雙級電子式電流互感器誤差特性分析及校驗系統設計

潘曉敏

（湖北工業大學，湖北武漢430064）

雙級電子式電流互感器誤差特性分析及校驗系統設計

潘曉敏

（湖北工業大學，湖北武漢430064）

電子式電流互感器憑借較強的抗干擾能力和絕緣能力，在當前的互感器領域中獲得了廣泛的應用。大多數電子式互感器中應用單機低功率鐵芯線圈，其不需要應用電子線路進行功率補償，因此準確度較高。提出一種雙極電流互感器，在分析工作原理的基礎上，論述了誤差檢測原理，提出了雙極電子式電流互感器校驗系統的設計方法。

電子式電流互感器；誤差特性；研究

傳統的電磁式電流互感器歷史悠久，性能也比較穩定，但是在電力系統不斷發展的過程中，智能電網投入建設，電磁式電流互感器的結構更加復雜，安裝和維護較為困難［1］。電子式電流互感器在解決傳統電磁式互感器的問題時，成為電氣測量和電氣保護的重要手段，也是智能電網條件下的十分可靠的換代產品，具有良好的穩定性，可以直接連接數字化設備，在實際電網測量中的應用越來越廣泛。

1　雙級電子式電流互感器及其檢測技術

1.1應用原理

圖1是雙極電子式電流互感器的結構原理和等效電路。圈串聯后同Nb和Rs并聯，其中Rs表示標準取樣電阻。U.s表示Rs二端輸出互感器的二次電壓，I.2和Z2分別表示二次線圈中的電流和串聯阻抗，I.b和Zb分別表示補償線圈中的電流和阻抗，RL表示雙極電子式電流互感器的負載。

圖1雙級電子式電流互感器結構原理（a）和等效電路（b）

如圖1（b）所示，I.'1表示為折算到二次側的一次電流I.1，I.01、I.02、Zm1和Zm2分別表示不同鐵芯的勵磁電流和勵磁阻抗，在考慮I.'1和U.s的情況下，不考慮一次線圈的阻抗。

1.2誤差檢測

用誤差指標衡量電子式電流互感器的性能，其中涉及到重要的電流誤差f（比差）和相位誤差δ（角差），其中電流誤差為實際二次電壓的有效值U2折算到一次側后與一次有效電流值的差，其值表示為，其中KN表示雙極電子式電流互感器的額定變比，I1表示一次被測電流，U2表示實際二次電壓，相位誤差δ表示二次電壓相位取反后與一次電流相位作差，表達式為δ＝φ2-φ1，其中φ1和φ2表示一次和二次電流相角。得出雙極電子式電流互感器的比差和角差后，可以進一步進行誤差檢測，因此在實際應用中，應用差值法測量互感器的誤差。圖2為雙級電子式電流互感器校驗系統的原理。

圖2　校驗系統原理

如圖2所示，在系統中引入頻率和幅值都可以進行調節的電流源I.1，另外還包括被測互感器、標準電阻R0、信號調理電路和信號處理部分。在信號調理電路中用K△表示標準信號U.0的放大倍數，Ks表示差值信號△U.=U.s-U.0的放大倍數。在信號處理系統中應用偏置電路和數模采樣電路對誤差進行計算。

2　雙級電子式電流互感器校驗系統設計

2.1校驗系統的結構

（1）校驗系統設計

在雙級電子式電流互感器的校驗系統中，主要應用模擬信號的發生單元和測量單元。其中模擬信號包括模數轉換系統、濾波電路和功率放大電路，其中模數轉換系統中應用DAC7724芯片，處理器為DSP TMS320F28335，可以按照幅值和頻率的要求對正弦波形進行調節，保證基波和諧波相互疊加，對實際工作環境進行模擬；濾波電路的主要作用是對輸入信號進行處理，例如模數輸出信號，在濾波電路的作用下可以滿足實驗需求；功率放大電路主要是放大模數輸出信號，提高功率輸出。校驗系統的測量部分包含信號調理電路、偏置電路和數據采集處理系統，其中信號調理電路按照差值法的計算理論，對互感器一次側和二次側的電壓信號進行作差，在信號放大器的作用下放大輸出；為了滿足DSP芯片內部模數轉換的采樣需求，偏置電路對信號進行調整，保證信號達到模數轉換的工作需求，提高器件的安全性；數據采集和處理單元計算出內部比差和角差結果［2］。

