专利名称：750kV变压器现场空载特性便携式穿芯小电流传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型内容属于工频超高压变压器调试装置技术领域，涉及 一种适用于750kV示范工程系统调试现场使用的便携式穿芯小电流 传感器。
背景技术：
随着我国经济建设规模的快速发展，近年来，国内各地交流超髙 压电网的建设正在全面推进。"十一五"期间，我国西北地区将建成 覆盖全部五省(区)的750kV主干网架，籍以推动西北外送电通道建设 及扩大外送电规模。依托750kV主干网架，建设"外向型、送出型、 规模型"坚强的西北送端电网，大力推动西北电力外送，已经成为国 家西北电网发展的根本战略。
目前在330kV及以下电力系统调试时一般都不进行变压器空载 电流和空载损耗测量，这是因为330kV及以下变压器都是三相一体， 出厂时空载试验数据可以作为以后检测的对比数据。变电站现场工作 情况下，通常只是当变压器运行过程中怀疑其存在某种缺陷而确需要 进行空载试验时才进行空载试验。这种试验需待变压器停电后，在回 路中加装电流互感器及瓦特表等，从低压侧加压，将测试得出的数据 经过计算并和出厂值加以比较后,进而分析判断缺陷位置。
750kV变压器在厂内进行空载特性试验时是在63kV侧加压，空
载电流相对较大，而且有专用测试空载电流用的高精度电流互感器。 而在变电站现场调试过程中进行的750kV变压器空载特性试验，因电 源来自于750kV侧,必须在变电站正常带电情况下三相联结组一起进 行测试，试验设备不能改变变电站一次设备正常运行时的接线，又由 于测试人员所处位置一般都在距变压器150m左右的变压器控制室内，测试引线长，干扰大，兼之空载电流极小，而且这时变压器组在 电路和磁路上和出厂试验均会有所不同，以至测试的难度很大。
实用新型内容
本实用新型的目的在于对现有技术存在的问题加以解决,进而提 供一种结构简单、操作方便、抗干扰能力强、测量精度高、适用于调
试现场使用的750kV变压器现场空载特性便携式穿芯小电流传感器。
为实现上述发明目的而设计的750kV变压器现场空载特性便携 式穿芯小电流传感器是一种采用有源零磁通原理制作的高精度小电 流传感器，该传感器由钳型电流传感器、数据采集器和数模转换器组 成，钳型传感器采用有源零磁通电流传感器，其信号输出端通过数字 光纤传输至数据釆集器的测试数据输入端，数据采集器的数据处理输 出端通过传输光缆通至数模转换器的接收端。
本实用新型中的钳型电流传感器采用孔径为150 180咖的开口 穿心式钳型传感器，安装在变压器中性点套管顶端。实际结构中，该 有源零磁通电流传感器可通过对传统电磁式电流互感器的补偿调整 形式得以实现。由于普通的电磁式电流互感器本身是不可能实现零磁 通的，必须靠外界条件的补偿或调整。为此，本实用新型采取了在传 统电磁式电流互感器的副边绕组上直接联接一个有源电子电路网络 的方式，使之构成自适应动态调整回路，可使小电流传感器的测量精 度得到较大幅度的提高。由于测试电流小，传输距离远，现场干扰大， 故传感器信号传输采用数字光纤传输，可提高抗干扰能力。
本实用新型的数据采集器使用蓄电池供电，待机时间长， 一次连 续工作时间大于72小时，测量信号通过光缆传输到测试端，在750kV 系统调试变压器空载特性的测试中保证了工作的连续性。
本实用新型的模数转换器采用高速、高精度(16bits)模数转换芯 片，16位的模数转换芯片(从数字量上)能有效的反映微安级电流的 变化，使本测量仪有较高的分辨率。测量到的数字值通过数据处理后，再通过光缆把光数字信号传输到接收端，接收端把数据处理后转换为 模拟信号输出。
实际工作中，该小电流传感器的数据采集端和数据测量端通过传
