流電流；(5)直流地電位補償法。以上方法均采用簡化的電路模型，忽略了變電站接地網絡、土壤結構、電網拓撲網絡以及變電站變壓器的直流電阻和輸電線路的直流電阻等相關影響因素，導致誤差較大。變電站間的輸電線路是直流電流流通的主要通道，由于500kV站的主變壓器多為直接接地運行方式，因此當各變電站的直流地電位存在顯著差異時，各變電站主變和站間線路上會有直流電流通過。由于500kV輸電線路的直流電阻較小，所以只要有較小的電位差就能夠激起較大的直流電流。由于變電站接地電阻、站間線路直流電阻和主變繞組直流電阻存在差別，導致變壓器各相流過的直流幅值并不相同。常州武南變、蘇州吳江變等站的實測數(shù)據(jù)結論已證明此結論。
[0006]因此，在電流互感器二次側開展消除或減小直流偏磁對電流互感器影響的相關實驗研究，能彌補目前直流偏磁抑制技術的不足，是亟待研究和開發(fā)的新技術。
實用新型內容
[0007]本實用新型所要解決的技術問題是:在電流互感器二次側消除或減小直流偏磁對電流互感器影響。
[0008]為解決上述技術問題，本實用新型采用以下技術方案。[0009]電流互感器計量繞組的直流偏磁自動補償裝置，其特征在于:電流互感器主體的計量鐵芯上具有計量繞組和補償繞組，所述補償繞組與直流偏磁自動補償裝置連接。
[0010]前述的電流互感器計量繞組的直流偏磁自動補償裝置，其特征在于:所述計量繞組和補償繞組為同一鐵芯的兩個獨立線圈，如圖中線圈K1K2和線圈K3K4，K2K3不連接)，或同一鐵芯一個線圈的不同抽頭(如圖中Κ1Κ2Κ4，Κ2Κ3連接)。
[0011]前述的電流互感器計量繞組的直流偏磁自動補償裝置，其特征在于:直流偏磁自動補償裝置安裝在電流互感器底座上。
[0012]前述的電流互感器計量繞組的直流偏磁自動補償裝置，其特征在于:所述直流偏磁自動補償裝置包括標準變換器，標準變換器串聯(lián)接入計量繞組二次回路，將電流互感器二次側電流信號轉換為電壓信號；
[0013]標準變換器的輸出信號接入阻抗變換電路，阻抗變換電路具有高輸入阻抗，使信號傳輸路徑有合適的阻抗匹配；
[0014]阻抗變換電路的輸出信號經過倍頻電路之后轉換為倍頻信號，作為相敏檢波的參考信號；阻抗變換電路的輸出信號同時經過帶阻濾波電路之后，作為相敏檢波的輸入信號;
[0015]倍頻電路用于產生相敏檢波電路所需的參考信號，帶阻濾波電路用于濾除工頻信號，增大信噪比；
[0016]相敏檢波電路用于提取電流互感器二次側輸出信號的偶次諧波信號；
[0017]相敏檢波電路的輸出信號通過低通濾波電路，濾除相敏檢波輸出信號的高頻成分，得到直流成分；
[0018]低通濾波的輸出信號經負反饋控制器進行計算和負反饋調整后輸出。最終控制壓控電流源輸出與一次直流電流成比例的直流補償電流，使得二次輸出偶次諧波最小，此時直流電流作為電流互感器二次側補償繞組的補償電流，達到最佳補償效果，直流補償電能能夠抵消一次電流直流分量對電流互感器直流偏磁的影響。
[0019]負反饋控制器包括減法器和一個PID控制器，輸入信號和設定值相減作為PID調節(jié)器的輸入，經PID調節(jié)后，信號輸出。
[0020]本實用新型的工作原理:本實用新型設計了電流互感器計量繞組的直流偏磁自動補償裝置，電流互感器計量鐵芯上具有計量繞組和補償繞組兩個獨立繞組，計量繞組作為電流互感器正常工作的輸出繞組，而補償繞組用于注入補償電流，以抵消直流偏磁對電流互感器特性的影響，從而具有直流偏磁自動補償功能。直流偏磁自動補償裝置用于檢測電流互感器二次側測量繞組輸出的偶次諧波分量的大小及相位，從而控制直流電流源向電流互感器二次側補償繞組注入相應量的反向直流電流作為補償電流，補償電流在補償繞組中產生磁場，抵消一次側直流所產生的磁場，從而實現(xiàn)對電流互感器直流偏磁的自動補償。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本實用新型電流互感器計量繞組的直流偏磁自動補償裝置整體結構示意圖；
