丁稳房,曹慕雁

(湖北工业大学电气与电子工程学院,湖北 武汉 430068)

1 引言

高压直流输电技术是我国各个地区应用较多的输电技术,当高压直流输电系统运行模式为单极大地回线模式,且客观地存在地磁暴感应电流时,将导致直流电流穿过大地衍生回路,此时电磁设备电流互感器将存在显著的直流偏磁问题[1,2]。直流偏磁会改变电流互感器的传输特征,干扰仪表检测、电能计量的精度,对电力系统工作状态的稳定性存在负面影响,且对用户经济效益也存在负面影响[3,4]。

电流互感器的现场校验,即设备停电时,设备和标准互感器与升流器相连,并运行单相电流,通过互感器现场校验技术,检测被校互感器的误差并校正[5]。

抗直流偏磁电流互感器是近几年新出现的抗直流电流互感器,和以往的电流互感器对比可知,抗直流偏磁电流互感器的可靠性显著,铁芯饱和性较低,且波形畸变率较小[6,7]。本文提出新的5000A抗直流偏磁电流互感器现场校验方法,主要用于现场校验5000A抗直流偏磁电流互感器误差,并对此校验方法完成了仿真性能验证测试。

2 5000A抗直流偏磁电流互感器现场校验方法

2.1 互感器等值电路和误差现场分析方法

5000A抗直流偏磁电流互感器结构主要分为高导磁硅钢片L、一次线圈Q1Q2、二次线圈R1R2。铁芯J属于一、二次线圈的环绕主体,使用法拉第电磁感应原理实现电流比例变换[8]。如果高导磁硅钢片L1一次电流安匝数V1和高导磁硅钢片L2二次电流安匝数V2相同,则5000A抗直流偏磁电流互感器具有无功损耗能量互换特征。此时

L1V1=L2V2

(1)

电流和它的匝数存在反比关系,则电流比例系数hn为:

(2)

实际中,5000A抗直流偏磁电流互感器因为铁芯具有损耗,在能量传输时具有消耗性,此时将会出现励磁损耗电流I′a,此时5000A抗直流偏磁电流互感器的误差是为:

(3)

按照5000A抗直流偏磁电流互感器的“T”类等效原理,能够构建5000A抗直流偏磁电流互感器的等值电路,详情如图1所示。

图1 5000A抗直流偏磁电流互感器等值电路

如图1所示,5000A抗直流偏磁电流互感器的一次绕组等效阻抗、二次绕组等值阻抗分别为S1、S2。

将5000A抗直流偏磁电流互感器的误差电流、二次感应电势、二次负载阻抗分别设定成Ic、D2、Sb;抗直流偏磁电流互感器的铁芯励磁阻抗设成S0;将抗直流偏磁电流互感器一次、二次电流折算值分别设成I″a、Ib。则抗直流偏磁电流互感器的一次、二次磁势平衡方程描述为

I″aV1-IbV2=IcV1

(4)

5000A抗直流偏磁电流互感器的误差是同一侧的二次电流、一次电流之差对一次电流的百分数[8]。则:

(5)

也可表示为

(6)

分析图1中内容,可得知

D2=Ib(S1+Sb)

(7)

5000A抗直流偏磁电流互感器的二次绕组阻抗S2可看成二次绕组电阻Rb,此时式(7)可变换成

D2=Ib(S2+Sb)

(8)

由于等值电路的励磁阻抗S0比二次阻抗Rb多出数倍,所以式(7)能够描述成

D2=Ib(S0+Sb)

(9)

则5000A抗直流偏磁电流互感器的误差为

(10)

此时,二次线圈旁边的励磁电流I′a即为5000A抗直流偏磁电流互感器的误差电流,励磁电流I′a需要把5000A抗直流偏磁电流互感器的一次线圈、二次线圈分别实施开路处理、接入D2的电压获取。实测电路如图2所示。

图2 实测电路

如图2所示,在5000A抗直流偏磁电流互感器二次绕组模拟电阻Rb、二次负载阻抗Sb上导入二次电流Ib便能够获取二次线圈两侧的感应电势。

获取I′a、Ib之后,运算5000A抗直流偏磁电流互感器误差,因为I′a、Ib都属于向量函数,因此能够描述成复数模式

β=g+ε

(11)

其中,g和ε分别为5000A抗直流偏磁电流互感器比差、角差。

2.2 抗直流偏磁电流互感器现场校验装置

抗直流偏磁电流互感器现场校验装置的结构组织分别是标准电流互感器、电流互感器校验仪、电流互感器负荷箱[9,10]。装置设置详情见表1。

表1 抗直流偏磁电流互感器现场校验装置

由于被校验装置检测的抗直流偏磁电流互感器精度级别大多为0.2级、0.1级,在校验装置中,标准电流互感器的精度级别需要大于需校验的抗直流偏磁电流互感器,所以标准电流互感器精度级别设成0.03级具有合理性[11]。

标准电流互感器功率因数的设置不仅需要分析变电站出口功率因数,还要分析计量箱里与电能表联合应用的功率因数,因此标准电流互感器的功率因数设成0.7与0.9。

电流互感器校验仪是设置在标准电流互感器与被校验互感器之间的检测设施,主要用于描述两种互感器的误差值,所以校验仪自身精度级别不用设置太大,在分析使用成本的前提下,将校验仪自身精度级别设成二级较为合理[12]。

