胡 琛，張 竹，陳 剛，李 敏，楊愛超，李東江

(1.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司供電服務(wù)管理中心，江西南昌 330096；2.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽合肥 230009；3.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司營(yíng)銷服務(wù)中心,江蘇南京 211103)

0 引言

隨著特高壓直流和交流工程的建設(shè)，中國(guó)電網(wǎng)呈現(xiàn)出交直流混聯(lián)大電網(wǎng)形態(tài)。當(dāng)直流輸電運(yùn)行于單極大地回線或雙極不平衡運(yùn)行方式時(shí)，將會(huì)有高達(dá)數(shù)千安培的直流電流流入大地，部分直流電流流經(jīng)中性點(diǎn)接地的電力變壓器在交流系統(tǒng)中形成回路，從而在變壓器和電流互感器中產(chǎn)生直流偏磁[1-3]。另一方面，地磁暴效應(yīng)產(chǎn)生的地磁感應(yīng)電流(GIC)頻率很低，一般情況下，這種地磁感應(yīng)電流的頻率為0.01～0.1 Hz。

電磁式電流互感器作為電力系統(tǒng)重要的電能計(jì)量器具，其工作是基于電磁感應(yīng)原理，通過鐵芯的磁耦合實(shí)現(xiàn)一次電流到二次電流的變換。當(dāng)一次電流存在直流分量時(shí)，勵(lì)磁電流中也出現(xiàn)了直流分量，由于鐵芯具有非線性勵(lì)磁特性，這將導(dǎo)致電流互感器工作點(diǎn)改變，嚴(yán)重時(shí)鐵芯半周磁飽和，導(dǎo)致電流互感器二次輸出越限，影響電能計(jì)量結(jié)算的可靠性[4-6]。

20世紀(jì)40年代初，國(guó)外學(xué)者對(duì)直流偏磁起因、作用機(jī)理和危害性等進(jìn)行了研究，但是沒有深入研究直流偏磁工況下電流互感器的輸出特性。近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者研究了直流偏磁工況下電流互感器的穩(wěn)態(tài)特性和暫態(tài)特性[7-9]。計(jì)及特高壓直流輸電系統(tǒng)單極大地運(yùn)行方式引發(fā)的直流偏磁，文獻(xiàn)[10-12]研究了直流偏磁對(duì)電流互感器傳變特性的影響，分析了直流偏磁下電流互感器飽和對(duì)電能計(jì)量的影響。然而，這些研究還較少涉及電流互感器直流偏磁的抑制方法和措施。

本文分析了直流偏磁工況下電流互感器二次輸出波形的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出一種直流偏磁下計(jì)量用電流互感器在線補(bǔ)償技術(shù)，通過相敏檢波和多級(jí)濾波技術(shù)檢測(cè)電流互感器二次側(cè)輸出的二次諧波的大小及相位，判斷電流互感器直流偏磁的嚴(yán)重程度，同時(shí)調(diào)節(jié)壓控電流源向互感器補(bǔ)償繞組注入相應(yīng)量的反向直流電流作為補(bǔ)償，補(bǔ)償電流產(chǎn)生反向直流磁場(chǎng)，抵消互感器中一次直流電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而減小電流互感器的直流偏磁程度。

1 直流偏磁對(duì)電流互感器的影響

直流分量對(duì)電流互感器的影響，通常采用半波電流的方法進(jìn)行試驗(yàn)，半波電流的直流分量占比達(dá)32%，當(dāng)半波電流通過一次繞組時(shí)，直流分量使電流互感器工作接近飽和區(qū)，磁導(dǎo)率下降，其誤差將顯著的往負(fù)方向移動(dòng)，二次繞組輸出電流波形嚴(yán)重畸變且幅值大幅度縮減，如圖1所示，上半部波形為一次電流，下半部波形為電流互感器輸出二次電流。

圖1 半波直流下電流互感器一次、二次電流波形圖

通過對(duì)理想半波電流進(jìn)行FFT分析，其傅里葉展開式如下：

(1)

