Smar{Grid第35卷第2期2019定2fl文章编号:1674—3814(2019)02—0023—08电网与清洁能源PowerSystemandCleanEnergyV01.35No.2Feb.2019中图分类号:TM932文献标志码:A电子式电流互感器测试技术研究现状分析李振华1,沈聚慧1,李红斌2,李秋惠3,陶渊1,李振兴1(1.三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌443002;2.华中科技大学电气与电子工程学院,湖北武汉430074;3.广东电网有限责任公司东莞供电局,广东东莞523000)ReviewofResearchSituationofTestingTechnologyforElectronicCurrentTransfoIrmersLIZhenhual,SHENJuhuil,LIHongbin2,LIQiuhui3,TAOYuanl,LIZhenxin91(1.CollegeofElectricalEngineering&NewEnergy,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,Hubei,China;2.SchoolofElectricalandElectronicEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,Hubei,China;3.DongguanPowerSupplyBureau,GuangdongPowerGridCorporation,DongguanABSTRACT:Howto523000,Guangdong,China)improvetheoperationastabilityand望电子式电流互感器在线校验技术发展方向将会朝着高精度传感头设计、高精度校验算法研究、保障操作人员安全等方向进行。reliabilityofelectroniccurrenttransformersisresearchofadifficultyinthethetestingtransformersmeantoatpresent,wherebytechnologyismeasuretheperformanceoftransformers.test关键词:电子式电流互感器;测试技术;离线校验;在线校验Thispaperreviewsresearchsituationsoftestingtechnologyforelectroniccurrenttransformers.First,thearestandardisgiven.电子式电流互感器作为测量和保护的重要设备,相对传统互感器具有频带响应宽、绝缘性能好、安全性高等优点,是智能变电站发展的必然选择。然而,挂网运行不稳定、长期投运测量精度不可靠等因素严重制约了其发展。为了及时发现存在的问题,需要依据国际标准和国家标准对电子式电流互感器进行测试,主要分为出厂前的测试、投运前测试和现场校验3种。国际标准为IEC颁布的((InstrumentmersPartS:ElectronicCurrentSecond,thetestitemsandonlinecalibrationintroducedandtheofflinecalibrationinthefieldcalibrationistechnologyanalyzedemphatically.Thekeyfactorsaffectingthecalibrationaccuracyareelaboratedindetail.Thegreatestadvantageoftheitscapabilitytoon—linecalibrationtechnologyliesindetectfaultsintime.Finally,thedevelopmentdirectionoftheonlinecalibrationtechnologyofelectroniccurrenttransformersisprospected,suggestingthatthedesignofhigh—precisionresearchonsensors,high—precisioncalibrationalgorithmandensuringTransfor—thesafetyofoperatorshavebecomethekeypointsoftheresearch.KEYTransformers))。2003年WORDS:electroniccurrenttransformer;testingtechnolo-gY;offlinecalibration;onlinecalibration摘要:目前,如何提高电子式电流互感器运行稳定性和可靠性是互感器研究的难点,随之应运而生的测试技术是衡量其性能的手段。