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电子式互感器的计量准确性影响分析

发表时间：2020/10/20 来源：《基层建设》2020年第18期作者：张晓磊张晓星

[导读] 摘要：为了有效研究电子式互感器计量精度的相关因素影响，必须首先建立基于模数转换采样原理的电子式互感器测量误差模型，同时通过理论分析在不同电磁干扰条件下相关磁场的平行分量以及相对应的垂直分量对互感器输出计量准确度的实际影响，并量化采样频率对电能测量误差的影响。

        国网新疆电力有限公司电力科学研究院新疆乌鲁木齐 830001
        摘要：为了有效研究电子式互感器计量精度的相关因素影响，必须首先建立基于模数转换采样原理的电子式互感器测量误差模型，同时通过理论分析在不同电磁干扰条件下相关磁场的平行分量以及相对应的垂直分量对互感器输出计量准确度的实际影响，并量化采样频率对电能测量误差的影响。分析结果表明，电子式互感器计量准确度与采样频率以及相对应的强弱磁场有关，同时在采样频率上测量误差会随着采样频率的增加而减小，但减小的趋势减小。本文主要讨论了电子式电流互感器的准确度问题，通过分析电子式互感器的计量采样算法以及强磁场变化与互感器计量准确性之间的关系，进一步得出相关计量准确性影响因素。
        关键词：电子式互感器；计量准确性；影响因素；采样频率；强磁场
        电子式互感器是现代电力系统中的关键设备之一，为使高压电器设备能够朝着智能化、模块化、小型化、多功能和少维护的方向发展，电子式互感器主要能够有效适用于监测以及诊断和保护相关系统的实际运行状态。同时互感器作为电气系统当中十分重要测量设备，其主要能够提供相关测量数据以及相对应的控制和保护设备运转的各种信息。在我国相关学者多年的实践研究下表明，传统电磁变换器的隔离结构较为复杂，同时还存在着一定的固有缺陷，如相关铁磁质饱和以及磁共振现象。另外，随着现阶段数字化变电站的快速发展，互感器的二次输出不再需要提供很大的输出功率[1]。因此，在目前世界各国当中旨在开发新型的电子式互感器，在消除电磁变换器的一些主要缺陷的同时，能够以其较小功的率来通过二次输出从而进一步有有效适应数字化变电站的发展需求。互感器作为能够进一步有效保证供电系统正常、安全、可靠运行的重要设备，采取大面积使用还能够直接与相关发电厂或变电站的输配电线路进行有效连接，或与动力室进行有效相连，电子式变压器还可与电能计量系统相连，但是如若出现计量不准确的情况则会导致其失效，往往会造成很大的损失。因此，变压器必须具有非常高的运行可靠性以及计量准确性。
        1 电能计量采样频率分析及算法
        电子式互感器的采样频率主要是通过对相关电能测量的精度具有一定的影响，同时相关高采样频率能够有效确保产生的数字信号更接近原始信号，而采样频率不足会引入定量误差。根据国家标准的要求，电子式互感器的采样率可以选择4kHz、2.4kHz、1kHz。根据行业标准，用于继电保护、故障记录、测量和测量的电子式互感器出口接口数据的采样频率必须为4kHz。目前，大多数由制造商生产并安装在数字站中的电子转换器配置有4kHz的采样频率。然而，采样频率远低于常用电子仪表的模块转换采样频率，例如，0.1的ADE7755单相安培测量芯片频率可以达到900kHz。
        在模拟量计量模型上首先周期T内的相关平均有功功率标准大小数值为：

（1）

                  图1 电压电流波形采样
        以相关f0表示为相关电力系统的电流频率以及电压大小，f采表示电子式互感器采样频率大小，采样时间间隔为Δt，采样起始角大小为θ，功率因数角为φ，电压电流采样波形图如图1所示，U、I分别代表电压及电流有效值大小，相关n为正整数，u（nΔt）和i（nΔt）分别为nΔt时刻的电压和电流。那么就可以得到相关表达式：
        u(nΔt)=2Usin(ω0nΔt+θ)                             （2）
        (nΔt)=2Isin(ω0nΔt+θ-φ)                            （3）
        在周期T当中相关采样点为N，那么相对应的得到平均有功功率大小为：

