電力保護電流互感器測量誤差檢測方法研究

摘要：受多方面因素共同影響，電流互感器測量結果存在較大誤差，為此，提出電力保護電流互感器測量誤差檢測方法。構建電流互感器光-電-磁三維多物理場耦合模型，綜合分析將原始的光信號轉換為電信號的實現過程。在測量誤差分析階段，引入磁動勢和電動勢平衡法則，根據磁動勢和電動勢失衡狀態，確定具體的誤差程度，實現電力保護電流互感器測量誤差檢測。測試結果表明，誤差檢測結果與實際誤差之間的差異穩定在0.03 A以內，與對照組相比，準確性和穩定性方面具有明顯優勢。

關鍵詞：電流互感器" 測量誤差檢測" 光-電-磁三維多物理場耦合模型" 光信號" 電信號" 磁動勢和電動勢平衡法則

Research on Measurement Error Detection Method for Power Protective Current Transformer

WU Shuncheng

Ninghe Power Supply Branch of State Grid Tianjin Electric Power Company， Tianjin， 301500 China

Abstract： Due to the joint influence of multiple factors， there is a large error in the measurement results of current transformer. Therefore， a measurement error detection method for power protective current transformer is proposed. A three-dimensional optical-electrical-magnetic multiphysics coupling model of the current transformer was constructed， and the realization process of converting the original optical signal into an electrical signal was comprehensively analyzed. In the measurement error analysis stage， the Magnetomotive Force and Electromotive Force Balance Law is introduced， and the specific error degree is determined according to the imbalance state of the magnetomotive force and electromotive force， so as to realize the measurement error detection of the power protective current transformer. The test results show that the difference between the error detection result and the actual error is stable within 0.03A， which has obvious advantages in accuracy and stability compared to the control group.

Key Words： Current transformer; Measurement error detection; Optical-electrical-magnetic three-dimensional multiphysics coupling model; Optical signals; Signal; Magnetomotive force and Electromotive Force Balance law

電流互感器測量誤差產生的原因主要是電流互感器本身的問題，如存在勵磁電流，這是輸入電流的一部分，它并不傳變到二次側，因此會形成變比誤差。針對此，在多二次繞組串級式電流互感器誤差計算方法中[1]，利用等效電路和相量圖對其工作原理進行詳細分析，然后推導出誤差計算公式。然而，目前的設計手冊和技術資料中較少涉及這方面的內容，因此這種計算方法的應用和普及還存在一定的難度。此外，電流在鐵芯中產生的磁通會有鐵芯損耗（渦流損失和磁滯損失）[2]，以及運行和使用條件（電流互感器鐵芯飽和或二次負載過大），也是誤差的一個來源[3]。針對此，以數據相關性分析為基礎的電流互感器誤差狀態評估方法中[4]，通過分析電流互感器輸入輸出數據之間的相關性，評估其誤差狀態。這種方法可以實現對電流互感器性能的實時監測和預警，有助于提高電力系統的穩定性和可靠性。然而，這種方法需要大量的歷史數據作為支持，而且對數據的質量和完整性要求較高。另外，由于電力系統的復雜性和動態性，數據相關性分析可能會受到多種因素的干擾，從而影響評估結果的準確性。

在此基礎上，鑒于電流互感器的測量誤差是一個復雜的問題，需要從多個方面進行深入分析，本文提出電力保護電流互感器測量誤差檢測方法研究，并通過對比測試的方式，分析驗證了設計檢測方法的性能。

1電流互感器測量誤差檢測方法設計

1.1三維多物理場耦合模型構建

電流互感器在實際測量過程中，其性能會受到電磁場、溫度場、應力場等多種物理場的共同影響，涉及光-電-磁三維多物理場耦合的復雜過程[5]。構建光-電-磁三維多物理場耦合模型能夠綜合考慮這些物理場之間的相互作用，從而更準確地模擬電流互感器的實際工作狀態。為此，本文構建電流互感器光-電-磁三維多物理場耦合模型。

從電磁感應角度分析，電流互感器的耦合模式可以表示為

式（1）中：表示感應電動勢（電壓）；表示電流互感器線圈的匝數；Ф表示磁通量。當通過電流互感器的磁通量發生變化時，線圈會產生相應的感應電動勢[6]。

從法拉第電磁感應定律與電流關系角度分析，其可以表示為

式（2）中：表示電流互感器的二次側電流參數；表示電流互感器的二次側的總電阻參數，包括線圈電阻和負載電阻。電流互感器的二次側電流與感應電動勢（電壓）之間建立關聯關系。