围绕电子式电流互感器测试技术这一主题进我国出台了制定国家标准的计划,2007年正式实施GB/T20840.8—乞007((InstrumentTransformersPartS:Transformers))。国际标准和国家标准的颁布促进了电子式电流互感器的应用与发ElectronicCurrent行综述,给出了测试标准,介绍了测试项目,重点分析了现场校验中的离线校验与在线校验技术,详细阐述了影响电子式展1卜21。电流互感器校验精度的关键因素,并总结了在线校验技术的最大优点是能及时发现存在故障的电子式电流互感器。展1出厂前测试基金项目:国家自然科学基金资助项目(51507091)。PmjectSupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationof出厂前测试包括型式试验、例行试验和特殊试验。型式试验是检验型式互感器是否满足测试标准中除去例行试验外的的各项要求。例行试验是互感器必须满足的各项要求,测试项目最广。特殊试验China(5150709).李振华,等:电子式电流互感器测试技术研究现状分析V01.35No.2测试的项目是厂商与用户共同制定的。图1为3种测试的具体试验项目。型式测试包括:短时电流试验;温升试验;一次端子的冲击试验;户外型电子式电流互感器湿试验;准备度试验;保护用电子式电流互感器的补充准备度试验;防护等级的验证;密封性试验;振动试验。例行试验包括:端子标志检验;一次端子的工频耐压试验;局部放电测量;低压器件的工频耐压试验;准确度试验;密封性试验;电容量和介质损耗因数测量。特殊试验包括:截断雷电流冲击试验;一次端子多次截断冲击试验;机械强度试验;机械强度试验;谐波准确度试验;依据所采用技术需要用PC机的软件直接进行对比分析。其中,时钟装置控制两路通道实现同步采样。次信号源二[二工(囊羹囊茎被校电子式、电流互感器/f,\标准电流互感器三姿鐾兰兰.)i同步脉』墨堂.厮I鬲磊淖图1直接比较法原理图Fig.1Schematicdiagramofdirectcomparisonmethod鑫小旦兰竺:苎竺广禹I的试验刚。2投运前测试电子式电流互感器在通电运行前需要进行校验,通常是测试其准确度是否满足相应等级的要求。准确度校验一般在变电站现场,通过升流器产生所需的高电流,利用标准互感器通过校验系统来测试被校互感器。如果出现误差超过限值的情况,厂家则需根据测试结果对互感器的输出进行修正,使其满足相应准确度要求。与直接比较法相比,差值法的不同点在于被校验通道的二次转换器改为差值处理电路,见图2。2种方法优缺点对比分析发现:直接法对选取的2个互感器的额定变比不需要相同,扩大了选择的范围;差值法测试误差相对较小,要求被校互感器的输出量与标准互感器的输出量差别不大,同时限制了标准电子式互感器的选取。被校电子式电流互感器3现场校验电子式互感器运行一段时间后需要对其进行校验,验证其稳定性和可靠性。校验工作一般在现场进行。现场校验的项目有外观检查、绝缘电阻试验、工频耐压试验、时间特性试验、准确度试验、极性检查。通常所说的互感器的校验是指其准确度是否满足要求,通过比差和角差值来判断。离线校验和在线校验统称为现场校验岬】。3.1被一工标准电流互感器标准信号转换装置信置一糕TI雌耀rL排群一狲样Fig.2号一一控制采样图2差值法原理图SchematicdiagramofD—valuemethod电子式电流互感器离线校验3.1.2数字量输出校验如图3所示,合并单元及被校互感器共同组成被校验的通道,通过二者作为整体的数字输出进行校验。标准电流互感器、信号采集装置、信号转换装置共同构成标准通道。首先标准互感器输出的模拟信号,经转换装置转化为模拟小信号,经过信号采集装置转化为数字信号,然后与被校验的数字输出进行对比分析。被校通道和标准通道在同步离线校验是指互感器停电退出线路后测试其偏差,由于操作复杂,只能作为一种定期检修方式p81。离线校验根据电子式互感器输出形式分为2种测试方式。3.1.1模拟量输出校验图1为直接比较法原理图。直接比较法是指一次信号源通过两路通道进行数据转换和采集,利第35卷第2期电网与清洁能源函信号发生器的作用下实现同步采样。电子式互感器在数字式校验过程中对每个环节的准确性都有十分严格的要求。出运行,然后利用长导线,将加压加流设备产生的大电压大电流加到被校验互感器上。离线校验操作复杂,成本高,因此常常只能定期进行校验。电子式互感器较传统互感器故障率高但有效校验次数少,因此无法及时发现潜在的危险,同时也不能实施评估互感器的运行状态。针对这种情况,亟待开发一种新型电子式互感器带电校验方法,称之为电子式互感器在线校验“2_51。