1、寬量程電流互感器控制方法研究寬量程電流互感器控制方法研究 摘 要：當一次工作電流大范圍變化時，電流互感器的測量誤差將會發(fā)生較大的變化。為解決這個問題，在理論分析方面，通過對雙級零磁通電流互感器磁動勢補償外加勵磁回路特性的分析，建立完全可控的雙級零磁通電流互感器狀態(tài)反饋控制模型，考慮到電流互感器的勵磁電流的非線性和不可直接提取特性，采用物理相似的方法，獲得電流互感器勵磁電流的相似電流，并通過自適應方法進行補償，可以得到高準確度寬量程電流互感器；在實際測試過程中，一次電流從額定值的 5%變化到 120%，該電流互感器的測量誤差不超過一次電流額定值 100%時準確度為 0.1 級的測量標準。 關鍵詞

2、關鍵詞：電流互感器；寬量程；狀態(tài)反饋；自適應 1 1 前言前言 單級電磁式電流互感器的測量誤差與互感器參數、結構和工作點均有關1。人們通過改變電流互感器的結構2-5和參數6-10，一定程度上提高了電流互感器測量準確度。自哈伯遜提出零磁通方法，并指出該方法是實現電流互感器達到高準確度的一種重要途徑，且誤差具有與一次電流無關等特點1，人們在此方面做了大量工作，確定了雙級電流互感器的結構，建立了相量和電路分析方法11，實現了雙級電流互感器磁動勢和電動勢補償兩大類補償方式12。由于零磁通電流互感器準確度的最終表現為補償機構的準確度1，因此補償回路的結構和補償方法將影響零磁通電流互感器的測量準確度。 由

3、于電流互感器鐵心的磁滯回線具有一定非線性，因此外加勵磁回路必須具有相應的非線性特性。人們曾利用串接電容器和輸出反饋技術實現外加勵磁回路，但電容器針對的對象局限性較大；輸出反饋技術不可能很好解決非線性的問題，因而外加勵磁回路的合理構成成為提高零磁通電流互感器測量準確度的關鍵。文13通過對零磁通電流互感器及外加補償回路的分析，得到補償量完全可控的模型，為實現高準確度電流互感器提供了理論基礎。 電流互感器一次電流有效值變化范圍較小時，上述方法可以有效提高電流互感器的測量準確度，但一次電流有效值變化較大時，即使利用上述方法也很難保證測量準確度。原因是上述方法都是根據電流互感器處于某個工作點進行參數設計

4、的，而且為固定參數，當電流互感器的工作點變化較大時，預先設定的參數不能跟蹤全范圍的變化，因此，在這種情況下，上述方法不能有效提高電流互感器的測量準確度。為此本文提出參數自適應方案，以跟蹤電流互感器工作點變化的情況，實時調整補償器輸出的幅值，實現拓寬電流互感器量程的目的。在實際測試過程中，對于 0.5 級電流互感器，其一次電流從額定值的 5%變化到 120%，該電流互感器的測量誤差始終不超過一次電流額定值 100%時 0.1 級準確度標準。實驗證明這個方案是正確的，且互感器精確測量量程得到明顯拓寬。2 2 磁動勢補償零磁通電流互感器原理磁動勢補償零磁通電流互感器原理 磁動勢補償雙級零磁通電流互感

5、器的原理接線如圖 1 所示，I 為主鐵心，II 為輔助鐵心，N1和N2為一次和二次繞組，分別繞在兩個鐵心（I 和 II）上，Nm為檢測繞組，Np為補償繞組， Z2為二次負荷阻抗，Zp為外接可調阻抗，Ee為外加補償電動勢，D 為測量儀表（指零儀）。 對于磁特性和尺寸相同的鐵心 I 和 II，若沒有補償勵磁繞組Np，則兩個鐵心的磁特性狀態(tài)完全相同，負荷所需能量由鐵心 I 和 II 勵磁繞組共同提供；如果補償回路串接外加補償電動勢Ee，則補償線圈產生補償電流，鐵心 II 磁動勢重新平衡，負荷所需能量由鐵心 I 和 II 勵磁電流聯合提供，使鐵心 I 中的磁工作點發(fā)生變化。調整阻抗Zp，可使二次負荷全

6、部由鐵心 II 承擔，即鐵心 II 中的磁通密度很高，從而使鐵心 I 中達到零磁通，實現電流互感器的高準確度測量。3 3 零磁通電流互感器狀態(tài)反饋模型零磁通電流互感器狀態(tài)反饋模型 依圖 1 所示，按零磁通電流互感器的工作原理列寫其狀態(tài)方程如下。 鐵心 I 的磁動勢平衡方程式中 i02為鐵心的勵磁電流；i3為外加補償電流提供的勵磁電流。 對于電流互感器的二次負荷回路（將二次負荷分解為電阻和電抗的形式），按電動勢平衡有式中 S1為鐵心 I 的截面積；l1為鐵心 I 的平均磁 假設鐵心 I 和 II 工作在非飽和區(qū)，可得狀態(tài)方程上式可簡寫為 由于實施控制的目的是使鐵心 I 達到零磁通，對應的狀態(tài)量穩(wěn)