從式(1)可知，半波直流經(jīng)過FFT分析后，其直流分量為電流峰值的1/π，約為0.32。半波電流諧波成分主要體現(xiàn)在偶次諧波的增大[13]。

2 直流偏磁在線補(bǔ)償裝置

2.1 直流偏磁補(bǔ)償原理

由上述分析可知，當(dāng)電流互感器一次存在直流時(shí)，電流互感器二次側(cè)輸出存在二次諧波分量，其含量與一次直流分量密切相關(guān)。

基于上述關(guān)系，通過檢測(cè)電流互感器二次輸出的二次諧波分量，根據(jù)檢測(cè)到的二次諧波的大小及相位，可以間接判斷鐵磁材料偏磁情況，實(shí)現(xiàn)電流互感器直流偏磁誤差在線監(jiān)測(cè)。同時(shí)，控制直流電流源向補(bǔ)償繞組注入相應(yīng)量的反向直流電流作為補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流在補(bǔ)償繞組中產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)二次側(cè)輸出信號(hào)偶次諧波最小時(shí)，達(dá)到最佳補(bǔ)償狀態(tài)。此時(shí)，鐵芯磁滯回環(huán)工作點(diǎn)回到理想位置，磁滯回環(huán)上下半軸對(duì)稱，補(bǔ)償電流產(chǎn)生的直流磁場(chǎng)和一次側(cè)直流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好抵消，互感器鐵芯直流偏磁程度最小，電流互感器計(jì)量繞組的準(zhǔn)確度也得以保證。

2.2 裝置設(shè)計(jì)

由前面分析可知，當(dāng)電流互感器的一次繞組有直流量時(shí)，由于受直流偏磁影響，二次側(cè)輸出會(huì)含有二次諧波分量。直流在線補(bǔ)償技術(shù)通過在線檢測(cè)二次諧波分量大小，根據(jù)檢測(cè)到的二次諧波的方向及其大小，向補(bǔ)償繞組注入相當(dāng)量的反向直流電流，補(bǔ)償電流在補(bǔ)償繞組中產(chǎn)生磁場(chǎng)，抵消一次側(cè)直流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，達(dá)到在線實(shí)時(shí)減小一次側(cè)電流中直流分量影響的目的。直流在線補(bǔ)償裝置原理框圖如圖2所示。

圖2 直流偏磁在線補(bǔ)償裝置原理框圖

其中，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)變換器將電流互感器二次輸出電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?；阻抗變換電路具有高輸入阻抗，經(jīng)阻抗變換后的信號(hào)一路經(jīng)過整形倍頻為100 Hz，作為相敏檢波的參考信號(hào)；另一路經(jīng)過50 Hz帶阻濾波之后，作為相敏檢波的輸入信號(hào)。相敏檢波的輸出經(jīng)過低通濾波，仍然有一定含量的50 Hz紋波，再經(jīng)過50 Hz帶阻濾波和低通濾波，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(bǔ)償電流，使得二次輸出電流的偶次諧波最小。輸出的反向直流電流磁場(chǎng)抵消一次電流直流電流磁場(chǎng)，達(dá)到在線實(shí)時(shí)消除或減小直流偏磁的目的。

實(shí)際工況下，電流互感器為多抽頭互感器，直流偏磁誤差在線補(bǔ)償裝置現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案示意圖如圖3所示。其中，L1、L2為一次繞組的兩端(一次側(cè))；K1、K3為二次繞組的兩端，K2為二次繞組中間抽頭。假設(shè)K1、K2為二次輸出接線端子，連接后續(xù)二次測(cè)量設(shè)備；則可以使用K2、K3作為補(bǔ)償繞組端子，用于注入反向補(bǔ)償直流電流。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案示意圖