3.2.1基本原理在线校验系统顾名思义就是指在带电情况下对互感器完成测试的软硬件平台。测试分为两路通道,在同步时钟源的作用下合并单元端信号和标准通道输出信号同步进行采样,采样的两路数据分图3数字量输出校验原理图Fig.3Schematicdiagramofdigitaloutputcalibration别传送到上位机校验平台进行校验。在线校验系统原理图见图4。3.1.3存在的问题及发展趋势除了上述的模拟量输出校验的2种方法外,文献[9】提出可将标准互感器和被校互感器的模拟输出量转化为数字量后再进行校验的新方法。针对电子式互感器数字式输出校验,文献【lO】提出新的校验方案,将被校验互感器的数字量转化为模拟量后,与标准互感器的模拟量进行对比,计算相位差和比值差,或者先将标准互感器的输出进行模数转换,然后与被校互感器进行对比分析。以上表明电子式互感器的数字输出校验和模拟输出校验可以相互转化,但是缺陷是只能针对单一输出进行。对此,文献【ll】提出一种能够兼顾数字量及模拟量两者输出的校验方法,但该方法仅仅用于电压互感器校验。按照被校验互感器的输出形式的不同,电子式互感器离线校验有多种方法。其中,模拟量输出模式中的直接法对标准互感器的要求较低,但是二次转换器的存在会加大测量误差;差值法对标准互感器要求高,但相比直接法测量误差小。相比之下,数字量输出模式的校验方式对每一个单元的准确级都有较高要求。总之,无论数字量或是模拟量输出校验,误差均由信号处理算法误差、信号传输延时和同步误差、信号采集误差、标准互感器误差等构成。为了减小校验误差应该减小每一部分的误差,也这是今后需要继续研究的问题。3.2Fig.4图4在线校验系统原理图Schematicdiagramofon—linecalibrationsystem3.2.2标准传感头设计电子式电流互感器在线校验与离线校验相比研究的难点在于,需要考虑在带电情况下,设计出具有高精度传感技术的互感器。为了方便接人线路,设计的电流互感器通常为钳形结构。使用最普遍的为铁芯线圈电流互感器,其优点是测量精度高,缺点在于互感器接人线路,安装过程中存在气隙,气隙会影响测量精度。为了进一步提高测量准确度,文献【16】设计了基于PCB板的钳形空心线圈电流互感器,具有测量动态范围广、频带宽等优点。基于印刷电路板的特点使得线圈制造简单,生产成本低,同时避免了手工绕线产生的误差。钳形线圈的设计便于互感器接人线路,但是同时线圈容易受到开口气隙的影电子式电流互感器在线校验离线校验是目前实际生产中最为常用的一种校验方式。该方式需要将对应线路停电,互感器退函李振华,等:电子式电流互感器测试技术研究现状分析v01.35No.2响。为了验证PCB空心线圈是否能够满足精度要求,文献【16】针对开口气隙与误差的关系进行了仿真。图5表明,误差随着开口气隙增大而增大,但是控制气隙在O.1mm范围内,误差小于0.05%,可以达到准确度0.05级要求。文献[16]设计的标准电流互感器,采用PCB板钳形Rogowski线圈,虽然能达到0.05级准确度,但是还是存在如下不足:①没有解决钳形设计存在的开口气隙影响测量精度的问题。②在线校验操作过程需要工作人员带电作业,存在安全隐患。为了解决以上问题,文献[171提出了钳形结构的铁芯一空心双线圈电子式电流互感器,对2种线圈开口气隙与误差的关系进行了分析,如图6、图7所示。分析结果表明钳形铁芯线圈的比差、角差随开口气隙的增大而增大,角差影响更大。钳形空心线圈比差随开口气隙增大而增大,角差可以认为基本上不受到影响。利用2种线圈开口气隙与误差的关系,校验过程中两线圈输出相互比对的方式能够实现自动校准,设计的双线圈能够满足系统校验精度,经过测试可以达到0.05级的准确度。图5开口距离与误差关系图针对其问题文献[18】利用类似的方法,如图8所示,在钳形空心线圈中加入补偿线匝。研究发现D一空心线圈闭合时圆,Lo.一左半圆圆心o’一右半圆圆心,_左、右半圆开口气隙月。一空心线圈内半径。一右半圆第k个线匝空心线圈厚度(b)第一匝线圈气隙图(c)右半圈第一匝线圈图图6钳形空心线圈开口气隙分析Fig.6Analysisofopeningairgapofclamphollowcoil图7钳形铁芯线圈开口气隙分析Fig.7Analysisofopeningairgapofclampirone—coredcoil图8补偿线匝第35卷第251电网与清洁能源函比差随开口气隙的变化比不加补偿线匝要小得多,角差变化基本不变,表明加人的补偿线匝能够提高双线圈的测量精度。图9为加入补偿线匝后误差仿真图。的效果比其他相同宽度的窗函数更好。目前应用最广泛且准备度高的插值方法为双谱线插值。为了进一步优化插值方法,文献[23]中推导出三谱线插值修正算法,仿真实测数据显示其在加相同窗函数情况下能够提高计算精度。