杨 娴，罗丹青，黄 珏，冯彦元，黄开来，邢 菁

(海南电网公司 计量中心，海南 海口 570203)

0 引言

JJG313-2010《测量用电流互感器》检定规程和JJG1021-2007《电力互感器》检定规程规定[1,2]：电流互感器周期检定时必须检定1%、5%、20%、100%和120%额定电流、额定负荷和下限负荷下误差。电流互感器特别是大电流互感器检定时，由于存在一次回路感抗，升流器负载呈感性、功率因数低，导致电源容量利用率很低[3](一般只能用到额定容量的35%左右)，因此给调压器和升流器带来很大的浪费且无法升到标准互感器额定的最大电流，目前电流互感器实验室标准互感器试验一次电流只能升到2 000 A,还达不到实验室建标所需最大电流5 000 A的目标。

针对电流互感器检定时一次电流升流困难的问题，国内许多学者提出了相应的解决办法，如加大一次大电流导线截面积、减小回路长度和缩小回路包围面积等措施，还有文献提出通过电容补偿的办法[4-7]。这些办法和措施无疑都是有效的，特别是电容补偿法，包括：①一次回路串联电容法；②一次回路并联电容法；③升流器输入端并联电容法。方法①可同时减小调压器和升流器容量，但电容通过电流等同一次电流，电容器体积庞大；方法②升流器输出电压低，电容压降小，补偿效果不明显；方法③效果明显，但只能减小调压器容量，且补偿电容值的选择因一次电流值大小和回路包围面积而异，电容值大小不好确定[8]。基于以上分析，本文提出了十进制可调电容器组无功补偿方法并设计了可调式升流补偿装置。

1 一次回路无功功率分析计算

大电流互感器检定时，由于存在一次回路感抗，升流器负载呈感性，通过电容补偿来平衡回路的感性负荷无疑是经济高效的。

电流互感器校验时，调压器和升流装置为一次回路提供大电流，一次回路消耗的功率包括三部分：①标准电流互感器一、二次功率消耗；②被试电流互感器一、二次功率消耗；③大电流导线电阻和感抗功率消耗。忽略①、②部分功率，电流互感器校验时功率消耗主要为第③部分。

根据戴维南原理，电流互感器校验一次回路等效电路如图1所示。

图1 电流互感器校验一次回路等效电路

图1中，I1为调压器和升流装置等效电源的输出电流，其为一次回路电流值;R为一次回路等效电阻;X为一次回路等效感抗。

一次回路等效电阻计算公式为：

(1)

其中：l为一次大电流导线的长度，m；J为连接导线的电流密度，J=5 A/mm2。

考虑极限工作条件，取l=20 m，I1=5 000 A，代入式(1)，计算得R=0.4 mΩ。

有功功率P的计算公式为：

(2)

将I1=5 000 A、R=0.4 mΩ代入式(2)，计算得P=10 kW。

视在功率S的计算公式为:

(3)

其中：Q为无功功率，kVar。

当I1>2 000 A时，则：

(4)

其中：K2为阻抗系数，K2=(0.5～1)×10-3Ω。当I1=5 000 A时,经计算得S=(12.5～25) kVA。

将数值代入式(3)可得Q=(7.5～22.9) kVar。

考虑到电流互感器实验室检定装置调压器和升流器容量均为10 kW,则由上述计算结果可知：互感器一次回路视在功率已超过调压器和升流器容量，而且无功功率占很大比重。因此，必须减小或消除无功损耗，减少无功电流，提高功率因数，以达到节能和有效利用现有设备的目的。

2 可调式升流补偿装置设计

检定大电流互感器时，互感器一次回路容量由调压器和升流器提供，近似为升流器输入容量。同样，一次回路无功损耗也等同于升流器输入端无功损耗，在升流器输入端并联电容，因升流器输入电压高，可有效利用电容容量平衡感性无功，且所用电容体积较小，升流器制作成本较低，具有经济实用的效果。

2.1 可调式升流补偿装置原理

根据能量守恒定律可知，升流器输入端感性无功近似于互感器一次回路无功损耗。由此，可调式升流补偿装置原理线路如图2所示。

图2 可调式升流补偿装置原理线路

图2中，TY为调压器，输入端为A、X，输出端为a、x，电源AC220 V，TA为采样电流互感器，SL为升流器，输入端为250 V、±，输出端为P1、P2，I1为升流器输出电流，等于标准电流互感器和被试品一次电流，C为十进制可调电容器组，PPF为数字功率因数表。

2.2 十进制可调电容器组设计

图3 电容器组电路原理图

图3中，J0为电容组C0功率开关，J11、J12、J13、J14分别为C1电容组1×100 μF、2×100 μF、3×100 μF、4×100 μF相应功率开关，J21、J22、J23、J24分别为C2电容组1×10 μF、2×10 μF、3×10 μF、4×10 μF相应功率开关，J31、J32、J33、J34分别为C3电容组1×1 μF、2×1 μF、3×1 μF、4×1 μF相应功率开关。

2.3 电容补偿控制

检定大电流互感器时，使互感器一次回路电流达到20%额定一次电流，由89C51单片机控制功率开关J，从1×100 μF开始调节电容器，使功率因数接近1，再微调C2和C3，直到功率因数cosΦ=1，接入电容器不变，继续升电流至5 000 A。电容补偿控制示意图如图4所示。

图4 电容补偿控制示意图

图4中，输入U0、I0信号即为调压器输出电压、电流信号，输出U1、I1信号即为注入可调电容器和升流器输入端的电压、电流信号。

由数字功率因数表PPF采集调压器输出电压、电流信号，将回路功率因数传输至89C51控制器，由89C51控制器控制可调电容补偿升流器感性负载，从而改变回路功率因数，循环反馈控制使功率因数接近1，直到回路抵消感性无功，输出有功功率。

功率开关对应档位表如表1所示。

表1 功率开关档位对应关系

通过功率开关组合，实现电容器十进制分档输出控制。表1中，“√”表示开关闭合；“×”表示开关不闭合，常开。

软件控制流程图如图5所示。图5中，i、j、m=0～9。

图5 软件控制流程图

3 结束语

可调式升流补偿装置基于89C51单片机控制、数字功率因数表反馈，通过十进制可调电容调节自主平衡互感器一次回路感抗，减小电流互感器一次回路无功消耗，省去了人工计算和手动调节电容的复杂工序，解决了电流互感器一次升流困难的问题，提高了互感器试验效率，高效节能利用既有设备，实现了电流互感器全量程校验。