罗氏线圈电子式电流互感器谐波测试方法研究

罗氏线圈电子式电流互感器谐波测试方法研究

柴红伟，范冬冬，李保明，王晓丽，张改杰，邓明秀

(许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000)

摘 要：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。结果表明：该方法适用性强，操作简单，极大地丰富了谐波的测试方法。

关键词：谐波测试；电子式电流互感器；高精度谐波源；互感器校验仪

中图分类号：TM452 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2016)11-0047-04

Research on Harmonic Measurement Method of Rogowski

Coil Electronic Current Transformer

CHAI Hong-wei, FAN Dong-dong, LI Bao-ming, WANG Xiao-li, ZHANG Gai-jie, DENG Ming-xiu

（XJ Electric Co., Ltd, Xuchang 46󰀱000, China）

Abstract: Introduction was made to the harmonic requirements of transformer from the national standard and the Rogowski coil electronic current transformer principle. This paper summarized the simple and useful method of harmonic measurement of Rogowski coil electronic cur-rent transformer. Harmonic testing of electronic current transformer could be carried out with the high precision harmonic sources and standard current transformer and transformer calibrator. The results show that this method has strong applicability and simple operation, which greatly enriches the testing method of harmonics.

Key words: harmonic test; electronic current transformer; high precision harmonic source; transformer calibrator

近年来，由于非线性负载(如整流器、变频器等)被大量使用，用户侧的电能质量问题日益严重，其中以谐波污染为主[1-2]。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。电力系统中谐波产生的原因主要有[3-4]：(1)电网本身存在着周期性的非正弦独立电源。(2)工频电压或电流直接作用于非线性负载，会产生倍频谐波分量。(3)电力系统时变负载的作用产生奇数次、偶数次、非整数次的谐波，甚至会使工频基波消失。谐波污染给电网带来各种不同的影响，具体表现在：降低供配电系统的效率，增加各级电网的损耗；给各种用电设备带来附加损耗，

缩短寿命；影响各种表计的计量精度；另外，还可能使各级继电保护装置误动和拒动，给电网带来严重后果[1]。电子式互感器作为智能变电站中的核心二次设备，谐波测量是其重要的指标之一。电子式电流互感器国标[5]规定谐波准确度试验为通用特殊试验，但由于缺少大功率稳定谐波源，目前国内的检测机构均未正式开展电子式互感器谐波测试，谐波测试是电子式互感器测试的空白。随着电网对电能质量的要求越来越高，谐波测量相关试验方法及试验设备，越来越受到重视。本文结合工作实际，寻求一种简单的罗氏线圈型电子式电流互感器谐波测试方法。

1 国标对互感器谐波要求

理想情况下对谐波的试验，应在额定频率和

作者简介：柴红伟(1986- )，男，助理工程师，本科，从事继电保护装置和电子式互感器测试工作； 范冬冬(1987- )，男，工程师，硕士，从事继电保护装置和电子式互感器测试工作； 李保明(1987- )，男，助理工程师，硕士，从事继电保护装置和电子式互感器测试工作； 王晓丽(1985- )，女，助理工程师，本科，从事继电保护装置和电子式互感器测试工作。

4󰀷

电工电气 (20󰀱6 No.󰀱󰀱)额定一次电流上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[5]，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

在下列谐波下的电流(比值)

在下列谐波下的相位

准确级误差/%误差/(°)2～10～2～7～10～4次5和6次7～9次13次4次5和6次9次13次0.1124812480.224816248160.5510202051020201.0

10

20

20

20

10

20

20

20

2 罗氏线圈电子式电流互感器原理

罗氏线圈是将导线密绕在环行等截面非磁性骨架上而形成的空心电感线圈，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[6]，其中KI为互感器积分电路的输出信号。

IRC有源KI积e(t)分器Mdid(tt)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)[7]所示。

e(t)=- =-dφdi(t)

dtMdt(1)M= lnμ0NhRα

2πR(2)j

式中，μ0为真空磁导率；N为绕组匝数；h、4󰀸

罗氏线圈电子式电流互感器谐波测试方法研究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：

i(t)=i(0)- 1Me(t)dt(3)

罗氏线圈在较小输入电流(5%～20%)范围内误差较大，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[8]。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%[9]。