直流在線補(bǔ)償測(cè)方法的關(guān)鍵點(diǎn)在于確定電流互感器輸出的二次諧波含量，以此定量評(píng)估一次側(cè)直流量，從而控制電流源產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償直流，減小或者抵消一次側(cè)直流影響。為了實(shí)現(xiàn)該功能，直流偏磁在線補(bǔ)償裝置采用了基于相乘原理的相敏檢波技術(shù)、多級(jí)濾波技術(shù)和壓控電流源技術(shù)。

2.3 相敏檢波電路

為了補(bǔ)償一次電流產(chǎn)生的直流偏磁，首先需要從電流互感器二次輸出的基波中檢測(cè)出二次諧波的含量。電流互感器二次側(cè)輸出電流中，二次諧波最大時(shí)為基波電流的8%左右，最小時(shí)為基波電流的0.2%左右，兩者的幅值相差倍數(shù)約在50～500倍之間。直接采用高通濾波器是難以準(zhǔn)確提取出二次諧波，因此，采用了高靈敏度的相敏檢波技術(shù)來提取二次諧波。

相敏檢波的主要作用是從輸入信號(hào)中取出與參考信號(hào)同頻同相的信號(hào)，其基本工作機(jī)理就是將頻率為ω1的輸入信號(hào)與頻率為ω2的參考信號(hào)相乘，再通過濾波將高頻成分濾除，取出低頻信號(hào)。假設(shè)ui1和ui2分別為輸入信號(hào)和參考信號(hào)：

(2)

經(jīng)過乘法器之后的輸出為

(3)

第一項(xiàng)為差頻分量，即低頻成分，第二項(xiàng)為和頻分量，即高頻成分。當(dāng)2個(gè)信號(hào)同頻率時(shí)，即ω1=ω2差頻信號(hào)輸出為直流，且直流量大小和方向與2個(gè)輸入信號(hào)的初相有關(guān)，體現(xiàn)出了相敏檢波的選頻和鑒相特性。相敏檢波的總輸出信號(hào)為直流信號(hào)疊加和頻交流信號(hào)，即為：

(4)

輸出信號(hào)經(jīng)過低通濾波電路，濾除高頻成分，即得到直流成分。本裝置相敏檢波芯片采用調(diào)制解調(diào)專用芯片AD630，能夠從100 dB的噪聲中恢復(fù)出有益信號(hào)，帶寬達(dá)到2 MHz。

2.4 多級(jí)濾波電路

相敏檢波電路輸出信號(hào)是和頻和差頻信號(hào)的疊加，需要經(jīng)過低通濾波器濾除和頻信號(hào)，得到差頻直流信號(hào)。多級(jí)濾波電路原理圖如圖4所示。

圖4 低通濾波器原理圖

R14和C11、R15和C15分別構(gòu)成一階低通電路，C11在低頻段引入正反饋，在高頻段引入負(fù)反饋，電路總體幅頻特性更接近于理想。其傳遞函數(shù)為

(5)

當(dāng)電路Q值為0.707時(shí)，-3 dB截止頻率點(diǎn)為30 Hz。

2.5 壓控電流源

經(jīng)過相敏檢波和多級(jí)濾波之后，為了產(chǎn)生該直流補(bǔ)償電流，使用壓控電流源做最后輸出級(jí)[14]，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(bǔ)償電流，使得二次輸出偶次諧波最小。壓控電流源原理圖如圖5所示。

圖5 壓控電流源

壓控電流源輸出電流與輸入電壓關(guān)系為

I=ui/Rs

式中：ui為輸入電壓；Rs為限流電阻。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 直流偏磁對(duì)電流互感器的影響試驗(yàn)

首先，在無直流偏磁在線補(bǔ)償裝置的情況下，對(duì)某電流互感器的計(jì)量繞組(額定600 A，0.2級(jí))開展直流偏磁影響試驗(yàn)，測(cè)試時(shí)功率因數(shù)cosφ=0.8，試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。表1對(duì)應(yīng)的是輕載2.5 VA工況，表2對(duì)應(yīng)的是滿載30 VA工況。

