低功耗鐵芯線圈型電子式電流互感器的非線性補償技術研究

劉江仙， 沈利清

（1.浙江天際互感器有限公司， 浙江 江山 324123； 2.中國計量學院， 杭州 310018）

低功耗鐵芯線圈型電子式電流互感器的非線性補償技術研究

劉江仙1， 沈利清2

（1.浙江天際互感器有限公司， 浙江 江山 324123； 2.中國計量學院， 杭州 310018）

低功耗鐵芯型電子式電流互感器通常連接測量用儀器儀表，但是作為一次傳感器的低功耗鐵芯線圈具有非線性的特點，磁化電流是它的主要誤差源。因此提出了一種非線性補償技術，該技術基于低成本線性電路和非線性數字控制律，能輸出準確度高的電壓模擬量，理論分析及實驗驗證了該技術方案的可行性。

電子式；電流互感器；鐵芯線圈型；非線性

0 前言

電子式電流互感器將電網電流按比例轉換為合適的信號供測量儀表、保護和控制裝置使用。電子式電流互感器一次傳感元件通常采用光學器件、帶或不帶積分器的空心線圈以及帶取樣電阻的低功耗鐵芯線圈等，在這些元件中，帶取樣電阻的低功耗鐵芯線圈傳感器具有性能穩定、輸出信號大且不易飽和的優點，因此這種類型的電子式電流互感器既可作為測量用電子式電流互感器，也可作為測量和保護的多用途電子式電流互感器[1]。 與傳統電流互感器相比， 低功耗鐵芯線圈傳感器雖然運行在低功耗狀態下，但磁化電流仍然是它的主要誤差源。當被測一次電流變化時，勵磁支路的等效電阻和電感非線性變化，因此勵磁電流和一次電流的復數比也是非線性變化的。在沒有采取一定補償措施前，比差和角差呈非線性，而且通常會超出誤差的限值范圍。

對于傳統電流互感器，有許多補償的辦法，例如傳統的匝數補償、磁分路補償等誤差補償技術及多鐵芯式補償技術[2-3]。 匝數補償技術一般針對比差進行補償，磁分路補償主要利用部分鐵芯的飽和作用來達到比差和相角差的補償效果，但引入了非線性勵磁，同時也增加了工藝的復雜性。多鐵芯式補償技術線路復雜，一般用在標準電流互感器的場合，如雙級電流互感器。近年來還出現了數字算法、輔助電子線路、外部電流注入等補償技術[4-6]， 其中數字算法需要測量二次瞬時電流以及包含磁滯和渦流現象的鐵芯模型，該方法無法對輸出模擬量進行修正；輔助電子線路通過提供二次負載電勢來減少鐵芯的磁動勢，從而達到減少磁化電流的目的；利用物理相似原則，通過微型鐵芯線圈產生模擬的磁化電流并注入到二次輸出線路，以達到補償的效果。但是以上均為傳統電流互感器的補償方法，并非針對電子式電流互感器。

本文提出一種低功耗鐵芯線圈型電子式電流互感器的非線性補償技術，基于線性電路和非線性數字控制律，通過跟隨電子式電流互感器輸出電壓、構建電壓同相和正交分量并進行電流轉換實現補償目的。

1 非線性補償的原理

式中： ω=2πf，f為工頻頻率。

將式（2）代入式（3）， 再將式（3）代入式（1），并略去微小量 L2， Cc， Ic和 1/Rb， 得

電流的 同相和 正 交比 例量， 運算放 大 器 IC4 和IC5 實現同相和正交比例量的合成及電壓-電流的 轉 換 。 的 同 相 和 正交 比 例 量 由標 量 電 壓 V1和V2· 驅 動 產 生 ，而其 中為 互 感 器 輸 出 Vs的 非 線 性 函 數 ， 它 們 可 以由廉價的單片機及兩片數模轉換器方便地實現。

由于電子式電流互感器輸出最多為幾伏，未經補償的傳感器準確度通常可達 1%且二次電流不 大 于 1 A， 因 此 可 以 采 用 普 通 的 運 算 放 大 器 。如 果 Rs1=Rs2=Rf及 R5=R6， 則