文献[241结合前学者对加窗算法和插值方法的研究,提出六项余弦窗与四谱线插值法,验证发现六项余弦窗FFrll插值算法精度与四项Nuttall、Rife—Vincent窗插值比要高。同时,如果加相同的窗函数,四谱线插值比三谱线插值比较精度也更高。上述列举的校验方法,均是在实验室内仿真测试所得,重点问题主要放在如何减小FFrI'存在频谱泄漏和栅栏效应上,以此来提高算法精度。但实际现场校验中,电网频率波动,周围存在复杂的电磁环境影响,其产生的谐波干扰和随机噪声是校验精度提升的难题所在。由此可见,优化算法的选择仍是今后研究的重点。升II趴禺/IllIll3.2.4在线校验系统软硬件设计如图10所示,在线校验系统的硬件包括信号采集模块、传输光纤与本地信号接收模块。本地信号接收模块采用激光供电方式,触发同步时钟装置产生同步脉冲,通过上行光纤保证信号采集模块实现同步采样。标准互感器的输出经过信号采集模块,通过取样电阻转换成电压信号,再进行信号放大和滤波。电压模拟信号通过A/D器转换成数字信号,通过下行光纤传输至合并单元。合并单元对数字化信号合并组帧,通过串口RS232发送至上位棚.【25。261。(b)角莘变化图9带补偿线匝的钳形空心线圈开口气隙与比差关系图Fig.9Relationsbetweenopenairpapandratiodifferenceofclamphallowcoilwithcompensationwinding3.2.3高精度校验算法作为电子式电流互感器校验的一部分,校验算法用于信号提取和误差计算。然而在现场校验的情况下,电子式电流互感器容易受到周围电磁环境的影响,校验结果受到一定干扰。因此如何利用一种高精度的校验算法成为电子式电流互感器校验的关键技术之一。常用的几种校验算法有:①正弦函数模型函数;②正交滤波函数;③高阶正弦拟合算法;④离散傅里叶变换及其插值校正算法;⑤D丌算法和准同步算法相结合;⑥快速F盯算法。其中FFvr算法及DFT算法得到了广泛应用”9。201。文献[211采用了DFF算法和与准同步算法相结合的新算法,F盯算法是DFT改进后所得的新算法,比较之下计算速度更快,运算工作量也得到减少。频谱泄漏和栅栏效应问题出现在没有实现同步采样的情况下,研究表明,频谱泄露可以通过加窗的方法得到抑制,栅栏效应可以通过插值的方法得到抑制。常用的窗函数有矩形窗、三角窗、Hanning窗、Blackman窗和卷积窗等。文献[22]利用基于相位差法的二阶Hanning卷积窗,测试发现抑制频谱泄漏Fig.10图lO校验系统硬件框图Hardwareblockdiagramofcalibrationsystem校验系统的软件是以上位机为仪器的平台,采用基于Labview图形化编程。校验系统软件主要功能是数据采集、参数输入、数据保存、计算分析、曲线展示和生成报告。Labview软件分主界面显示程序和后面板处理程序。主界面包括系统配置界面、■聪.SmartGrid困李振华,等:电子式电流互感器测试技术研究现状分析V01.35No.2合并单元状态、监测数据显示界面、程序状态界面、波形显示界面。3.2.5现场应用图11是文献[16-17]研制的电子式电流互感器现场测试场景图。lb)iUjA【U“【…些∞图11现场在线校验场景Fig.11On—linecalibrationscene钳形线圈的使用,标准互感器需要直接接入线路中,并且现场测试均需要带电作业。考虑到在变电站现场测试过程中,两设备之间的绝缘问题、连接互感器和断路器之间的导线的承重能力等问题,因此采用地电位带电作业更为安全。4结论本文针对电子式电流互感器测试技术的研究现状进行剖析,重点分析了现场校验技术。对离线校验与在线校验的原理和关键技术进行了阐述,并总结了2种校验方式的优缺点。为促进电子式电流互感器稳定长久发展仍存在以下问题亟待解决。1)标准互感器误差、信号采集单元误差、信号传输延时和同步误差以及校验算法误差都是影响电子式电流互感器校验精度的关键因素。因此今后应该从这4个方面研究减小误差。2)目前已经研究了能够兼顾模拟量和数字量输出的电子式电压互感器的校验方法,但是还没有应用到电子式电流互感器离线校验中,仍需完善研究。3)电子式电流互感器在线校验在变电站中使用过程中存在安全隐患。不仅标准传感头在安装过程中存在一定的危险,而且操作过程复杂,对操作员的操作规范要求严格。因此,研究遥控机械操作实现标准互感器的安装具有很重要的意义,这对于在线校验系统的推广应用起到了关键的作用。4)目前不同的合并单元的所采用的通信同步方式不同,接下来应该研究多同步方式,使其在不同测量环境下可以切换同步方式,保证在变电站不同的合并单元之间具有通用性。参考文献【1】芦亮,陈谦,代彦彦,等.