7、態(tài)值i01(t)必須趨于原點。對于任何形式的外擾w w，狀態(tài)量i01(t)均不受影響，則控制量實施狀態(tài)反饋和外擾反饋，即 外擾 w 提供給系統(tǒng)為強制分量，若系統(tǒng)穩(wěn)定，則自由系統(tǒng) x=(A+BFx)x 在一定范圍初始值下，應趨于原點。若能保證 x=(A+BFx)x 的特征值小于零，就可使上述系統(tǒng)的極點配置在左半平面。只要將矩陣 A+BFx構成下三角矩陣，就可實現特征值小于零，則有下式成立。 這時狀態(tài)i01(t)既不受w w控制，又不受狀態(tài)i02(t)約束。對角元素與f1無關，f1可取為零；化簡對角元素可知均小于零，即系統(tǒng)一定是穩(wěn)定的，狀態(tài)i01(t)一定趨于原點。 綜上所述，可得控制規(guī)律為 由式

8、(13)可以看出，i1(t)為正弦波情況下，控制量的第二分量為正弦，第一項為含有諧波的分量。控制量u的各參數均為定值，與電流互感器的運行點無關，即說明鐵心 II 工作在非線性區(qū)時，該控制規(guī)律仍然有效13。 依式(13)可以得到這樣的結論，若對雙級電流互感器進行磁動勢補償時，在其穩(wěn)定的前提下，補償量應包括激磁電流和正弦分量兩部分。4 4 寬量程電流互感器寬量程電流互感器4.14.1 寬量程電流互感器結構寬量程電流互感器結構 圖 2 中，N1為一次線圈，N2為二次線圈，N3為補償線圈，N4為檢測線圈，Z為電流互感器二次負荷；鐵心 I 承擔勵磁磁通，鐵心 II 承擔誤差磁通；補償器包括幅值自適應和功

9、放兩個功能模塊；誤差檢測模塊輸出直流誤差信號；相似電流提取模塊提供與互感器相似的勵磁電流。4.24.2 工作原理工作原理 寬量程電流互感器實際是一種基于有源補償的雙級電流互感器，補償器以誤差檢測結果最小為控制目標，該目標是通過磁動勢補償方法實現的。當N3線圈沒有注入補償電流時，上述互感器的勵磁磁通由一次電流提供，為互感器原始運行狀態(tài)，互感器的勵磁磁通分別由鐵心I、II 承擔；當N3線圈中注入勵磁電流后，鐵心 I 中承擔的勵磁磁通將增加，由于互感器總勵磁磁通基本不變，則鐵心 II 中的勵磁磁通減少；當鐵心 II 承擔勵磁磁通達到最小（即接近零磁通）時，說明互感器的勵磁磁通基本由鐵心 I 承擔，此

10、時達到控制目標。 根據上述原理，N3線圈中注入的補償電流應該是互感器的勵磁電流，但由于電流互感器的勵磁電流不能直接提取，因此采用物理相似電感方法間接提取勵磁電流，兩個電流的近似程度取決于相似鐵心的磁特性和工作點的近似程度。當相似電感與互感器在相同的磁場強度和磁感應強度條件下，相似電感的勵磁電流與電流互感器勵磁電流成正比2，但兩者幅值比將隨一次工作電流變化產生相應變化，該變化量與互感器測量誤差成線性關系。為此將相似電感的勵磁電流作為補償器的第一個輸入量，并將誤差檢測模塊的直流輸出作為補償器的第二個輸入量。補償器的第一輸入量乘以第二輸入量的積分值構成補償器的輸出量，將該輸出量注入到補償線圈中，形成

11、互感器的補償勵磁磁通，當補償勵磁磁通達到一定程度時，可以基本代替原互感器的勵磁磁通，從而達到降低互感器測量誤差的目的。 在此前提下，對相似勵磁電流幅值進行自適應調整，以保證一次工作電流從 5%到 120%變化范圍內互感器的測量準確度不變，達到寬量程測量準確度基本不變的目的。4.34.3 幅值自適應原理幅值自適應原理 雙級電流互感器幅值自適應模型如圖 3 所示，其中YM為參考模型輸出（即電流互感器的勵磁電流），Y為可調增益系統(tǒng)輸出（即相似勵磁電流）。 該模型的廣義輸出誤差為 按照梯度法，使J下降最快的方向是它的負梯度方向，于是參數Kc應調整為 即當(YM-Y)YM轉換為直流量后，A(s)（即補償

12、勵磁電流幅值自適應機構）可以通過乘法器和積分器的組合加以實現。5 5 寬量程電流互感器誤差分析寬量程電流互感器誤差分析 考慮到N3線圈參與勵磁，則寬量程電流互感器復誤差可以表示為 從式(26)可以看出，寬量程電流互感器的測量誤差由相似勵磁電流的相似程度決定，當相似程度較高時，該電流互感器具有較高的測量準確度。由于可調增益Kc為動態(tài)調整參數，因此一次工作電流的變化對其測量準確度的影響很小。6 6 實驗實驗 寬量程電流互感器容量為 10VA，實驗結果如表 1 所示。 從表 1 可以看出，該電流互感器在一次電流從 5%到 120%的變化過程中，寬量程電流互感器的測量誤差始終小于一次電流 100%、準

13、確度為 0.1 級的測量標準。7 7 結論結論 理論證明，雙級電流互感器磁動勢補償量包括勵磁電流和正弦分量兩部分；在物理相似的前提下，寬量程電流互感器的測量誤差由相似電感勵磁電流與電流互感器勵磁電流的相似程度決定；采用增益自適應方案，可以動態(tài)調整補償信號幅值，以保證一次電流大范圍變化時，互感器的測量誤差在較小的范圍變化。實驗證明，在一次電流從 5%到 120%的變化過程中，寬量程電流互感器的測量誤差始終小于一次電流 100%、準確度為 0.1 級的測量標準。參考文獻參考文獻1 趙修民測量用互感器M北京：機械工業(yè)出版社，19862 鮑海，余保東，楊以涵（Bao Hai，Yu Baodong，Ya

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