（2）校驗系統的組成

圖3是校驗系統的結構。

圖3　互感器校驗系統結構框圖

數模轉換芯片DAC7 724在處理器TMS320 F28335的控制下，產生出可以調節幅值和頻率的正弦信號，信號依次經過濾波電路、功率放大電路后，提升系統的負載能力，同時電流信號的可控性不斷增強。將這個限流信號用于電子式電流互感器的輸入信號，輸入到一次側，實際應用過程中，可以方便地在取樣電阻上獲得標準信號U.0和二次電壓U.s，結合差值法的校驗理論，在信號調理電路的作用下，得出最終的△U..對信號進行放大后，偏置電路可以保證電壓信號滿足模數轉換器的采樣需求，處理器控制模數轉換器開展數據運算，求出同步信號的扶智和出相角后，可以得出比差和角差。

2.2模擬信號發生器

實驗中應用模擬信號發生器輸出正弦信號，該正弦信號的幅值和頻率可調，還可以通過基波和諧波的疊加對雙極電子式電流互感器的實際一次電流進行模擬，應用數模轉換芯片實現數字信號向模擬信號的轉換，在濾波電路的作用下，DAC7724輸出平滑的波形，經過功率放大后保證電流信號滿足實驗需求。

實際應用中數模轉換器輸出的信號不能帶較大的負載，輸出的波形也不規則，一般表現為階梯狀，此時可以應用濾波電路得出優質的電流驅動信號，一般在系統中選用二階濾波電路，在電壓跟隨器的幫助下，對數模輸出信號進行濾波，便于在應用的同時提高負載能力。

2.3功率放大電路

實際雙極電子式電流互感器工作中的額定電流位200 A，該電流值為單匝線圈中的電流，在準確度

校驗過程在紅個，可以在一次側中提供幅值為1 A的電流，為了在實際應用中滿足實驗需求，必須保證電壓信號經過濾波器后可靠通過功率放大電路，提高功率的輸出［3］。本研究應用OCL功率放大器實現功率放大，應用三極管電路組成不同的互補輸出級，對電路形成可靠的保護作用，避免產生不安全的大電流，同時借助電流的反饋作用，能夠保證工作點穩定，降低非線性失真造成的影響。芯片內模數轉換的采樣器中應用的輸入電壓的幅值為0～3 V，由于被測信號為交流，因此必須在應用的過程中保證抬升電壓信號滿足采樣需求。

3　結束語

本文在介紹雙級電子式電流互感器結構原理的同時，對等效電路進行了分析，得出了誤差的計算公式，構建出校驗系統，應用二階RC濾波電路提高輸出信號的帶負載能力。結合互感器的設計原理，可以在原有的基礎上進行適當的容量擴展，提高在電力系統中應用的可靠性和穩定性。

［1］徐雁，朱明鈞，郭曉華，等.空心線圈作為保護用電流互感器的理論分析和試驗［J］.電力系統自動化，2012，26（16）:52.

［2］宋天斌，史會軒，李敏，等.電流互感器電子式負荷裝置研究［J］.自動化與儀器儀表，2014，25（2）:18.

［3］潘寶祥，顧紅波.一種用于電流互感器校驗的新型電子式負載箱［J］.中國計量學院，2013，33（3）:25.

Error of Two Stage Electronic Current Transformer Performance Analysis and Calibration System Design

PAN Xiao-min
（Hubei University of Technology，Wuhan Hubei430064，China）

The electronic current transformer with the strong ability of anti-interference and insulating ability.Most of the application of single low power electronic transformer iron core coil，which do not need to compensate the power electronic circuit，so the accuracy is higher.This paper proposes a bipolar current transformer，on the basis of analyzing the working principle，this paper discusses the principle of error detection，put forward a bipolar designmethod of electronic current transformer calibration system.

electronic current transformer；Error characteristics；research

TM 452

A

1672-545X（2016）05-0212-02

2016-02-20

潘曉敏（1983-），男，湖北孝感人，本科，工程師，研究方向為控制工程。