技术领域

本发明涉及电流互感器计量绕组的一种直流偏 磁自动补偿装置， 具有对直 流偏磁进行自动补偿的功能， 属于电力系统电磁测量领域。

背景技术

作为变电站一次设备的重要组成部分， 电流互感器在变电站中具有为后续 计量、 保护及监控设备提供测量信号的重要作用， 其运行的可靠性和稳定性非 常重要。

交、 直流混合运行的电网结构使得交、 直流系统之间的相互影响越加明 显， 双极高压直流输电线路检修或单极故障时需以 单极 -大地回线方式运行 时， 会有很大的直流电流流过接地极， 此时会在大地上形成恒定的直流电流 场， 产生地表电位差， 在交流网络中变压器绕组、 架空线和大地形成的回路中 产生直流电流， 从而在变压器和电流互感器回路中产生直流偏 磁。 直流偏磁会 加剧电流互感器的铁心饱和磁化， 引起电流互感器发生磁滞畸变， 改变电流互 感器的传变特性， 引起电流互感器的测量误差， 从而影响电流互感器的计量和 保护性能。

以 2013 年锦苏特高压直流运行工况统计看， 锦苏 2013 年锦苏特高压直流 不对称运行或单极大地运行方式主要集中在 1 月初末、 2 月中下甸、 5 月中下 旬、 6月初、 7月中甸、 9月中甸等期间， 最长单次持续时间 5天， 最短持续 3 小时， 入地直流最大达 4000A。 全年累计单极对地运行时间 267 小时， 累计不 对称运行 89 小时。 直流输电单极运行造成的直流偏磁会使电流互 感器产生计 量误差偏大， 还会对电网安全稳定运行产生隐患。 目前， 抑制直流偏磁主要采取限流、 隔直、 注入反向直流以及电位补偿的 方法，即：（1)中性点串联电阻；（2)中性点� �联电容；（3)线路串联电容； （4)中性 点注入反向直流电流； （5) 直流地电位补偿法。 以上方法均采用简化的电路模 型，忽略了变电站接地网络、 土壤结构、 电网拓扑网络以及变电站变压器的直 流电阻和输电线路的直流电阻等相关影响因素 ， 导致误差较大。 变电站间的输 电线路是直流电流流通的主要通道， 由于 500kV 站的主变压器多为直接接地运 行方式， 因此当各变电站的直流地电位存在显著差异时 ， 各变电站主变和站间 线路上会有直流电流通过。 由于 500kV输电线路的直流电阻较小， 所以只要有 较小的电位差就能够激起较大的直流电流。 由于变电站接地电阻、 站间线路直 流电阻和主变绕组直流电阻存在差别， 导致变压器各相流过的直流幅值并不相 同。 常州武南变、 苏州吴江变等站的实测数据结论已证明此结论 。

因此， 在电流互感器二次侧开展消除或减小直流偏磁 对电流互感器影响的 相关实验研究， 能弥补目前直流偏磁抑制技术的不足， 是亟待研究和开发的新 技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是： 在电流互感器二次侧消除或减小直流偏磁 对电流互感器影响。

为解决上述技术问题， 本发明采用以下技术方案。

电流互感器计量绕组的直流偏磁自动补偿装置 ， 其特征在于： 电流互感器 主体的计量铁芯上具有计量绕组和补偿绕组， 所述补偿绕组与直流偏磁自动补 偿装置连接。

前述的电流互感器计量绕组的直流偏磁自动补 偿装置， 其特征在于： 所述 计量绕组和补偿绕组为同一铁芯的两个独立线 圈， 如图中线圈 K1K2 和线圈 K3K4 , K2K3 不连接）， 或同一铁芯一个线圈的不同抽头 （如图中 K1K2K4 , K2K3 连接）。

前述的电流互感器计量绕组的直流偏磁自动补 偿装置， 其特征在于： 直流 偏磁自动补偿装置安装在电流互感器底座上。

前述的电流互感器计量绕组的直流偏磁自动补 偿装置， 其特征在于： 所述 直流偏磁自动补偿装置包括标准变换器， 标准变换器串联接入计量绕组二次回 路， 将电流互感器二次侧电流信号转换为电压信号 ；

标准变换器的输出信号接入阻抗变换电路， 阻抗变换电路具有高输入阻 抗， 使信号传输路径有合适的阻抗匹配；

阻抗变换电路的输出信号经过倍频电路之后转 换为倍频信号， 作为相敏检 波的参考信号； 阻抗变换电路的输出信号同时经过带阻滤波电 路之后， 作为相 敏检波的输入信号；