互感器负荷箱是设置在被校验电流互感器二次的检测设施,本文围绕5000A抗直流偏磁电流互感器的实际负荷情况,设置其具体参数。

使用抗直流偏磁电流互感器现场校验装置在校验5000A抗直流偏磁电流互感器时,接线示意图如图3所示。

图3 接线示意图

在图3所示的接线模式中,5000A抗直流偏磁电流互感器一次回路无功消耗比有功消耗大,原因是一次回路感抗大于回路电阻。使用并联或者串联的可调电容的形式,可补偿一次抗直流偏磁电流互感器回路感抗,使用电容器的容抗能够约束回路感抗,可降低回路无功消耗,以此可以缩小5000A抗直流偏磁电流互感器对升流器的容量需求。

使用电容对5000A抗直流偏磁电流互感器校验的过程中,以此回路实施无功补偿时,补偿的主要模式为:

1)升流器输入端和补偿电容并联;

2)升流器输出端和补偿电容并联;

3)升流器输出端和补偿电容串联。

补偿原理如图4所示。

图4 升流器补偿原理

在图4的三种补偿方法中,本文使用第三种补偿方案:升流器输入端和电容器并联。此时无功补偿必须使用升流器实现功率变换,且升流器的输入端电压值较大,能够符合5000A抗直流偏磁电流互感器校验时,对电容补偿的电压需求,此举可将互感器输出功率控制在合理范围,降低互感器的动作误差,仅提升流器的容量便能够实现5000A抗直流偏磁电流互感器校验。

3 实验测试与分析

3.1 实验设置

为分析本文提出的5000A抗直流偏磁电流互感器现场校验方法对电流互感器的误差分析效果、误差校验效果,在MATLAB仿真软件中,对其进行应用效果仿真分析。实验测试内容主要测试本文方法对5000A抗直流偏磁电流互感器比差、角差的分析结果与校验结果。

3.2 5000A抗直流偏磁电流互感器误差分析结果

3.2.1 单匝贯穿类抗直流偏磁电流互感器误差分析结果

在仿真测试中,单匝贯穿类抗直流偏磁电流互感器的示意图见图5。

图5 单匝贯穿类抗直流偏磁电流互感器

在MATLAB仿真平台中,仿真电流信号发生器发射100Hz的5000A的电流正弦信号,并分别变化电流输入信号的大小,检测本文方法对单匝贯穿类抗直流偏磁电流互感器误差的分析精度是否满足使用需求,检测结果见表2。

表2 单匝贯穿类抗直流偏磁电流互感器误差分析结果

如表2所示,当单匝贯穿类抗直流偏磁电流互感器电流信号大小分别为1000A、2000A、3000A、4000A、5000A时,本文方法对单匝贯穿类抗直流偏磁电流互感器的比差、角差分析值与实际值一致,不存在差值,表示本文方法可准确分析单匝贯穿类抗直流偏磁电流互感器的误差问题。

当本文方法分析单匝贯穿类抗直流偏磁电流互感器误差之后,对其误差进行校验,校验结果如表3所示。

表3 单匝贯穿类抗直流偏磁电流互感器误差校验结果

如表3所示,当单匝贯穿类抗直流偏磁电流互感器电流信号大小分别为1000A、2000A、3000A、4000A、5000A时,本文方法对其误差校验后,电压变化不大,但输出功率降低明显,校验前后功率最大差值可达8.88kVA。根据以上数据可知,功率得以控制,可保证互感器不出现异常。

3.2.2 开口类抗直流偏磁电流互感器误差分析结果

在仿真测试中,开口类抗直流偏磁电流互感器的示意图见图6。

图6 开口类抗直流偏磁电流互感器

同3.2.1小节的设定一致,在MATLAB仿真平台中,仿真电流信号发生器发射100Hz的5000A的电流正弦信号,变化电流输入信号的大小,检测本文方法对开口类抗直流偏磁电流互感器误差的分析精度是否满足使用需求,开口类抗直流偏磁电流互感器误差检测结果见表4,开口类抗直流偏磁电流互感器误差现场校验结果见表5。

表4 开口类抗直流偏磁电流互感器误差分析结果

表5 开口类抗直流偏磁电流互感器误差现场校验结果

如表4和表5中数据所示,当开口类抗直流偏磁电流互感器电流信号大小分别为1000A、2000A、3000A、4000A、5000A时,本文方法对开口类抗直流偏磁电流互感器的比差、角差分析值与实际值不存在差异,对误差校验后,输出功率比校验前变小幅度较大,功率可被控制,本文方法有效校验开口类抗直流偏磁电流互感器误差,保证开口类抗直流偏磁电流互感器不出现异常。

4 结论

在直流互感器的实际使用中,若入地电流高达5000A,抗直流偏磁电流互感器也难免存在一些动作误差,为保证抗直流偏磁电流互感器可以充分保护电力系统运行状态,需要对5000A抗直流偏磁电流互感器的误差进行准确计算并校验。本文提出了具有针对性的5000A抗直流偏磁电流互感器现场校验方法,并通过性能仿真测试后证明其具有应用价值,可作为5000A抗直流偏磁电流互感器现场校验的有效工具。实验结果验证了所提方法具有较好的应用性能,为相关领域提供了可靠理论基础。但本文实验仅停留于仿真测试范围,本文方法的实际应用效果还需以实际现场测试进行深度分析。