3種電子式電流互感器的傳變特性分析與比較

謝瓊香，何瑞文，蔡澤祥，李佳曼

（1.廣東工業大學自動化學院，廣州 510006；2.華南理工大學電力學院，廣州 510000）

電子式電流互感器ECT（electronic current transformer）的出現，解決了傳統的電磁互感器存在的磁飽和、暫態精度低以及諧波測量的欠缺等方面的問題[1]，以其數字化輸出和適應網絡化接線等明顯優勢適應了繼電保護系統和測量裝置向微機化和數字化方向的發展趨勢，成為電力系統研究與應用的一個熱點。

根據IEC 60044-8標準，ECT采用光學裝置、空芯線圈（有或無內置積分器）及配有并聯取樣電阻用作電流電壓轉換的鐵心線圈3種不同類型傳感器作為一次轉換部分，不同類型的ECT所表現的優勢及存在的約束條件也不一樣，為了探討之間存在的差異性，本文從準確度、飽和特性、頻率特性及暫態特性等方面對3種ECT進行了實驗研究與比較分析，為ECT在數字化變電站的應用研究提供一些實際的參考價值。

1 實驗研究方案

ECT的飽和特性接線示意如圖1所示，實驗結構由升流裝置、標準通道、被測通道和WYET-1A型電子式互感器校驗儀4部分組成。標準通道由標準電流互感器構成；被測通道由被測互感器、信號處理電路、A/D采樣板、合并單元等組成。被測ECT的對象是Rogowski線圈互感器、低功率電流互感器LPCT（low power current transformer）以及全光纖電流互感器FOCT（fiber optical current transformer）。標準通道和被校通道通過全球定位系統GPS（global positioning system）秒脈沖分頻后同步采樣，WYET－1A型電子式互感器校驗儀通過采集標準通道和被校通道傳遞的電參量，并將同一時刻的2個信號進行比對處理，通過自帶的算法計算出被校ECT的誤差情況。

圖1 ECT的飽和特性接線示意Fig.1 W iring of ECT saturation characteristic

ECT頻率特性接線如圖2所示，校驗儀采集繼保測試儀和被校通道傳遞的電參量，計算出誤差并顯示波形。ECT暫態特性的實驗接線和頻率特性類似，不同之處在于標準通道和被測通道分別經過A/D采樣板和合并單元的2個通道，由于發生故障的暫態過程的時間很短，通過ZH－5N網絡報文分析裝置代替電子式互感器校驗儀來顯示其波形，該裝置具有數據錄波和錄波回放功能。

圖2 ECT的頻率特性接線Fig.2 W iring of ECT frequency characteristics

采用等安匝法進行實驗，設額定一次電流600 A，一次線圈等安匝數200匝，則一次等效額定電流為3 A。即通過等安匝法放大等效一次大電流，以滿足實驗室測試條件。

2 實驗結果分析與比較

2.1 準確度

通過在繼電保護測試儀中設置不同的工頻被測電流，并分別在5%、20%、100%、120%的額定電流下測試其互感器準確性，經過電子式校驗儀得出的誤差見表1。

表1 不同百分數額定電流下互感器的準確性Tab.1 Accuracy of transformers with the different percentage of rated current

由表1可知，在小電流的測量中，LPCT的準確度最高，達到0.1級；Rogowski線圈互感器在小電流應用中，傳感頭輸出的電壓是mV級的，容易受到外界的干擾，準確性難以保障[2～4]。而在額定電流附近，準確度比較高，可以達到0.2級；FOCT在小電流測試中誤差最大，在小電流測量當中相位信息不靈敏，導致采樣出錯，從而出現嚴重的過零失真現象。但在工頻下測量額定電流時準確度可以達到0.2級。

根據校驗儀導出的數據還原出5%額定電流下3種ECT的輸出波形，如圖3所示。

實驗表明，LPCT適合作測量用電子式電流互感器，Rogowski線圈互感器和FOCT在小電流測量中都存在著較大的誤差。

2.2 飽和特性

設置工頻采用一次額定電流600 A，通過等安匝法分別施加5、10、15、20、25倍的額定電流對3種ECT的飽和特性進行測試，結果見表2。

從表2可知，Rogowski線圈電流互感器在不同倍額定電流下比差比較穩定，復合誤差在1.5%附近，準確級比較高，可以達到5P；FOCT在5～20倍額定電流下輸出的比差較大，其偏振誤差來源于起偏器、相位調制器、λ/4波片和光纖傳感頭線性雙折射、圓雙折射等[5～7]，實驗時一次線圈纏繞的等安匝并不均勻，導致偏振光偏振面的旋轉，從而造成FOCT的測量誤差。在25倍額定電流輸出的時候，比差和角差都很小，復合誤差達到4%左右；LPCT的信號處理電路板設計為測量用，被測電流約大于2倍額定電流時，電子電路發生截波現象，被測波形在峰值處達到飽和，此時LPCT傳感頭還未發生飽和，從電子式校驗儀導出傳感頭及最后輸出的數據還原波形，如圖4所示。