（4）

                    （5）
        将上述式子进行三角函数积化和差有效转换为：

                  （6）
        通过对（1）（2）式进行分析，结合（6）式得到相对应的采样转换模数模型：

                     （7）
        通过对（7）式进行三角函数积化和差转换得到：

                            （8）
        那么就可以得到相对应的采样电能计量误差为：

            （9）
        得出相关模数转换采样相关计量误差与相对应的采样起始角以及相关系统频率和采样频率、功率因数有关[2]。
        2 算法误差分析
        当相关功率因数与实际误差成反比时，相对应的功率因数越大，那么所造成的相关电能测量误差越小，当功率因数逐渐接近0时，误差突变为无穷大。提高采样速率可以减少模块转换过程中引入的电能测量的定量误差，但不能完全消除。一旦采样率达到一定水平，它就不再对减少定量误差有影响。因此通过测试在基于4kHz的电子变压器的采样频率比系统频率(50Hz)高80倍，即二次采样率为80，仅考虑基波的情况下，引入的定量误差值接近极限值的99.9%；电子式安培计ADE7755测量芯片的采样频率为900千赫，二次采样率为18000，定量测量误差可视为极限值[3]。由于采样速率高，ADE7755测量芯片比电子变压器具有更高的测量能力。

                      图2 强磁场向量分解
        3 强磁场变化与互感器准确度关系分析
        目前，常用的电子式电流互感器主要有相关低能功率型电流互感器和光学式电流互感器以及罗氏线圈式电流互感器，结合我国电网的发展实际情况，研究线圈式电子式电流互感器外部干扰b的强磁场分解成垂直于线圈的B1分量和平行于线圈的B2分量，如图2所示。在选强磁场在两种不同干扰成分下对电子式互感器的电流、电压和输出精度的影响，以确定如何降低强磁场对传统电子变压器和变压器输出精度的影响[4]。
        磁干扰场的垂直分量垂直主要是于由检测到的电流I产生的磁场，平行于每个空心线圈，并且通过每个线圈的磁流等于0，并且它不产生相应的感应电势。然而，当磁干扰场的垂直分量垂直穿过空心线圈周围半径为r的大环时，在线圈的出口端会产生感应电势，这会影响变压器的输出精度。假设线圈外的电流和测量的电流之间有一个距离L，那么相对应的磁场产生垂直分量干扰磁场所产生的感应电势为：

      （10）
        在上述式子当中我们可以得出相关感应电势与干扰磁场穿过线圈的面积A呈现正比趋势，同时通过带入数据由于感应电势叠加在相关被测电流的直分量当中从而导致相关产生误差超过1%[5]。通过上述式子以及分析的带相关磁场的垂直分量对互感器精度有影响，同时相关误差均大于0.2%。
        4 增强电子式互感器计量准确性相关建议分析
        采样原理的电子式互感器的电能误差模型，在相关模数转换过程当中通过有效引入相关定量误差有一个很小的值，不能通过增加采样频率来减小；基于4kHz采样频率的电子变压器在测量基波电能时与电子仪表相比具有相似的定量误差，但是测量谐波电能的能力相对较低。为了使变压器在强磁场干扰的情况下仍能满足0.2级要求，必须采取适当的措施来减少或消除外部干扰磁场和环境温度变化对变压器的影响。保持尖顶n的密度和截止面积一致。由于线圈n和s的不规则性，磁干扰场的平行分量和初级导体位置的变化对变压器有影响。当线圈被卷绕时，可以确保线圈的均匀性n和s，以便有效地消除或减少磁干扰场的平行分量和初级导体位置的变化对变压器的影响。围绕骨架的中心缠绕一个圆，以反转线圈的轨迹。对磁干扰场垂直分量的分析表明，对变压器的影响与磁干扰场穿过线圈的面积成正比，因此，当电干扰检测电势的实际面积减小到接近0时，磁干扰场垂直分量对变压器的影响可以通过绕过骨架中心的回路来消除或有效地减小。
        参考文献
        [1]段梅梅,李振华,李红斌,et al.电阻分压型电子式电压互感器误差分析及对电能计量的影响研究[J].电测与仪表,2015,052(002):59-63,79.
        [2]张茜,肖霞,徐雁,et al.开关柜内电场环境对电阻式电压互感器准确度的影响分析%Influence Analysis of Electric Field Environment on the Accuracy of Electronic Voltage Transformers Based on Resistor Divider in Switchgear[J]. 高压电器, 2019, 055(006):177-183.
        [3]卓浩泽,唐志涛,李金瑾,et al.温度对电子式电流互感器与传统电流互感器输出精度的影响[J].电测与仪表,2018,55(004):98-102.
        [4]胡琛,张竹,焦洋,等.基于随机矩阵理论的电子式互感器误差状态相关性分析方法[J].电力自动化设备,2018,038(009):45-53.
        [5]刘彬,叶国雄,童悦,等.气体绝缘开关设备的隔离开关分合操作对电子式互感器电磁兼容特性的影响[J].高电压技术,2018,44(4):1204-1210.