电子式互感器误差及校验方法研究

作者简介:吕勇军(1958 ),男,教授,研究方向为智能仪器,嵌入式应用。

电子式互感器误差及校验方法研究

吕勇军

(沈阳工程学院,辽宁沈阳110136)

摘要:对传统的电磁互感器和快速发展的电子式互感器的误差概念和定义方法进行了介绍,指出了两者的区别。在此基础上,给出了传统电磁互感器的校验方法,同时对电子式互感器的校验方法进行了探讨。

关键词:电子式互感器;误差;校验

中图分类号:TM 45 文献标识码:A 文章编号:1006-2394(2010)09-0001-02

R esearch for the Error and M easuri ng M ethods of E lectronic Transfor m er

LV Yong jun

(Shenyang Institute o f Eng i neer i ng,Shenyang 110136,Ch i na)

Abst ract :The conception and defi n i n g m et h od o f err o rs of t h e traditi o na l transfor m er and t h e e lectron ic i n str um ent transfor m er are intr oduced .Base on this ,the ca li b ration m ethod of traditi o na l transfor m is g i v en and t h e ca libration m ethod o f electron ic i n stru m ent transfor m er is discussed .

K ey w ords :electr onic i n str um ent transfor m er(E I T );err o rs ;ca li b ration 0 引言

电子式互感器(E I T )与传统电磁式互感器相比具有诸多优点,电子式互感器具有无磁饱和、频率响应范围宽、动态特性好、绝缘结构简单、不存在二次开路或短路隐患等特点,它从根本上解决了互感器在电流、电压信号传输过程中所产生的附加误差,有利于变电站实现数据共享,能够满足更高程度变电站自动化需求。我国在电子式互感器方面的研究工作起步较晚,但是发展较快,目前电子互感器已经进入了实用阶段。为了保证电子式互感器的准确度,确保系统安全、稳定,必须对这些互感器进行测试。但是,与传统互感器相比,电子式互感器在测量原理、结构和输出信号的方式上发生了根本的改变,传统互感器测试方法并不适用于电子式互感器,难以应用电磁式互感器校验装置对其进行校验。因此电子式互感器的校验方法的研究一直是国内外的研究热点。

电子式互感器分为电子式电压互感器和电子式电流互感器两种。由于电子式互感器的精度目前尚无法大幅提高,因此暂时还无法利用电子式互感器作为标准,在对其进行校准时,仍然由电磁式互感器作为标准器为其提供标准信号。电子式互感器输出信号分为两类:一类是模拟信号输出,国家标准规定电子式电压互感器的模拟输出为1.625V 、2V 、3.25V 、4V 、6.5V,电子

式电流互感器的模拟输出为22.5mV 、150mV 、200mV 、225mV 、4V;另一类是数字信号输出,它是模拟信号的

等距抽样序列。对应这两种情况,电子式互感器的比差均可按照电磁式互感器的比差定义来进行计算,但是相位误差则依据情况的不同而有所变化,这取决于数字信号输出时数据处理和传输时间带来的延迟。1 互感器误差定义1.1 电磁式互感器误差

电磁式互感器误差产生的原因是互感器的激磁电流不为零,根据互感器磁势平衡原理可以得知由于激磁电流的存在,导致互感器的一次磁势安匝数不等于二次磁势安匝数。由于一次磁势安匝数和二次磁势安匝数均为相量,既有大小又有方向,所以其误差(以电流互感器为例)可以分为比值误差(f I )和相角误差( I )。它们的近似表达式为:

f I =-I 10/I 1si n ( I + 2) 100(%) I =I 10/I 1cos ( I + 2) 3438(

)式中:I 10为激磁电流,I 1为一次电流, I 为电流铁心中的损耗角, 2为电流互感器二次负荷的功率因数角。1.2 电子式互感器的误差

电子式电流互感器的输出信号可以分为模拟量输出和数字量输出两种。它的模拟量输出不同于传统电磁互感器电流输出,而是按照下式规定:

1 2010年第9期 仪表技术

式中:U s为二次输出的有效值,f为基波频率, s为二次相位移,U sdc为二次直流电压,u sres(t)为二次剩余电压,包括谐波和次谐波分量。

电子式电流互感器的数字输出信号是一系列的数值序列,与传统互感器相比,它是一种全新的形式。ECT采用等距抽样,其数字输出可以通过下列关系式描述:

i s(n)=2I s si n(2 ft n+ s)+I sdc(n)+i sres(t n)

n=1,2, ,N

式中:i s(n)为合并单元输出的数字量,代表一次电流的瞬时值,I s为合并单元输出的基波有效值,I sd c(n)为包括指数衰减分量的二次直流输出,i sr es(t n)为包括谐波和次谐波分量的二次剩余电流输出,n为数据组计数器的计数,即采样次数,t n为一次电流第n次数据组的抽样时刻,f为频率, s为二次相位移。

电流测量中电子式互感器的电流比差为实际变比不等于额定变比引起的误差,它的表达式为:

=(k r d I s-I p)/I p 100(%)

式中:k rd为额定变比,I p为实际一次电流在其谐波分量i p,r(t)=0时的有效值,I s为当i sd c(n)+i sres(t n)=0时的数字输出二次电流有效值。