倍频电路用于产生相敏检波电路所需的参考信 号， 带阻滤波电路用于滤除 工频信号， 增大信噪比；

相敏检波电路用于提取电流互感器二次侧输出 信号的偶次谐波信号； 相敏检波电路的输出信号通过低通滤波电路， 滤除相敏检波输出信号的高 频成分， 得到直流成分；

低通滤波的输出信号经负反馈控制器进行计算 和负反馈调整后输出。 最终 控制压控电流源输出与一次直流电流成比例的 直流补偿电流， 使得二次输出偶 次谐波最小， 此时直流电流作为电流互感器二次侧补偿绕组 的补偿电流， 达到 最佳补偿效果， 直流补偿电能能够抵消一次电流直流分量对电 流互感器直流偏 磁的影响。

负反馈控制器包括减法器和一个 PID控制器， 输入信号和设定值相减作为 PID调节器的输入， 经 PID调节后， 信号输出。

本发明的工作原理： 本发明设计了电流互感器计量绕组的直流偏磁 自动补 偿装置， 电流互感器计量铁芯上具有计量绕组和补偿绕 组两个独立绕组， 计量 绕组作为电流互感器正常工作的输出绕组， 而补偿绕组用于注入补偿电流， 以 抵消直流偏磁对电流互感器特性的影响， 从而具有直流偏磁自动补偿功能。 直 流偏磁自动补偿装置用于检测电流互感器二次 侧测量绕组输出的偶次谐波分量 的大小及相位， 从而控制直流电流源向电流互感器二次侧补偿 绕组注入相应量 的反向直流电流作为补偿电流， 补偿电流在补偿绕组中产生磁场， 抵消一次侧 直流所产生的磁场， 从而实现对电流互感器直流偏磁的自动补偿。

附图说明

图 1 是本发明电流互感器计量绕组的直流偏磁自动 补偿装置整体结构示意 图；

图 2 是本发明电流互感器计量绕组的直流偏磁自动 补偿装置安装结构示意 图，

图 3是电流互感器计量绕组的直流偏磁自动补偿� �置的原理框图； 图 4是电流互感器计量绕组的直流偏磁自动补偿� �置的试验接线图； 图 5 是电流互感器计量绕组的直流偏磁自动补偿装 置的负反馈控制器原理 框图。

图中： 11-母线， 12-电流互感器， 13-正常计量绕组输出抽头， 14-补偿绕 组抽头， 15-直流偏磁补偿装置， 16-220V电源插头， 17-二次取能线圈。 1-调压器， 2-升流器， 3-直流电流源， 4-电容柜， 5-标准电流互感器， 6-被校 电流互感器， 7-标准信号变换箱， 8-直流偏磁补偿装置， 9 -互感器校验仪。 具体实施方式

结合附图对本发明作进一步的描述。

如图 1 所示， 电流互感器计量铁芯上具有计量绕组和补偿绕 组， 其中计量 绕组和补偿绕组可以为同一铁芯的两个独立线 圈， 如图 1 中线圈 K1K2 和线圈 K3K4 , K2K3 不连接， 也可以为同一铁芯一个线圈的不同抽头， 如图 1 中 K1K2K4 , K2K3连接。 计量绕组作为电流互感器正常工作的输出绕组 ， 而补偿绕 组采用多抽头电流互感器的未使用绕组或专为 实现补偿作用设计的二次绕组， 用于注入补偿电流。 直流偏磁自动补偿功能的实现， 是通过检测电流互感器二 次侧输出的偶次谐波分量的大小及相位， 控制直流电流源向电流互感器二次侧 补偿绕组注入相应量的反向直流电流作为补偿 电流， 补偿电流在补偿绕组中产 生磁场， 抵消一次侧直流所产生的磁场， 从而实现对电流互感器直流偏磁的自 动在线补偿。 整个补偿过程为闭环控制， 第一次补偿如果没有完全消除直流偏 磁的影响， 则互感器二次输出仍有二次谐波分量， 通过检测二次谐波分量， 继 续对直流偏磁进行补偿， 直至输出中不含二次谐波分量为止。