[0022]圖2是本實用新型電流互感器計量繞組的直流偏磁自動補償裝置安裝結構示意圖，[0023]圖3是電流互感器計量繞組的直流偏磁自動補償裝置的原理框圖；
[0024]圖4是電流互感器計量繞組的直流偏磁自動補償裝置的試驗接線圖；
[0025]圖5是電流互感器計量繞組的直流偏磁自動補償裝置的負反饋控制器原理框圖。
[0026]圖中:11-母線，12-電流互感器，13-正常計量繞組輸出抽頭，14-補償繞組抽頭，15-直流偏磁補償裝置，16-220V電源插頭，17- 二次取能線圈。
[0027]1-調壓器，2-升流器，3-直流電流源，4-電容柜，5-標準電流互感器，6_被校電流互感器，7-標準信號變換箱，8-直流偏磁補償裝置，9 -互感器校驗儀。
[0028]【具體實施方式】
[0029]結合附圖對本實用新型作進一步的描述。
[0030]如圖1所示，電流互感器計量鐵芯上具有計量繞組和補償繞組，其中計量繞組和補償繞組可以為同一鐵芯的兩個獨立線圈，如圖1中線圈K1K2和線圈K3K4，K2K3不連接，也可以為同一鐵芯一個線圈的不同抽頭，如圖1中K1K2K4，K2K3連接。計量繞組作為電流互感器正常工作的輸出繞組，而補償繞組采用多抽頭電流互感器的未使用繞組或專為實現(xiàn)補償作用設計的二次繞組，用于注入補償電流。直流偏磁自動補償功能的實現(xiàn)，是通過檢測電流互感器二次側輸出的偶次諧波分量的大小及相位，控制直流電流源向電流互感器二次側補償繞組注入相應量的反向直流電流作為補償電流，補償電流在補償繞組中產生磁場，抵消一次側直流所產生的磁場，從而實現(xiàn)對電流互感器直流偏磁的自動在線補償。整個補償過程為閉環(huán)控制，第一次補償如果沒有完全消除直流偏磁的影響，則互感器二次輸出仍有二次諧波分量，通過檢測二次諧波分量，繼續(xù)對直流偏磁進行補償，直至輸出中不含二次諧波分量為止。
[0031]直流偏磁自動補償技術首先需要檢測電流互感器輸出的二次諧波含量，以此定量評估一次側直流量，從而控制電流源產生相應的補償直流以減小或者抵消一次側直流影響。直流偏磁自動補償方案的難點主要在于定量獲取二次諧波含量，并根據(jù)二次諧波含量自動產生補償直流電流。為此，設計了電流互感器直流偏磁自動補償裝置，采用了標準變換器技術、阻抗變換技術、倍頻技術、帶阻濾波技術、基于相乘原理的相敏檢波技術、多級濾波技術、壓控電流源技術。
[0032]標準信號變換器串入計量繞組二次回路，將電流互感器二次側電流信號轉換為電壓信號，用于獲取電流互感器二次側電流信號作為直流偏磁自動補償裝置輸入。該變換器主要起到信號隔離、獲取信號的作用。為了保證不影響電流互感器原二次側負荷，設計的標準信號變換器通過小CT進行隔離，保證電流互感器二次側不會開路，安全可靠。小CT的二次輸出電流接電阻R則變換為電壓信號，作為直流偏磁自動補償裝置輸入。標準信號變換器一次負荷小于0.25VA，負荷很小，基本不改變電流互感器原二次負荷的分布情況。
[0033]標準變換器的輸出信號接入阻抗變換電路，阻抗變換電路具有高輸入阻抗，使信號傳輸路徑有更合適的阻抗匹配。阻抗變換后的信號一方面經過倍頻電路之后轉換為倍頻信號，作為相敏檢波的參考信號；另一方面經過帶阻濾波電路之后，作為相敏檢波的輸入信號。倍頻電路用于產生相敏檢波電路所需的參考信號，帶阻濾波電路用于濾除工頻信號，增大信噪比。輸入信號與參考信號兩路信號作為相敏檢波電路的輸入信號，相敏檢波電路用于提取電流互感器二次側輸出信號的偶次諧波信號。相敏檢波電路的輸出信號通過低通濾波電路，濾除相敏檢波輸出信號的高頻成分，得到直流成分。低通濾波之后的信號經過壓控電流源電路，產生與偶次諧波含量成正比的直流電流，以此作為電流互感器二次側補償繞組的補償電流，以抵消直流偏磁對電流互感器特性的影響，從而實現(xiàn)對互感器直流偏磁的自動補償，減小直流偏磁對互感器測量精度的影響，提高互感器的測量準確度。