电子式电流互感器的相位误差 e比电磁式互感器复杂。电磁式互感器的相位误差指互感器的一次电流相量与二次电流相量的相位之差 ,即 e。电子式互感器由于数据处理和传输过程会在时间上产生延迟,因此产生的相位差可能较大,把它当作 e显然不宜,所以电子式互感器的 和 e应分别定义。数字输出的电子式互感器相位差 与传统互感器的相同,即一、二次电流的相位之差,指在一次接线端子上出现某一电流时刻与对应数字启动传输时刻的时间差(表示成与额定频率相关的角度单位)。而相位误差 e则为 减去因额定相位差 or(电子式互感器因选用的技术产生的额定相位差)和额定延时时间t d r(数据处理和传输所需时间的额定值)所引起的偏移量,即一个时钟脉冲到与数字传输值对应的一次电流抽样间的时间差 e= -( or+2 ft d r)。

2 互感器误差校验方法

2.1 电磁式互感器误差校验方法

电磁式互感器校验方法是通过被检互感器与标准互感器二次电压或电流的比较,测得二次电压或电流与一次电压或电流在同相和正交两方向的误差值,即比差和角差。

目前,我国使用较多的数字式互感器校验仪大多采用差值法原理进行取差,通过数字逻辑电路对误差信号进行采样、运算处理,然后将测试的标定点、比差、角差等参量用数字显示出来。而智能互感器校验仪是以单片机为核心对差值的正交分量、同相分量以及基准信号进行采集,然后经过计算得出各个参量。常见的智能互感器校验仪测量电路如图

1所示。

图1 智能互感器校验仪原理框图

2.2 电子式互感器误差校验方法

电子式互感器的输出信号可以分成模拟信号和标准数字信号,而对于模拟信号误差校验方法与数字输出校验方法在原理上是不同的。

校准模拟输出的电子式互感器同电磁式互感器在原理上没有本质的区别,标准器还采用标准电磁式互感器,利用标准信号与被测模拟信号相差后,取差值进行测量。由于电子式互感器的模拟输出都是小电压信号,所以在校验中一个重要的问题是微弱信号的处理问题。因此,校验具有模拟信号输出的电子式互感器时,利用改进后的传统电磁式互感器校验系统进行。

在校准数字输出的电子式互感器时,由于无法利用电子式互感器作为标准,而采用标准电磁式互感器,因此有两种校验方法:一种方法是将被测电子式互感器的数字输出经D/A转换,转换成模拟输出信号,然后与标准互感器输出比较。这种方法的优点是,被测信号被还原成模拟信号后就可以按照电磁互感器的校验方法进行差值测量法校验,原有设备不需要大的改动,可以以很低的成本实现互感器的校验;它的难点是,如何准确测量被恢复的模拟输出信号的相位误差的问题,这其中包含了数据采样、A/D转换、数据处理、D/A转换等环节的时间延时。另一种方法是将标准电磁互感器的模拟输出经A/D转换器转换成数字信号,计算机采集到标准数字信号,通过接口读入被校验电子式互感器的测量信号,通过DFT算出测量信号的幅值和相位,测量信号与标准信号的幅值差除以测量信号的幅值就得到了比差;测量信号进行DFT变换后得到的相位值,减去标准信号进行DFT变换后得到的相位值,再减去固定的硬件延时转换成的相位值,就得出了角差;准同步DFT的算法误差非常小,因此校验方法的软件误差可以忽略,其测量误差主要来自硬

(下转第18页)

过m atbal 软件进行分析。转台以30 /s 恒定速度运转

时测得的数据如图5所示;转台以变化速率运转时测得的数据如图6所示,(a )为转台转动过程中角速度变化曲线,(b)为被测陀螺的输出角速度曲线。其中横轴坐标为时间,单位s ,纵轴坐标为角速度,单位( )/s 。通过分析,剔除陀螺本身误差后,由检测仪的误差转换为陀螺的漂移值为0.06 /h,而一般中等精度的陀螺标定精度为(1~3) /h ,所以设计的检测仪完全可以满足精度要求,能够应用于中低精度陀螺的测

试。

图5

静态实验

图6 动态实验

4 结束语

通过以上结论分析,证明检测仪具有较高的测试精度,达到了设计要求,体积小,数据存储量大,成本低廉,实用性强。参考文献:

[1]马忠梅,徐英慧,林明.AT91系列ARM 核微控制器结构与

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[3]袁信,俞济祥,陈哲.导航系统[M ].北京:航空工业出版

社,1993.

[4]王田苗.嵌入式系统设计与实例开发[M ].北京:清华大学

出版社,2003.

[5]张宗麟.惯性导航与组合导航[M ].北京:航空工业出版

社,2000.

(郁菁编发)

(上接第2页)

件误差,主要体现在对标准信号的测量误差。可见本方法采用的是绝对误差的测量方法,即将电子式互感器二次侧输出的数字量直接与标准互感器二次输出信号转换为数字信号相比较,因此对A /D 转换器的要求很高,其成本较高。

对于数字量输出的电子式互感器的校验目前都是利用第二种方法进行,图2给出了一种基于DSP 的电

子式互感器校验装置的原理框图。

图2 电子式互感器校验仪原理框图

3 结束语

我国已于2007年颁布了符合我国实际情况的电子式电压互感器和电子式电流互感器标准,即GB /T 20840.7和GB /T 20840.8。该标准的颁布说明我国电子式互感器已经从研发阶段进入了实用阶段,但是到目前我国还没有制定相应的完整的电子式互感器技术标准,其检定和校验规程还需要逐步制定和完善。随着电子互感器及其测试方法的应用,有必要制定科学、

合理的 电子式互感器测试规范 ,对该项工作提供依据并进行规范,使电子式互感器更快、更好、更安全地应用于电力系统中,同时进一步保证大幅度提高系统内保护装置和计量装置的可靠性以及精度。参考文献:

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[4]卢珞先.电子式互感器校验仪的算法研究[J].电力系统保

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(许雪军编发)