3 测试方法

3.1 试验原理

根据相关电磁关系，结合式(1)可知，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：

e(t)=Ne(t)=-Ndi(t)

11Mdt(4)

式中，N1为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

按照上文3.1部分的原理分析，设计如下试验方法对罗氏线圈进行谐波测试，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。

罗氏线圈电子式电流互感器谐波测试方法研究一次电流i(t)N1匝e(t)采集器合并单元高精度谐波源标准电流电子式互感互感器器校验仪测试点1测试点2图2 单次谐波测试示意图

要保证此测试系统的可行性，需要证明标准电流互感器能够实现对谐波电流的正确测量。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。

18161412功率计量标准%10差/8比64比差试验结果20-212345678910111213谐波次数

图3 被测互感器比差测试数据

12001000＇)800功率计量标准/(600相差400相差试验结果2000-20012345678910111213谐波次数

图4 被测互感器相差测试数据 电工电气 (20󰀱6 No.󰀱󰀱)

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。3.3 基波叠加谐波分量试验方法

该种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：

I= I20+I2 k(5)

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

谐波次数基波含量/A谐波含量/A

2～5597.0606～13

599.2

30

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。

18161412功率计量标准108比差/%64比差试验结果20-212345678910111213谐波次数

图5 被测互感器比差测试数据(按表2数据)

12001000)800功率计量标准/(＇600相差400相差试验结果2000-20012345678910111213谐波次数

图6 被测互感器相差测试数据(按表2数据)

49

电工电气 (20󰀱6 No.󰀱󰀱)罗氏线圈电子式电流互感器谐波测试方法研究3.4 两种试验方法比较

由3.2和3.3的试验结果可知，两种试验方法均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。

参考文献

[1] 陈仲，朱银玉，邱岩，等.近正弦输入电流三相整流器的分析和参数设计[J].中国电机工程学报，2009，29(36)：29-34.

[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] 吕润馀.电力系统高次谐波(电能质量技术丛书第

三分册)[M].北京：中国电力出版社，1998.

[4] 江冰，张卓，张金波.电力系统的谐波及其测量技术

[J].河海大学常州分校学报，2005，19(1)：10-14.[5] GB/T20840.8—2007 互感器 第8部分：电子式电

流互感器[S].北京：中国标准出版社，2007.

[6] 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.[7] 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.[8] 谢彬，尹项根，张哲，等．基于Rogowski线圈的

电子式电流互感器的积分器技术[J].电力系统保护与控制，2007，35(3)：45-50.

[9] KOJOVIC L.Rogowski coils suit relay protection

and measurement [of power systems][J].Computer

Applications in Power IEEE，1997，10(3)：47-52.

4 结语

本文探讨的试验方法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。

修稿日期：2016-09-22

(上接第46页)

5 结语

近年来，随着生产工艺技术及低压电器技术的快速发展，低压成套开关设备极少发生内部电弧故障，但不能完全避免电弧故障发生，在运行使用过程中，有可能因人员操作不当、固体绝缘材料的损坏、过电压等因素引发内部电弧故障。因此，本文利用GGD成套开关设备作为样机进行内部故障引弧试验并研究分析，得出符合内部电弧故障试验要求的成套设备应达到以下要求：充分理解标准，成套设备按试验标准设计开发；设计合理的泄压通道；柜内增加绝缘挡弧板防止内外部件烧毁；保护开关电器快速短路分断，能在100ms内检测并分断短路故障电流。󰀵0

参考文献

[1] 田广青.中低压开关柜内部故障电弧光保护系统

[J].电工技术，2004(10)：62-64.

[2] IEC/TR61643—2008 Enclosed low-voltage

switchgear and controlgear assemblies—Guide for testing under conditions of arcing due to internal fault[S].

[3] GB/Z18859—2002 封闭式低压成套开关设备和控制

设备在内部故障引起电弧情况下的试验导则[S].[4] 蔡彬，陈德桂.中压开关柜中内部电弧故障的计算方

法和防护措施[J].高压电器，2003，39(1)：8-11.[5] 李建基.开关设备中的故障电弧及其防护[J].电

力设备，2004，5(3)：41-43.

修稿日期：2016-09-14