互感器異常小信號(hào)測(cè)試方法研究

王巒，翁一瀟，馬駿

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430000）

在滿足現(xiàn)場(chǎng)大部分的電磁式電流互感器的精準(zhǔn)快速誤差檢驗(yàn)的同時(shí)，還可以滿足在惡劣電磁環(huán)境中進(jìn)行電磁式電流互感器計(jì)量繞組錯(cuò)誤的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求，并實(shí)現(xiàn)測(cè)試效果的精準(zhǔn)穩(wěn)定，從根本上將GIS CT現(xiàn)場(chǎng)不能或難以檢定的問(wèn)題解決掉，從而確保計(jì)量的準(zhǔn)確程度，將電力企業(yè)的社會(huì)形象提升上去，這也是本文實(shí)施以后的發(fā)展導(dǎo)向。

本文設(shè)計(jì)中所采取的檢測(cè)屬于異頻小信號(hào)方法。小信號(hào)是在互感器校驗(yàn)時(shí)所用的大電壓和大電流信號(hào)相比而言的，因此小信號(hào)主要檢測(cè)的是小電壓和小電流。在實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，工頻高波諧波干擾以及工頻干擾信號(hào)是測(cè)試過(guò)程中的主要干擾源，對(duì)此，我們?yōu)榱吮M可能的降低干擾所帶來(lái)的影響，可以通過(guò)異頻干擾的測(cè)量方法應(yīng)對(duì)，同時(shí)在電路采樣前進(jìn)行高精度濾波和變頻電路的設(shè)計(jì)，有效地將干擾信號(hào)避免，讓采樣的精確度達(dá)到最高。

1 現(xiàn)行測(cè)試方法簡(jiǎn)介

當(dāng)前關(guān)于電流互感器的誤差測(cè)試主要有兩種方法，那就是直接法與間接法，傳統(tǒng)的測(cè)試方法中大多都以直接法為主，詳情可見(jiàn)圖1所示。

圖1 直接法用于測(cè)量電流互感器的示意圖

如上圖1就是互感器誤差實(shí)驗(yàn)所用的線路圖。在此過(guò)程里，互感器要在二次帶額定負(fù)荷與下限負(fù)荷中通過(guò)不同百點(diǎn)的額定一次電流展開(kāi)誤差測(cè)量，通過(guò)被校驗(yàn)互感器和標(biāo)準(zhǔn)互感器的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比，再通過(guò)校驗(yàn)儀得到最后的誤差結(jié)果。

雖然直接法測(cè)試存在著它獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，但是現(xiàn)場(chǎng)條件并不能滿足它的實(shí)施，所以這為直接法的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試帶來(lái)了困難。本系統(tǒng)所采用方法雖然原理上講屬于間接方法，但是我們?cè)谥苯臃y(cè)試的研究基礎(chǔ)上針對(duì)具體情況進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，最終形成了一種新的測(cè)試方法。

圖2 互感器等效電路圖

上圖2所展示的是較為常見(jiàn)的互感器等效模型，對(duì)它們的參數(shù)分別進(jìn)行測(cè)量，如它們的繞組電阻以及勵(lì)磁阻抗等，在改變它們運(yùn)行狀態(tài)的前提下得到不同的參數(shù)值，我們可以通過(guò)經(jīng)典的誤差公式進(jìn)行模型在不同狀態(tài)下的誤差測(cè)量。由此可以發(fā)現(xiàn)，間接法在操作中不僅簡(jiǎn)單高效，而且具備工作量較小等優(yōu)點(diǎn)。

2 測(cè)試方法的改進(jìn)研究

2.1 測(cè)試的原理分析

本文設(shè)計(jì)中所采取的檢測(cè)屬于異頻小信號(hào)方法。小信號(hào)是在互感器校驗(yàn)時(shí)所用的大電壓和大電流信號(hào)相比而言的，因此小信號(hào)主要檢測(cè)的是小電壓和小電流。在實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，工頻高波諧波干擾以及工頻干擾信號(hào)是測(cè)試過(guò)程中的主要干擾源，為了盡可能的降低干擾所帶來(lái)的影響，可以通過(guò)異頻干擾的測(cè)量方法應(yīng)對(duì)，同時(shí)在電路采樣前進(jìn)行高精度濾波和變頻電路的設(shè)計(jì)，有效地將干擾信號(hào)避免，讓采樣的精確度達(dá)到最高。

2.2 測(cè)試方法改進(jìn)

小信號(hào)測(cè)試。在互感器經(jīng)典誤差理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)小信號(hào)注入進(jìn)行影響互感器誤差中的特性參數(shù)值，并將其代進(jìn)誤差公式中進(jìn)行計(jì)算得出結(jié)果；測(cè)試信號(hào)相對(duì)較小，所以測(cè)試的過(guò)程中安全性更高。尤其是對(duì)于大變比互感器，該文電流互感器校驗(yàn)裝置所輸出的信號(hào)是遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)方法所產(chǎn)生的信號(hào)的，測(cè)試原理如下圖3。