2 非線性補償的簡便方法

根據定義，電子式互感器的比差ε和角差φ可以表示為：

圖1 低功耗鐵芯線圈型電子式電流互感器的非線性補償電路圖

式中： Kra=1/Rsh， 為 一 次電 流折算 到二次 側后 的額定變比。

假定補償電流設計為

將式（8）代入式（7）， 得到經補償后的誤差：

未加補償時原始的比差 ε0和 φ0， 可以在補償電路尚未接入時利用電子式互感器校驗儀方便地測量。 補償是對 1%～120%額定一次電流（也即額定二次輸出電壓）范圍內，任意工作電流條件下的補償。考慮到未經補償的電子式電流互感器誤差曲線的連續和光滑性， 原始比差 ε0和 φ0可以僅僅在 1%， 5%，20%，100%及 120%額定電流等幾個有限的工作條件下測量，其他任意工作狀態可通過擬合曲線得到，如圖2所示。這樣，對于電子式電流互感器的任意輸出 Vs， 便可在單片機中通過查找曲線得到相應的原始比差 ε0和 ε0，同時利用式（10）和（11）計算出 V1和 V2并輸出。

3 實驗結果

為了驗證非線性補償方案的正確性，設計了1 個額定變比為 200 A/1 V、準確度等級為 0．2S、2．5W 取 樣 電 阻 Rsh=0．5 Ω 的 低 功 耗 鐵 芯 線 圈 型電子式電流互感器，取樣電阻精度為 0．01%。補償電路參數為 R3=39 kΩ，R5=R6=100 kΩ，R7= 390 kΩ 以及 C7=0．1 μF， 其他電阻為 380 kΩ。 補償電路中所有電阻均為 0．1%精度的金屬膜電阻，所有運算放大器均采用 OP07。 檢測系統采用差值法原理進行誤差的測量和計算，二次參考電壓信號由額定變比為 200 A/5 A 的 0．02S 級標準電流互感器二次輸出的電流在 0．01 級、 0．2 Ω、 5W的四端電阻上轉換得來。參考信號及差值信號通過數據采集卡進行采集， 采樣頻率為 51．2 kHz，它們的幅值和相位通過傅立葉變換得到，頻率信息通過單相軟件鎖相環（SPLL）獲得。 最后通過LabVIEW 軟件進行誤差計算和顯示。

表1為補償前后該電子式電流互感器的誤差測量結果。從表1可以看出，補償前電子式電流互感器的準確度等級為 0．5 級， 補償后準確度提高到了 0．2S 級， 實驗結果驗證了方法的可行性。

4 結語

圖2 原始比差 ε0和 φ0的擬合曲線

表1 補償前后的誤差

低功耗鐵芯型電子式電流互感器的誤差具有非線性的特點，磁化電流是其主要的誤差源。為減少誤差，提出了一種非線性補償技術并進行了理論分析，得到了直接反映補償效果的誤差表達式。在此基礎上進行了基于低成本線性電路和非線性數字控制律的設計，實現了輸出模擬量的誤差補償，實驗結果驗證了該補償技術理論分析的可行性。

[1]IEC 60044 －8 International Standard．Instrument transformers－Part8∶Electronic current transformers[M]．2002．

[2]趙修民．測量用互感器[M]．北京：機械工業出版社，1986．

[3]D BRANISHAV， E SO．An optically isolated hybrid twostage current transformer for measurements at high voltage[J]．IEEE Trans on Instrumentation and Measurement，2006，55（4）∶1204－1207．

[4]N LOCCI， CMUSCAS．A digital compensationmethod for improving current transformer accuracy[J]．IEEE Trans on Power Delivery,2000，15（4）∶1104－1109

[5]D SLOMOVITZ．Electronic error system for clamp-on probes andmeasuring current transformers[J]．IEEE Trans on Instrum and Meas，2000，49（6）∶1278－1281．

[6]Q XU， A REFSUM， RWATSON．Application of external compensation to current transformer[J]．in Proc IEE of Science Measurement and Technology，1996，143 （2）∶147－150．

（本文編輯：陸 瑩）

Research on Nonlinear Com pensation Technology for Low Power Iron-core Coil Electronic Current Transformers

LIU Jiang-xian1， Shen Li-qing2
（1.Zhejiang Horizon Instrument Transformers Co.， Ltd， Jiangshan Zhejiang 324123， China；2.China Jiliang University， Hangzhou 310018， China）

electronic；current transformer；iron-core coil；nonlinear

TM452

： B

： 1007-1881（2011）07-0019-04

2011-4-26

劉江仙（1962-）， 女， 浙江江山人， 工程師， 從事機電設計工作。

Abstruct： The low power iron-core coil electronic current transformers are often connected with measuring instruments and meters.However,low power iron-core coils have nonlinear characteristics as primary current sensors and themain error source is themagnetizing current.Therefore,a nonlinear compensation approach is proposed.It can output high-accuracy voltage analog quantity based on a low-cost linear circuit and a nonlinear numeric control law.And the feasibility of the technical scheme is verified by theoretical analysis and experiments.