表1 空載時(shí)直流分量對(duì)計(jì)量誤差的影響

表2 滿載時(shí)直流分量對(duì)互感器誤差的影響

結(jié)果表明：在一次電流中疊加直流后，輸出的二次諧波含量與直流分量大小正相關(guān)，二次諧波最大值為基波電流的6%左右；直流偏磁下電流互感器的誤差嚴(yán)重超差，比差向正方向偏移，角差向負(fù)方向偏移；輕載情況下直流偏磁對(duì)電流互感器的影響較小，這是由于輕載時(shí)鐵芯磁密變化范圍較小，進(jìn)入飽和區(qū)程度較淺。

直流偏磁導(dǎo)致電流互感器的二次側(cè)產(chǎn)生二次諧波，二次諧波含量與直流偏磁分量的大小呈現(xiàn)相關(guān)性。規(guī)格不同的互感器相關(guān)程度不一樣，但互感器輸出二次諧波電流含量與一次電流直流分量含量的變化規(guī)律是相似的，如圖6所示。

圖6 二次諧波與一次側(cè)直流電流關(guān)系

3.2 在線補(bǔ)償裝置試驗(yàn)

直流在線補(bǔ)償方案驗(yàn)證性試驗(yàn)的原理框圖如圖7所示，試驗(yàn)設(shè)備包括交直流合成大電流發(fā)生裝置[15]、標(biāo)準(zhǔn)電流互感器(0.05級(jí))、被測(cè)計(jì)量用電流互感器、互感器校驗(yàn)儀(0.05級(jí))、直流偏磁在線補(bǔ)償裝置等。引入直流偏磁在線補(bǔ)償裝置后，在不同負(fù)載和額定電流情況下對(duì)電流互感器計(jì)量繞組的誤差進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)接線圖如圖8所示。

圖7 試驗(yàn)原理框圖

圖8 試驗(yàn)接線圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)接線圖將自動(dòng)在線補(bǔ)償裝置的輸出反饋到電流互感器補(bǔ)償繞組，補(bǔ)償繞組為65匝，CT比差角差測(cè)試使用校驗(yàn)儀。在不同負(fù)載情況下，分別對(duì)未補(bǔ)償和補(bǔ)償線之后的互感器準(zhǔn)確度進(jìn)行對(duì)比，測(cè)量結(jié)果如表3～表6所示。表3和表5對(duì)應(yīng)的是負(fù)載2.5 VA，補(bǔ)償線圈120匝的工況，表4和表6對(duì)應(yīng)的負(fù)載30 VA，補(bǔ)償線圈120匝的工況。

表3 在線直流補(bǔ)償測(cè)試結(jié)果1

表4 在線直流補(bǔ)償測(cè)試結(jié)果2

表5 在線直流補(bǔ)償測(cè)試結(jié)果3

表6 在線直流補(bǔ)償測(cè)試結(jié)果4

由驗(yàn)證性試驗(yàn)結(jié)果可知：引入直流偏磁在線補(bǔ)償裝置后，不同一次電流和二次負(fù)載工況下，電流互感器的誤差均小于0.2%，表明該裝置能夠?qū)﹄娏骰ジ衅鞯闹绷髌庞绊懫鸬斤@著的補(bǔ)償作用。

4 結(jié)論

直流偏磁工況下，電流互感器誤差不滿足準(zhǔn)確度要求；基于直流負(fù)反饋原理的直流偏磁在線補(bǔ)償方法，有效減小了直流偏磁對(duì)電流互感器計(jì)量誤差的影響；本文提出的直流偏磁在線補(bǔ)償技術(shù)主要適用于穩(wěn)態(tài)直流偏磁的補(bǔ)償。雷電流、斷路器開合閘、短路過電流等暫態(tài)工況時(shí)間較短，對(duì)累計(jì)計(jì)量誤差的貢獻(xiàn)較小，不予以補(bǔ)償。