在此基礎上，電流互感器的光電轉換效率可以表示為

式（3）中：表示電流互感器的光電流參數；表示測量階段的入射光功率。實現對信號的轉化，使其以電信號的形式輸出具體的測量結果參數。

按照上述的光-電-磁三維多物理場耦合模型，電流互感器將原始的光信號轉換為電信號，實現對目標狀態數據的采集。

1.2電流互感器測量誤差檢測

通過電流互感器光-電-磁三維多物理場耦合模型，可以預測電流互感器在不同工作條件下的測量誤差情況，包括變比誤差和相位誤差等，為誤差檢測提供更為精確的理論依據。在上述基礎上，本文通過引入磁動勢和電動勢平衡法則，將具體的電流互感器測量誤差檢測問題轉化為磁動勢和電動勢失衡狀態分析問題。其中，引起失衡的原理如圖1所示。

在圖1中，和分別表示目標測量對象和干擾對象。在x-y坐標系中，和之間的位置關系決定了干擾的影響程度，即最終的誤差程度。針對此，本文結合結合1.1部分構建的電流互感器光-電-磁三維多物理場耦合模型，對誤差的分析結果可以表示為

式（4）中：表示電流互感器測量的光電流誤差參數；表示和之間的水平夾角。一般情況下，和之間的水平夾角為定值，且在運行工況不變的情況下，對應的電流互感器測量誤差參數也為恒值。結合式（4）可以看出，在電流互感器與干擾對象之間的位置關系不變的前提下，測量誤差與干擾電流的強度成正比關系，即干擾電流越大，對應的測量結果誤差越大；相反地，干擾電流越小，對應的測量結果誤差越小。

按照上述所示的方式，實現對電流互感器測量誤差的檢測，為實際的應用提供保障。

2測試與分析

2.1測試準備

為了驗證電力保護電流互感器測量誤差檢測方法的有效性，在測試階段，本文以某實際的電流互感器裝置為基礎開展對比測試。對測試裝置的具體組成情況進行分析，其主要包括鐵（芯硅鋼片制成，負責磁場傳輸和耦合）、初級線圈（多根細銅線繞制，負責接收高電流信號）、次級線圈（輸出轉換后的低電流信號）、絕緣材料和外殼（聚酰亞胺薄膜，負責保護和絕緣）。在此基礎上，對測試電流互感器裝置的運行參數進行統計，具體如表1所示。

在具體的測試過程中，分別設置等效電路相量圖檢測方法，數據相關性分析檢測方法以及本文設計的檢測方法作為測試的對照組。通過對比分析不同方法的測試結果，對其具體的性能作出客觀評價。

2.2測試結果與分析

對于不同方法的檢測性能，本文測量某輸變電裝置一次側的實際電流大小，并與其所在電力系統監測到的數據結果進行比較，數據結果如表2所示。

結合表2所示的測試結果對3種不同方法的檢測結果進行分析，其中，在等效電路相量圖檢測方法下，對應的誤差檢測結果與實際誤差之間的差異程度相對穩定，但是存在進一步控制的空間，基本在0.24～0.28 A區間范圍內；在數據相關性分析檢測方法下，對應的誤差檢測結果與實際誤差之間的差異程度波動明顯，最大值達到了0.49 A，最小值僅為0.09 A；在本文設計檢測方法下，對應的誤差檢測結果與實際誤差之間的差異穩定在0.03 A以內，與對照組相比，其在準確性和穩定性方面具有明顯優勢。

3結語

為了降低測量誤差診斷階段對電流互感器本身特性和運行條件的依賴性較強，不同條件下的誤差特性存在較大差異的情況，進一步深化誤差計算方法，以提高其準確性和適用性是極為必要的。本文提出電力保護電流互感器測量誤差檢測方法，并實現了對具體測量誤差程度的精準判斷，對于實際的電流互感器校正和應用具有良好的指導價值。

參考文獻

[1]賀春安，唐福新，葉飛，等.一種多二次繞組串級式測量用電流互感器設計及誤差計算方法[J].變壓器，2023，60（12）：6-11.

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