摘要：在数字化变电站过程层中最为重要的设备是电子式互感器，为电力系统的安全稳定运行提供可靠的保障。其中，基于罗氏线圈的电子式互感器不存在磁饱和问题，频率响应范围宽，易于实现数字化。本文介绍了国家标准对互感器谐波要求和罗氏线圈电子式电流互感器原理，总结了罗氏线圈电子式电流互感器谐波测量的简单实用方法，通过高精度谐波源配合标准电流互感器和互感器校验仪对电子式电流互感器进行了谐波测试。
关键词：罗氏线圈；电子式电流互感器；谐波测试
引言
非线性负载在目前得到了大范围的使用，非线性负载指的是整流器、变频器等。用户侧的电能质量问题日益严重，其中以谐波污染为主。谐波是一个周期电气量的正弦波的分量，其频率为基波频率的整数倍。理想的电力系统是以正弦波方式进行供电的，然而谐波实际上是无时不在的，谐波的存在使电压、电流的波形产生畸变。
1国标对互感器谐波要求
谐波的实验，应该在额定一次电流和额定频率叠加所要求的各次谐波频率分量，该分量为额定一次电流的某一百分数。这样的一次电流能提供互感器动态要求的逼真图像，从而使互感器中可能发生的某些非线性现象（例如内调制）得到良好的反映。但是，获得产生这种一次电流的试验电路往往有困难。标准指出，可以从实际考虑，各次测量准确度的试验仅在一次侧施加单一谐波频率是可以接受的，功率计量类互感器谐波要求见表1。
表1功率计量类互感器谐波要求
2罗氏线圈电子式电流互感器原理
在环形截面非磁性骨架上绕上导线，构成的空心电感线圈被称之为罗氏线圈。罗氏线圈可以方便地对高压回路进行隔离测量。罗氏线圈有方框型和圆型，两者原理相同，本文试验中采用的罗氏线圈为圆型。罗氏线圈型电子式电流互感器原理图如图1所示，其中KI为互感器积分电路的输出信号。
图1罗氏线圈电流互感器原理图
根据相关电磁关系，一次电流通过罗氏线圈环内一次导体时，线圈两端的电压e（t）与电流I的关系如式（1）所示。
上述公式中，μ0为真空磁导率；N为绕组匝数；h、Rα、Rj分别为非磁性骨架材料的高度、内径与外径；i（t）为被测试电流。由上式可知输出电压e（t）与电流变化率成正比，通过对其输出电压进行积分可以获得被测一次电流i（t），大小如式（3）所示：
罗氏线圈的误差范围比较大的情况实在输入电流（5%～20%）较小的时候，但是由于不存在磁饱和问题，在额定电流至几十倍额定电流范围内线性度较好。罗氏线圈的被测电流几乎不受限制，反应速度快，可以测量前沿上升时间为纳秒级的电流，且准确度可优于0.1%。
3测试方法
3.1试验原理
根据式（1）和电磁关系，可以分析出，一次电流在罗氏线圈中产生的磁通Φ与一次电流I通过的匝数和罗氏线圈自身的匝数有关，当一次导体绕罗氏线圈N1匝后通过时，线圈两端的电压e1（t）与被测电流i（t）的关系如式（4）所示：
式中，N1所表示的是一次导体通过罗氏线圈的匝数。由式（4）可知，可以通过增加一次导体绕罗氏线圈的匝数N1，降低通过一次导体的电流，达到与一次导体以额定电流单匝通过罗氏线圈同样的效果。例如，某互感器额定一次电流为600A单匝通过罗氏线圈后产生的磁通量为Φn。可以通过将一次导体绕罗氏线圈50匝通以12A电流，在不考虑漏磁的情况下，其在罗氏线圈中产生的磁通量也为Φn。
3.2单一频率谐波试验方法
根据上面多论述的实现原理，设计出下面对罗氏线圈进行谐波测试的试验方法，单次谐波测试示意图如图2所示。将测试导线同时绕互感器传感头和标准互感器N1匝，利用高精度谐波源施加一较小的单次谐波电流，使其与电流互感器额定一次电流等效。利用电子式互感器校验仪测试电子式电流互感器的谐波准确度。
图2单次谐波测试示意图