输光缆(150 200m)传输测量信号，数据采集端把测量值转换为光数 字信号通过光缆传输到测量端，解决了高压或特高压测量时的绝缘问 题。传统的测量中电磁干扰的影响，特别是小电流测量时电磁干扰对 测量精度的影响非常大，而本实用新型通过光缆把数字光信号传输到 二次接收端，彻底解决了电磁干扰在信号传输中对测量精度的影响。 与现有技术相比，本实用新型采用有源零磁通自动补偿技术，解 决了小电流现场测量精度问题；采用光纤数据传输和数据现场采集， 解决了现场测量抗干扰问题。釆用该传感器的750kV变压器现场空载 特性测量系统不需要改变设备一次接线，安装简便、安全可靠。经与 有关试验站750kV变压器空载特性试验进行对比测试表明，本实用新 型系统工作稳定，测试精度满足现场试验要求，它为750kV变压器现 场空载特性测试提供了有效实用的测量手段，其研究成果可广泛应用 于750kV及百万伏电压等级工程系统调试中主变压器现场空载试验 中。
图1为本实用新型一个具体实施例的配置结构示意图。 图2为传统电磁式电流互感器的原理图。 图3为电流互感器向量图。 图4为零磁通电流传感器原理图。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本实用新型的内容做进一步说明，但 本实用新型的实际制作结构并不仅限于下述的实施例。
参见附图l,本实用新型采用有源零磁通原理设计制作了 750kV 变压器现场空载特性便携式高精度穿芯小电流传感器，该传感器是由钳型电流传感器l、数据采集器2、传输光纤、数模转换器3等组成。
孔径为150 180鹏的开口穿心式钳型电流传感器1安装在变压 器中性点套管顶端，它实质上是一种通过对传统电磁式电流互感器结 构作出补偿调整的有源零磁通电流传感器，其工作原理如下所述。
对于一个如图2所示的传统的电磁式电流互感器，设h为电流 互感器一次侧电流，12为二次侧电流，Io为激磁电流，化分别为 一、二次绕组匝数。则该电流互感器的磁势平衡方程为 I1N1+I2 N2=-Io Ni (1)
电流互感器的误差很大程度上来自电流互感器的激磁电流Io， 当激磁安匝I。Ni为零时，IiNi=-I2N2，即副边安匝变化能完全反映 原边安匝变化，误差为零。 一般称IoM为绝对误差，IoN!/ LM为 相对误差。激磁电流Io可以分解成两个相互垂直电流的合成磁化 电流和铁心损耗电流，使得副边安匝不仅和原边安匝在数值存在差 别，在相位上也存在差别。电流互感器的误差为复数误差，可用比值 差f和角差S表示
e =—Io Ni/IiNi=f+j S (2) 式中f=(l2N2/IiNi)/Iixl00%, S为I2逆时针180。后与Ii的夹角。
铁心损耗角要使磁性材料有磁感应强度B时，必须要有磁场强 度H。对于交流电，磁感应强度B与磁场强度H并不同步，磁感应强 度B总是落后于磁场强度H,落后的角度就是铁心损耗角。在电流互 感器正常工作范围内，磁感应强度B越大，铁心损耗角越大，如图3 所示。由此图可见，由于IoNi的存在，使l2N2与h^存在角差S 和比值差f。若1。=0，则激磁磁势为O,误差为零，此时的铁心处于 "零磁通"状态，它工作于磁化曲线的起始段(线性段)。这时，电流 互感器输出波形就不会畸变，保持良好的线性度，此即为"零磁通原 理"。因此，若能使互感器铁心始终处于零磁通状态，就能从根本上 消除电流互感器的误差。但是，由互感器的工作原理可知，靠互感器自身是不可能实现零磁通的，必须靠外界条件的补偿或调整。为此， 采用动态平衡电子电路对其进行动态调整，使铁心始终处于"动态零
磁通状态"，其原理如图4所示。采取有源电子电路网络与副边绕组 直接相连，即所在传统的电磁式电流互感器的副边绕组上联接有一个 由整流二极管Di、 D2、运放器Y和电阻R组成的有源电子电路网络， 构成自适应动态调整回路后，可使小电流传感器的测量精度有较大幅 度的提高，同时保持高稳定度。
设ND为检测绕组，D为动态检测单元，G为产生二次电流的有源 网络。回路的磁势平衡方程变为
I^+I^+IdNd-—I美 (3) h产生的激磁磁通在ND两端产生感应电势,并加到动态检测单元
D的输入端，通过G产生二次电流l2提供给二次绕组，12所产生的磁
通对铁心去磁，使铁心达到磁势平衡。因此，理想状态时，该传感器 的二次绕组电流12全部由有源网络G供给，而不从感应电势取电流。 D高速动态检测ND两端的电势差，当电势差足够小(近似为零的允许 值)时，铁心中的磁通即近似为零磁通。若检测值偏离允许值，G则 自动高速调整。如此高速跟踪调整，使铁心能始终保持在逼近零磁通 状态，传感器达到较高的精度。