电子式互感器在洛川750kV智能变电站的应用研究[J】.电网与清洁能源,2012,28(11):36-39.LULiang,CHENQian,DAIYanyan,eta1.Applicationofelectronictransfc'rnlerin750kVintelligentsubstationinLuoehuan[J].PowerSystemandCleanEnergy,2012,28(11):36—39.[2】中国国家标准化管理委员会.互感器:第8部分电子式电流互感器:GB/T20840.8—2007[¥1.北京:中国标准出版社,2007:3.[3]全国电磁计量技术委员会.钡4量用电流互感器检定规程:JJG313—2010[S].北京:中国标准出版社,2010:11.[4】国家电网公司.电子式电流互感器技术规范:Q/GDW424—2010[¥1.北京:中国电力出版社,2010:3.[5】张小庆,张宜阳,薛建,等.电流互感器大电流饱和测试技术研究[J】.电网与清洁能源,2016,32(7):58—64.ZHANGXiaoqing,ZHANGYiyang,XUEJian,eta1.Researchonhighcurrentsaturationtesttechnologyofcurrenttransformer[J].PowerSystemandCleanEnergy,2016,32(7):58—64.【6】李振华,于洁.电子式电压互感器电磁兼容性能的优化设计[J】.电网与清洁能源,2016,32(10):9-15.LIZhenhua.YUJie.OptimumdesignofelectromagneticSmarlGrid第35卷第2期电网与清洁能源29compatibilityperformanceofelectronicvoltagetransformer[J】.PowerSystemandCleanEnergy,2016,32(10):9—15.【7】李开成,李振兴,易杨.电子式互感器校验系统的研究【J】.电测与仪表,2009,46(12):43—47.LIKaicheng,LIZhenxing,YIYang.Studyoncalibrationsystemforelectronicinstrumenttransformers[J].ElectricalMeasurement&Instrumentation,2009,46(12):43—47.【8】金辉,吴浩,李志勇,等.环境温度变化对SF。电流互感器运行性能的影响研究[J】.电网与清洁能源,2017,33(12):65—69,76.JINHui,WUHao,LIZhiyong,eta1.StudyontheinfluenceofenvironmentaltemperaturechangeontheoperationperformanceofSF6currenttransformer[J].PowerSystemandCleanEnergy,2017,33(12):65—69,76.[9】9余春雨,叶国雄,王晓琪,等.电子式互感器的校准方法与技术[J】.高电压技术,2004,30(4):20—24.YUChunyu,YEGuoxiong,WANGXiaoqi,eta1.Calibrationmethodsandtechniquesofelectronictransformers【J】.HighVoltageTechnology,2004,30(4):20一24.[101DJOKICB,SOE.Calibrationsystemforelectronicinstrumenttransformerswithdigitaloutput[J].IEEETransactionsonInstrumentationandMeasurement,2005,54(2):479—482.【11】肖勇,潘峰,孙卫明.电子式电压互感器校验方法【J】.武汉大学学报,2014,47(3):350—353.XIAOYong,PANFeng,SUNWeiming.Amethodforcal—ibrationofelectronicvoltagetransformer[J].EngineeringJournalofWuhanUniversity,2014,47(3):350-353.【12】李振华,李闯,李振兴,等.数字量输出电子式电压互感器的高精度在线校验方法【J】.电力系统自动化,2015,39(13):163—167.LIZhenhua,LIChuang,LIZhenxing,eta1.Highprecisiononlinecalibrationmet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