直流偏磁自动补偿技术首先需要检测电流互感 器输出的二次谐波含量， 以 此定量评估一次侧直流量， 从而控制电流源产生相应的补偿直流以减小或 者抵 消一次侧直流影响。 直流偏磁自动补偿方案的难点主要在于定量获 取二次谐波 含量， 并根据二次谐波含量自动产生补偿直流电流。 为此， 设计了电流互感器 直流偏磁自动补偿装置， 采用了标准变换器技术、 阻抗变换技术、 倍频技术、 带阻滤波技术、 基于相乘原理的相敏检波技术、 多级滤波技术、 压控电流源技 术。

标准信号变换器串入计量绕组二次回路， 将电流互感器二次侧电流信号转 换为电压信号， 用于获取电流互感器二次侧电流信号作为直流 偏磁自动补偿装 置输入。 该变换器主要起到信号隔离、 获取信号的作用。 为了保证不影响电流 互感器原二次侧负荷， 设计的标准信号变换器通过小 CT 进行隔离， 保证电流 互感器二次侧不会开路， 安全可靠。 小 CT 的二次输出电流接电阻 R 则变换为 电压信号， 作为直流偏磁自动补偿装置输入。 标准信号变换器一次负荷小于 0. 25VA, 负荷很小， 基本不改变电流互感器原二次负荷的分布情况 。

标准变换器的输出信号接入阻抗变换电路， 阻抗变换电路具有高输入阻 抗， 使信号传输路径有更合适的阻抗匹配。 阻抗变换后的信号一方面经过倍频 电路之后转换为倍频信号， 作为相敏检波的参考信号； 另一方面经过带阻滤波 电路之后， 作为相敏检波的输入信号。 倍频电路用于产生相敏检波电路所需的 参考信号， 带阻滤波电路用于滤除工频信号， 增大信噪比。 输入信号与参考信 号两路信号作为相敏检波电路的输入信号， 相敏检波电路用于提取电流互感器 二次侧输出信号的偶次谐波信号。 相敏检波电路的输出信号通过低通滤波电 路， 滤除相敏检波输出信号的高频成分， 得到直流成分。 低通滤波之后的信号 经过压控电流源电路， 产生与偶次谐波含量成正比的直流电流， 以此作为电流 互感器二次侧补偿绕组的补偿电流， 以抵消直流偏磁对电流互感器特性的影 响， 从而实现对互感器直流偏磁的自动补偿， 减小直流偏磁对互感器测量精度 直流偏磁自动补偿装置电源供电可以采用一次 外接电源供电， 也可以采用 一次线圈取能供电。 当一次电源供电时采用外接电源供电时， 需要用到电源模 块， 能够保证直流偏磁自动补偿装置正常供电。 当一次线圈取能供电时， 则设 计为额定一次电流的 3%开始工作点工作， 当一次电流小于额定值 3%时， 直流 偏磁给互感器带来的测量误差相对于互感器本 身在额定 3%测量点误差较小， 则 直流偏磁自动补偿装置停止工作， 不进行直流偏磁补偿。

设计的直流偏磁自动补偿装置在正常工作情况 下， 不会影响电流互感器的 正常运行。 下面是正常工况下对电流互感器计量的影响进 行的分析。

该装置的输入信号取自电流互感器的二次绕组 ， 如图 1， 当补偿绕组和计量 绕组相互独立时， 补偿绕组 K3K4 的直流电流不会感应到二次绕组 K1K2; 当补 偿绕组和计量绕组为同一线圈的不同抽头时， 补偿绕组的直流电流只在补偿绕 组 K3K4回路流过， 不会流经二次绕组 K1K2。 补偿绕组 Κ3Κ4接压控电流源， 其 阻抗趋近于无穷大， 因此补偿绕组也不会影响二次绕组交流电流。 因而该装置 在实际运行时不会对电流互感器计量本身产生 不利影响。

设计的直流偏磁自动补偿装置在该装置出故障 的情况下， 也不会影响电流 互感器的正常运行。 下面是对该装置出现故障情况下对电流互感器 计量的影响 进行的分析。

1 ) 电流互感器和补偿装置之间的连线断线

如果互感器和补偿装置之间的连线断线， 如图 1所示， 其中 a点断线， 则 补偿装置的输入信号为 0， 其输出直流也为 0， 此时不对互感器进行补偿。

2 )补偿装置误出直流

直流偏磁电流的大小一般不会超过某一极限， 则补偿装置的输出也不应该 超过此值。 补偿装置电路中设计了保护电路部分（图 l_b )， 当补偿装置输出电 流过大时， 则保护电路动作， 使装置输出为 0， 不进行补偿。 3 )补偿装置供电回路断路或短路