[0034]直流偏磁自動補償裝置電源供電可以采用一次外接電源供電，也可以采用一次線圈取能供電。當一次電源供電時采用外接電源供電時，需要用到電源模塊，能夠保證直流偏磁自動補償裝置正常供電。當一次線圈取能供電時，則設計為額定一次電流的3%開始工作點工作，當一次電流小于額定值3%時，直流偏磁給互感器帶來的測量誤差相對于互感器本身在額定3%測量點誤差較小，則直流偏磁自動補償裝置停止工作，不進行直流偏磁補償。
[0035]設計的直流偏磁自動補償裝置在正常工作情況下，不會影響電流互感器的正常運行。下面是正常工況下對電流互感器計量的影響進行的分析。
[0036]該裝置的輸入信號取自電流互感器的二次繞組，如圖1，當補償繞組和計量繞組相互獨立時，補償繞組K3K4的直流電流不會感應到二次繞組K1K2 ；當補償繞組和計量繞組為同一線圈的不同抽頭時，補償繞組的直流電流只在補償繞組K3K4回路流過，不會流經二次繞組K1K2。補償繞組K3K4接壓控電流源，其阻抗趨近于無窮大，因此補償繞組也不會影響二次繞組交流電流。因而該裝置在實際運行時不會對電流互感器計量本身產生不利影響。
[0037]設計的直流偏磁自動補償裝置在該裝置出故障的情況下，也不會影響電流互感器的正常運行。下面是對該裝置出現(xiàn)故障情況下對電流互感器計量的影響進行的分析。
[0038]I)電流互感器和補償裝置之間的連線斷線
[0039]如果互感器和補償裝置之間的連線斷線，如圖1所示，其中a點斷線，則補償裝置的輸入信號為0，其輸出直流也為0，此時不對互感器進行補償。
[0040]2)補償裝置誤出直流
[0041]直流偏磁電流的大小一般不會超過某一極限，則補償裝置的輸出也不應該超過此值。補償裝置電路中設計了保護電路部分(圖Ι-b)，當補償裝置輸出電流過大時，則保護電路動作，使裝置輸出為0，不進行補償。
[0042]3)補償裝置供電回路斷路或短路
[0043]當補償裝置供電回路斷路時，如圖1所示，c點斷路，補償裝置沒有供電，則輸出直流為0，即不補償。
[0044]當供電回路短路時，由于短路時電流較大，補償裝置中的供電回路中設計了相應的熔斷器，短路時自動熔斷，將供電回路斷開，此時補償裝置的輸出直流仍然為O。
[0045]總之，直流偏磁在線補償裝置即使在出故障的情況下，最壞的結果就是不對互感器進行直流偏磁補償，但不會影響互感器的正常運行。
[0046]圖3為電流互感器計量繞組的直流偏磁自動補償裝置的原理框圖，主要包括標準變換器、阻抗變換電路、倍頻電路、帶阻濾波電路、相敏檢波電路、低通濾波電路、壓控電流源電路等。
[0047]標準變換器串入計量繞組二次回路，將電流互感器二次側電流信號轉換為電壓信號。標準變換器的輸出信號接入阻抗變換電路，阻抗變換電路具有高輸入阻抗，使信號傳輸有更合適的阻抗匹配。
[0048]阻抗變換后的信號一方面經過經過整形倍頻為100Hz，作為相敏檢波的參考信號；另一方面經過50Hz帶阻濾波之后，作為相敏檢波的輸入信號。倍頻電路用于產生相敏檢波電路所需的參考信號，帶阻濾波電路用于濾除工頻信號，增大信噪比。
[0049]輸入信號與參考信號兩路信號作為相敏檢波電路的輸入信號，相敏檢波電路用于提取電流互感器二次側輸出信號的偶次諧波信號。相敏檢波電路的輸出信號通過低通濾波電路，濾除相敏檢波輸出信號的高頻成分，得到直流成分。
[0050]低通濾波之后的信號經過壓控電流源電路，產生與偶次諧波含量成正比的直流電流，以此作為電流互感器二次側補償繞組的補償電流，以抵消直流偏磁對電流互感器特性的影響，從而實現(xiàn)對互感器直流偏磁的自動補償，減小直流偏磁對互感器測量精度的影響，提高互感器的測量準確度。