只有证明谐波电流的正确测量实现途径是标准电流互感器，才能为此次测试系统的可行性提供保障。为此可以利用录波装置同时监测标准电流互感器的一次谐波电流输入处（测试点1）的波形和标准电流互感器二次谐波电流输出处（测试点2）的波形，也可以利用互感器校验仪测试标准电流互感器在单次谐波输入时的比差、相差准确度。实际测试表明标准电流互感器可以正确测量谐波电流。标准电流互感器2～13次谐波比差和相差最大值均出现在第13次谐波，此时的比差值为-0.019%（标准限值为16%），相差值为-21.7′（标准限值为960′），满足测试要求。以额定电流为600A的电子式电流互感器为例，试验时，一次导体绕罗氏线圈50匝，谐波源输出12A单次谐波电流，初始相位为0，谐波次数为2～13次。上述试验方法等效于一次施加600A谐波电流。记录互感器在各次谐波电流下的比差、相差，试验结果如图3和图4所示。由于被测电流互感器的比差测试结果相对于标准规定限值非常小，在图3中被测电流互感器的比差曲线与横轴基本重合。
图3被测互感器比差测试数据
图4被测互感器相差测试数据
3.3基波叠加谐波分量试验方法
基波叠加谐波分量试验方法是在基波上面分别叠加各次谐波分量。具体为：将测试导线同时绕互感器传感头和标准互感器N1匝，利用高精度谐波源施加一较小的单次谐波，一次导体穿过罗氏线圈圆心，施加需要的一次基波大电流I，利用电子式互感器校验仪测试电子式互感器的谐波准确度，公式（5）为各次谐波电流计算公式：
其中：I为总电流有效值，I0为基波电流有效值，Ik为第k次谐波电流有效值。以额定电流为600A的电子式电流互感器为例，试验时，谐波源的2～5次谐波有效值为额定一次电流600A的10%，6～13次谐波有效值为额定一次电流600A的5%，谐波初始相位均为0。由式（5）可以计算出需要施加的各次谐波含量和基波含量，数据如表2所示。
表2谐波电流施加量
按照表2数据对罗氏线圈电子式电流互感器进行谐波测试，比差和相差测试结果如图5和图6所示。
图5被测互感器比差测试数据（按表2数据）
图6被测互感器相差测试数据（按表2数据）
3.4两种试验方法比较
根据上述的实验结果可得，这两种方式都能实现对电子式电流互感器的谐波测试。单一频率谐波试验方法虽然能够对谐波进行测试，但是由于谐波源功率有限，该试验方法不能对额定电流很大的电子式电流互感器进行谐波测试。基波叠加谐波分量试验方法由于施加的谐波电流最大为额定电流的10%，因此该试验方法能够实现对更大额定电流的电子式电流互感器进行谐波测试，可测试互感器的额定电流能够高达单一频率谐波试验方法的10～20倍。
结语
综上所述，两种实验方式不仅适用于罗氏线圈电子式电流互感器的谐波测试，无论何种原理的电子式电流互感器，只要其传感头结构能够满足缠绕多匝测试导线，本试验方法就能用来考核其谐波准确度。比如外卡式全光纤电流互感器等。只要具备大功率谐波源，单一频率谐波试验方法也可以实现对电子式互感器的谐波进行全面考核，因此寻求满足要求的大功率谐波源是完善本试验方法的后续方向。
参考文献：
[1]司小平，乐丽秦，赵国生.罗氏线圈电子式电流互感器的设计[J].电子设计工程，2013，21（21）：144-147.
[2]雍静，娄方桥，王一平，等.低压配电系统单相非线性负荷的谐波衰减效应研究[J].中国电机工程学报，2011，31（13）：55-62.
[3]夏勇军，苏昊，胡刚，等.电子式互感器原理及工程应用进展[J].湖北电力，2007，31（4）：1-4.
论文作者:周明,王欢,毛新平,杨梦彬
论文发表刊物:《电力设备》2017年第23期
论文发表时间:2017/12/6
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