当补偿装置供电回路断路时，如图 1所示， c点断路， 补偿装置没有供电， 则输出直流为 0， 即不补偿。

当供电回路短路时， 由于短路时电流较大， 补偿装置中的供电回路中设计 了相应的熔断器， 短路时自动熔断， 将供电回路断开， 此时补偿装置的输出直 总之， 直流偏磁在线补偿装置即使在出故障的情况下 ， 最坏的结果就是不 对互感器进行直流偏磁补偿， 但不会影响互感器的正常运行。

图 3 为电流互感器计量绕组的直流偏磁自动补偿装 置的原理框图， 主要包 括标准变换器、 阻抗变换电路、 倍频电路、 带阻滤波电路、 相敏检波电路、 低 通滤波电路、 压控电流源电路等。

标准变换器串入计量绕组二次回路， 将电流互感器二次侧电流信号转换为 电压信号。 标准变换器的输出信号接入阻抗变换电路， 阻抗变换电路具有高输 入阻抗， 使信号传输有更合适的阻抗匹配。

阻抗变换后的信号一方面经过经过整形倍频为 Ι ΟΟΗζ , 作为相敏检波的参考 信号； 另一方面经过 50Hz 带阻滤波之后， 作为相敏检波的输入信号。 倍频电 路用于产生相敏检波电路所需的参考信号， 带阻滤波电路用于滤除工频信号， 增大信噪比。

输入信号与参考信号两路信号作为相敏检波电 路的输入信号， 相敏检波电 路用于提取电流互感器二次侧输出信号的偶次 谐波信号。 相敏检波电路的输出 信号通过低通滤波电路， 滤除相敏检波输出信号的高频成分， 得到直流成分。

低通滤波之后的信号经过压控电流源电路， 产生与偶次谐波含量成正比的 直流电流， 以此作为电流互感器二次侧补偿绕组的补偿电 流， 以抵消直流偏磁 对电流互感器特性的影响， 从而实现对互感器直流偏磁的自动补偿， 减小直流 偏磁对互感器测量精度的影响， 提高互感器的测量准确度。

图 4 为电流互感器计量绕组的直流偏磁自动补偿装 置的试验接线图。 为了 测试该自动补偿装置的性能， 在设计完成该自动补偿装置之后， 对其性能进行 了验证性试验， 试验按照图 3 的试验接线图接线。 试验用到的设备包括： 1-调 压器， 2-升流器， 3-直流电流源， 4-电容柜， 5-标准电流互感器， 6-被校电流 互感器， 7-标准信号变换箱， 8-直流偏磁补偿装置， 9 -互感器校验仪。 交流 电流源采用调压器 1、 升流器 2 组成， 调压控制升流器输出交流大电流； 直流 电流源 3产生直流电流； 电容柜 4用于隔离直流， 使直流电流不会流过交流升 流器， 同时直流电流源具有高输出阻抗， 使得交流电流流过直流电流源， 因而 标准电流互感器 5将只有交流电流通过， 而本设计的新型电流互感器 6将流过 交流大电流和直流电流的叠加电流， 此时本设计的电流互感器计量绕组的一种 直流偏磁自动补偿装置将会产生直流偏磁。

根据实验接线图， 将被校电流互感器计量绕组输出的电流信号经 标准信号 变换箱 7转换为电压信号后接入直流偏磁补偿装置 8， 直流偏磁补偿装置的输 出信号反馈到电流互感器补偿绕组， 使用互感器校验仪 9对同一时刻的标准电 流互感器和本设计的新型电流互感器两路输出 信号进行校验， 测试比差、 角 差。 分别对未补偿和补偿线之后的互感器准确度进 行测试， 并进行对比。

未加补偿装置时的实验表明， 自动补偿装置能检测出电流互感器偏磁情 况， 其输出的直流电流和一次电流 DC含量有一定比例关系。

加补偿装置后的实验表明， 自动补偿装置通过定量获取偶次谐波含量， 能 够判断互感器偏磁情况， 并输出反向直流电流自动进行补偿， 补偿效果显著。 实验证明， 本设计的电流互感器计量绕组的一种直流偏磁 自动补偿装置， 能够实现对直流偏磁的自动补偿， 补偿效果显著。