[0051]圖4為電流互感器計量繞組的直流偏磁自動補償裝置的試驗接線圖。為了測試該自動補償裝置的性能，在設計完成該自動補償裝置之后，對其性能進行了驗證性試驗，試驗按照圖3的試驗接線圖接線。試驗用到的設備包括:1_調壓器，2-升流器，3-直流電流源，4-電容柜，5-標準電流互感器，6-被校電流互感器，7-標準信號變換箱，8-直流偏磁補償裝置，9 -互感器校驗儀。交流電流源采用調壓器1、升流器2組成，調壓控制升流器輸出交流大電流；直流電流源3產生直流電流；電容柜4用于隔離直流，使直流電流不會流過交流升流器，同時直流電流源具有高輸出阻抗，使得交流電流流過直流電流源，因而標準電流互感器5將只有交流電流通過，而本設計的新型電流互感器6將流過交流大電流和直流電流的疊加電流，此時本設計的電流互感器計量繞組的一種直流偏磁自動補償裝置將會產生直流偏磁。
[0052]根據(jù)實驗接線圖，將被校電流互感器計量繞組輸出的電流信號經標準信號變換箱7轉換為電壓信號后接入直流偏磁補償裝置8，直流偏磁補償裝置的輸出信號反饋到電流互感器補償繞組，使用互感器校驗儀9對同一時刻的標準電流互感器和本設計的新型電流互感器兩路輸出信號進行校驗，測試比差、角差。分別對未補償和補償線之后的互感器準確度進行測試，并進行對比。
[0053]未加補償裝置時的實驗表明，自動補償裝置能檢測出電流互感器偏磁情況，其輸出的直流電流和一次電流DC含量有一定比例關系。
[0054]加補償裝置后的實驗表明，自動補償裝置通過定量獲取偶次諧波含量，能夠判斷互感器偏磁情況，并輸出反向直流電流自動進行補償，補償效果顯著。
[0055]實驗證明，本設計的電流互感器計量繞組的一種直流偏磁自動補償裝置，能夠實現(xiàn)對直流偏磁的自動補償，補償效果顯著。
【權利要求】
1.電流互感器計量繞組的直流偏磁自動補償裝置，其特征在于:電流互感器主體的計量鐵芯上具有計量繞組和補償繞組，所述補償繞組與直流偏磁自動補償裝置連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的電流互感器計量繞組的直流偏磁自動補償裝置，其特征在于:所述計量繞組和補償繞組為同一鐵芯的兩個獨立線圈，或同一鐵芯一個線圈的不同抽頭。
3.根據(jù)權利要求1所述的電流互感器計量繞組的直流偏磁自動補償裝置，其特征在于:直流偏磁自動補償裝置安裝在電流互感器底座上。
4.根據(jù)權利要求1所述的電流互感器計量繞組的直流偏磁自動補償裝置，其特征在于:所述直流偏磁自動補償裝置包括標準變換器，標準變換器串聯(lián)接入計量繞組二次回路，將電流互感器二次側電流信號轉換為電壓信號； 標準變換器的輸出信號接入阻抗變換電路，阻抗變換電路具有高輸入阻抗，使信號傳輸路徑有合適的阻抗匹配； 阻抗變換電路的輸出信號經過倍頻電路之后轉換為倍頻信號，作為相敏檢波的參考信號；阻抗變換電路的輸出信號同時經過帶阻濾波電路之后，作為相敏檢波的輸入信號； 倍頻電路用于產生相敏檢波電路所需的參考信號，帶阻濾波電路用于濾除工頻信號，增大信噪比； 相敏檢波電路用于提取電流互感器二次側輸出信號的偶次諧波信號； 相敏檢波電路的輸出信號通過低通濾波電路，濾除相敏檢波輸出信號的高頻成分，得到直流成分； 低通濾波的輸出信號經負反饋控制器進行計算和負反饋調整后輸出，最終控制壓控電流源輸出與一次直流電流成比例的直流補償電流，使得二次輸出偶次諧波最小。
5.根據(jù)權利要求4所述的電流互感器計量繞組的直流偏磁自動補償裝置，其特征在于:所述負反饋控制器包括減法器和一個PID控制器，輸入信號和設定值相減作為PID調節(jié)器的輸入，經PID調節(jié)后，信號輸出。
【文檔編號】G01R35/02GK203720342SQ201420112010
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年3月12日 優(yōu)先權日:2014年3月12日
【發(fā)明者】王忠東, 萬達, 李紅斌, 黃奇峰, 陳剛, 陳銘明, 盧樹峰, 楊世海, 駱翻鈿, 李振華, 朱曉龍, 田正其, 崔林 申請人:國家電網公司, 江蘇省電力公司, 江蘇省電力公司電力科學研究院, 華中科技大學