圖3 5%額定電流下3種ECT的輸出波形Fig.3 Waveforms of three types of ECT with 5%rated current

表2 不同大電流下的ECT誤差Tab.2 ECT errors with different high-current

要觀察傳感頭在大電流下的輸出是否飽和，則需要采用示波器直接觀察LPCT傳感頭的情況，傳感頭分別在5、10、15、20、25倍的額定電流下由示波器導出數據還原出的波形，如圖5所示。由圖可見，LPCT傳感頭設計在5倍額定電流下輸出波形正常，還未出現飽和現象。隨著電流的增大，鐵心逐漸進入飽和狀態，10倍額定電流時信號波形開始出現失真情況，隨著一次電流繼續增大，傳感頭輸出波形的畸變程度也越來越明顯。

圖4 2倍額定電流下LPCT傳感頭和最后輸出波形Fig.4 Output waveforms of LPCT sensor head and the final with double rated current

Rogowski線圈互感器和FOCT具有不飽和特性，適用于測量暫態和穩態交流大電流；LPCT穩態測量精度高，但其包含鐵心，雖然在正常工況下鐵芯不會飽和，但在短路故障過程中存在重合閘，重合閘操作會產生很大的剩磁通，使LPCT在短時間內迅速飽和，不適合測量大電流和繼電保護。

2.3 頻率特性

在繼電保護測試儀中設置額定電流頻率45～1 000Hz，測試ECT的頻率特性。根據IEC60044－8和GB/T20840.8中對ECT的規定，ECT應在標準頻率范圍內滿足其準確級要求[8]。標準頻率范圍中，測量用準確級應為額定頻率的99%～101%，保護用準確級應為額定頻率的96%～102%。電子式電流互感器在標準頻率范圍內仍然可以保證準確性，誤差情況如表3所示。

頻率在45～1 000 Hz范圍內變化時，ECT的比差和相差的情況如圖6所示。

由圖6可見，Rogowski線圈互感器的比差小且比較穩定，而相差隨著頻率的增大而線性增大，一方面是由于傳感頭輸出信號相差的變化，受其自身結構參數及電磁參數的影響；另一方面是由于電子電路的相頻特性，特別是移相電路的相移是隨著頻率的增大而增大的，移相電路對于不同頻率的信號所產生的相移是不一樣的，根據實驗樣機給出的信號處理電路中的移相電路在1 000 Hz所產生的相移為44°，所以高頻電流下的相移主要是由移相電路的相頻特性造成的；LPCT在不同倍頻下的比差和相差比較小，無明顯波動；FOCT的相差小，比差隨著頻率的增大而增大，可以保持在5%范圍內，仍然滿足IEC60044－8規定的對功率計量的諧波準確度為0.2級的要求。

圖5 LPCT在5、10、15、20、25倍額定電流下的電壓波形Fig.5 Waveforms of LPCT sensor head with 5、10、15、20、25 times the rated current

因此，ECT的頻率特性主要決定于電子線路部分，通過改善電子電路結構使其可以測出高壓電力線路上的諧波。ECT具有較寬的測量頻率響應范圍，能夠真實地反映某些高頻信號，為基于暫態量的繼電保護實現提供準確可靠的數據基礎。

2.4 暫態特性

電力系統暫態電流包含有衰減的非周期分量和周期分量，互感器對暫態電流的響應實質上是對各分量響應的疊加，通過在實驗裝置中設定電流幅值，非周期分量以時間常數τ衰減（τ取40～120ms），在ZH－5N網絡報文分析裝置進行數據錄波和回放來分析這些參數變化對暫態特性的影響。Rogowski線圈、LPCT及FOCT以衰減時間常數為100ms時的暫態波形如圖7所示，其中第1條為標準通道得出的電流波形；第2條為被測通道得出的電流波形；第3條通過縱軸放大的、由標準通道與被檢通道相減的差值得到的最大瞬時誤差電流波形。

表3 額定電流工頻附近電子式互感器的誤差Tab.3 ECT errors with rated power frequency

圖6 在不同倍頻下ECT輸出的誤差情況Fig.6 ECT error situation with different octave

由錄波回放出的圖形可知，3種ECT的跟隨特性總體來講還是比較好的，其最大瞬時誤差電流分別是229 A、66 A、2 A。Rogowski線圈互感器的差值明顯是大得多，由于其自身的基本原理不能用于測量穩恒直流，傳變一次暫態電流時的誤差主要是由直流分量造成的，對交流分量的影響可忽略，故對于變化比較緩慢的非周期分量的測量存在有一定局限性；LPCT得出的最大瞬時誤差雖然較小，但是電流大到一定程度時會有飽和現象；FOCT得出的差值最小，只有2 A，可進行直流的測量，能用于高壓、特高壓場合測量高壓直流電流，能夠很好地滿足電力系統故障錄波的要求。

圖7 3種ECT在τ=100m s時的暫態波形Fig.7 Transient waveform of three types of ECT withτis100m s

3 結語

通過將3種不同類型的ECT進行實驗和比較分析，表明Rogowski線圈電流互感器不含鐵心，具有不飽和特性，測量大電流時精度高，但不能用于測量穩恒直流，在測量小電流下準確度難以保障；LPCT穩態測量精度高，但存在鐵心飽和問題；FOCT具有不飽和特性，能測量高壓直流電流及高壓電力線路上的諧波，但在小電流下測量下會出現過零點失真現象導致誤差大。盡管電子式電流互感器目前還存在一定的缺陷，還未達到實用化的成熟度，但其優越性是傳統互感器無法比擬的。

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[8]GB/T 20840.8—2007，互感器第8部分：電子式電流互感器[S].