圖3 電流互感器原理圖

小信號(hào)檢測(cè)的設(shè)備儀器具有體積小且重量小等便捷特點(diǎn)，且小信號(hào)檢測(cè)設(shè)備的操作簡(jiǎn)易效率高，但是在現(xiàn)場(chǎng)的電流互感器校驗(yàn)中，若是出現(xiàn)沒(méi)有完全停電或者是一次母線仍舊有電的情況，那么將會(huì)給設(shè)備的檢測(cè)工作帶來(lái)干擾。因?yàn)閹щ姷母邏耗妇€在一定的條件下是可以形成交變磁場(chǎng)及電場(chǎng)的，所以當(dāng)CT一次和二次的檢測(cè)中出現(xiàn)感應(yīng)電壓時(shí)，產(chǎn)生的電壓極有可能會(huì)疊加或者耦合到設(shè)備校驗(yàn)的檢測(cè)信號(hào)中，最后導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)誤差。對(duì)于這種情況的干擾，我們通過(guò)異頻測(cè)量方法來(lái)進(jìn)一步提升測(cè)試結(jié)果的精準(zhǔn)度，電流互感器等效電路圖如下圖4。

圖4 電流互感器等效電路圖

異頻測(cè)量方法指的是區(qū)別于50Hz的測(cè)試信號(hào)，它的頻率范圍主要在40～60Hz，這個(gè)頻率和工頻相近但是又存在差別。在小信號(hào)技術(shù)基礎(chǔ)上的校驗(yàn)儀頻率范圍在48～52Hz，得到互感器參數(shù)之后根據(jù)相關(guān)公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換最后測(cè)得結(jié)果。現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)中，工頻干擾信號(hào)和工頻高波諧波干擾信號(hào)是檢測(cè)中的主要干擾源，因此在測(cè)量中采用異頻信號(hào)來(lái)濾除干擾信號(hào)以提升檢測(cè)精準(zhǔn)度。異頻測(cè)量方法的使用可以在很大程度上提升檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

2.3 誤差分析

在采集數(shù)據(jù)的過(guò)程中，需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。這便需要將原始數(shù)據(jù)離散化，所以在采樣過(guò)程中需要在一定時(shí)間間隔下采樣。這就像通過(guò)欄桿看風(fēng)景，總會(huì)有一部分風(fēng)景被欄桿擋住，所以不管采用的精度多高，采樣的過(guò)程中只能得到的是部分原始數(shù)據(jù)，因此難免會(huì)漏掉一部分有用的頻率，這種情況也被稱作柵欄效應(yīng)。數(shù)字信號(hào)在離散化處理中會(huì)產(chǎn)生頻率混疊的現(xiàn)象，但是這也只會(huì)在數(shù)字信號(hào)處理中出現(xiàn)，出現(xiàn)等步長(zhǎng)離散采樣的時(shí)候就會(huì)有這種現(xiàn)象出現(xiàn)，并且對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響。

除此之外，所截取信號(hào)頻率成分是頻率分辨率整倍數(shù)時(shí)，信號(hào)轉(zhuǎn)換所得的相位和頻譜的準(zhǔn)確率是非常精確的，進(jìn)而可以準(zhǔn)確分析出信號(hào)相位及頻譜。相反的是，如果所分析的信號(hào)中含有一定程度的不準(zhǔn)確頻率成分或信號(hào)所含有的頻率類型無(wú)法確定，這時(shí)進(jìn)行FFT轉(zhuǎn)換肯定會(huì)出現(xiàn)頻譜的泄漏情況。

一般情況下減小頻譜泄漏影響的方法有兩種：一是延長(zhǎng)采樣長(zhǎng)度，二是采用加窗函數(shù)。第一種方法可以得到更為準(zhǔn)確的原始數(shù)據(jù)進(jìn)而與頻譜泄漏所帶來(lái)的影響相抵消，但是原始數(shù)據(jù)采集量的增加所帶來(lái)的是數(shù)據(jù)處理速度的降低。而第二種方法的選擇會(huì)帶來(lái)更加復(fù)雜的操作。

2.4 信號(hào)的頻譜校驗(yàn)

實(shí)際工程應(yīng)用中，傅里葉變換在很多情況下是無(wú)法達(dá)到幅值和頻率的完美對(duì)應(yīng)。頻譜的泄漏一般都是很難避免的，對(duì)單諧波進(jìn)行加窗之后的理論誤差也只能達(dá)到36.4%，就算是十分合理的窗口也無(wú)法完全消除誤差。如漢寧窗口，其加窗誤差也只能達(dá)到15.3%，并不能完全消除誤差。這樣只能將所得的峰值譜線視作與其相對(duì)的頻率進(jìn)行估計(jì)，但即使這樣仍舊存在著較大的幅值誤差，且相位誤差也已經(jīng)達(dá)到正負(fù)九十度。這種情況下已經(jīng)不具備減少泄漏的作用，所以這時(shí)就需要采用其他的方法來(lái)計(jì)算和估計(jì)信號(hào)的幅值與頻率。