该电流传感器的误差包括容性误差、磁性误差以及检测调整电子 电路的灵敏度误差三部分。所谓容性误差是指各恻线圈本身和线圈之 间的容性泄漏电流所造成的测量误差，对工频信号来说，当&<1000 时，这项误差可控制在10—5以内。本装置由于一、二次绕组匝数均很 小，容性误差可以不计。经过动态调整后，Io—0，铁心逼近零磁通， 磁性误差很小。但事实上，完全的零磁通状态是达不到的，铁心中必
须有一点微弱的磁通才能使G输出l2,这就使磁性误差仍然存在。
从传感器磁势平衡方程可见，磁性误差主要由两部分组成 一是由 1。带来的残余磁势引起的误差，另一部分是由检测绕组L带来的附加磁势引起的误差，即
其中^为^的感应电势，/为磁路长度，S为铁芯截面积，p。为 铁芯初始磁导率，Ri为检测单元输入阻抗。
实际设计结构中，考虑到电流传感器应具有较高的抗干扰能力和 较宽的频响范围，故本实用新型计算和确定的电流传感器的各技术参
数分别是电流测量范围分0 5A和0 10A两档，频响范围为10 2000Hz，测量精度0.1级，角差不超过6分，线性度为0.1%,噪声 《2mVrms，温度漂移<±0. lmV/lC,信号延迟<64^。
数据采集器2采用型号为LDT-II的器件，使用蓄电池供电,待机 时间长， 一次连续工作时间大于72小时,测量信号通过光缆传输到测 试端，在对750kV系统变压器空载特性测试中保证了工作的连续性。
模数转换器3采用型号为LDT-II的高速、高精度(16bits)模数 转换芯片，16位的模数转换芯片(从数字量上)能有效的反映微安级 电流的变化，使本测量仪有较高的分辨率。测量到的数字值通过数据 处理后，再通过光缆把光数字信号传输到接收端，接收端把数据处理 后转换为模拟信号输出。
本实用新型的数据采集端和数据测量端均通过传输光缆(150 200m)传输测量信号；数据采集端把测量值转换为光数字信号通过光 缆传输到测量端，解决了高压或特高压测量时的绝缘问题，也彻底解 决了电磁干扰在信号传输中对测量精度的影响。
本实用新型接收端的数模(D/A)转换芯片也选用高速、高精度 (16bits)的数模转换芯片，能把接收到的数字光信号完整准确的转换 为模拟电压信号，后面可接示波器、亳伏表或者别的模拟测量装置。
权利要求1、一种750kV变压器现场空载特性便携式穿芯小电流传感器，其特征在于由钳型电流传感器(1)、数据采集器(2)和数模转换器(3)组成，钳型电流传感器(1)采用有源零磁通电流传感器，其信号输出端通过数字光纤传输至数据采集器(2)的测试数据输入端，数据采集器(2)的数据处理输出端通过传输光缆通至数模转换器(3)的接收端。
2、 根据权利要求1所述的750kV变压器现场空载特性便携式穿 芯小电流传感器，其特征在于所说的钳型电流传感器(1)采用孔径为 150 180咖的开口穿心式钳型电流传感器(1),安装在变压器中性点 套管顶端。
3、 根据权利要求1或2所述的750kV变压器现场空载特性便携 式穿芯小电流传感器，其特征在于所说的钳型电流传感器(1)具有一 个电磁式电流互感器，在该互感器的副边绕组上联接有一个由整流二 极管(Di、 D2)、运放器(Y)和电阻(R)组成的有源电子电路网络。
专利摘要本实用新型为一种适用于750kV示范工程系统调试现场使用的便携式穿芯小电流传感器，由钳型电流传感器、数据采集器和数模转换器组成，钳型传感器采用有源零磁通电流传感器，其信号输出端通过数字光纤传输至数据采集器的测试数据输入端，数据采集器的数据处理输出端通过传输光缆通至数模转换器的接收端。与现有技术相比，本实用新型采用有源零磁通自动补偿技术，解决了小电流现场测量精度问题，采用光纤数据传输和数据现场采集，解决了现场测量抗干扰问题，采用该传感器的750kV变压器现场空载特性测量系统不需要改变设备一次接线，安装简便、安全可靠，其研究成果可广泛用于750kV及百万伏电压等级工程系统调试中主变压器现场空载试验中。
文档编号G01R19/00GK201344949SQ20092003191
公开日2009年11月11日 申请日期2009年2月16日 优先权日2009年2月16日
发明者兰莉红, 吴经锋, 李晓霞, 岩 章, 磊 郭, 黄国强 申请人:陕西电力科学研究院