基于比例直流叠加法的电流互感器抗直流性能检测装置的制作方法

本实用新型涉及一种基于比例直流叠加法的电流互感器抗直流性能检测装置，属电测量技术领域。

背景技术：

运行中的电流互感器出现强剩磁的一种可能是一次电流中有直流分量，使铁芯磁饱和，导致铁芯的等效导磁率减小，误差将显著地向负值反向偏移。直流分量对电流互感器误差的影响，可以通过测量电流互感器在半波电流下的变换误差进行研究，但是，受半波电流所含直流分量很难进行定量分析，研究结果具有局限性。因此，研究一种基于比例直流叠加法的电流互感器抗直流性能检测方法对改变上述局面，具有现实意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的是，为了解决电流互感器抗直流性能检测过程中直流分量叠加方法的问题，目前，采用的半波电流检测方法其波形所含直流分量很难进行定量分析，导致检测结果局限性很大，本发明提供了一种基于比例直流叠加法的电流互感器抗直流性能检测装置。

本实用新型的方案是，一种基于比例直流叠加法的电流互感器抗直流性能检测装置，包括一台标准电流互感器、一个中央处理器、一个显示器、一套直流电流源、一套交流电流源、电压取样测量装置；交流电流源与直流电流源按设置的比例输出各自交流电流与直流电流，交流电流源的交流电流回路将标准电流互感器一次回路与试品电流互感器的一次回路串联，直流电流源的直流电流回路穿过试品电流互感器的磁芯形成一次回路，标准电流互感器的二次回路和试品电流互感器的二次回路均连接电压取样测量装置，电压取样测量装置连接中央处理器，中央处理器连接显示器。

进一步优选，所述电压取样测量装置由两个取样电阻和两个模数转换电路组成，标准电流互感器的二次回路连接一个取样电阻和一个模数转换电路，试品电流互感器的二次回路连接一个取样电阻和一个模数转换电路，两个模数转换电路均连接中央处理器。

试品电流互感器的一次电流含有直流电流并且所含直流分量的比例为已知值β％，标准电流互感器的二次电流经取样电阻R₀得到U₀，试品电流互感器的二次电流经取样电阻R_X得到U_X，中央处理器通过数据总线控制二个模数转换电路对U₀和U_X进行同步采样和数据存储，并分别计算出电压有效值、相位差，计算方法如下：

电压有效值计算：

推导参见《电能计量技能考核培训教材》，中国电力出版社，陈向群主编，P139～P140；一个周期内平均有功功率计算：

推导参见《电能计量技能考核培训教材》，中国电力出版社，陈向群主编，P97～P98；

一个周期内平均无功功率计算：

推导参见《电能计量技能考核培训教材》，中国电力出版社，陈向群主编，P133功率因数计算：

推导参见《电能计量技能考核培训教材》，中国电力出版社，陈向群主编，P135

令式(1)中U＝U₀，u(t_k)＝u₀(t_k)，则：

同理：

令式(3)、(4)中u(t_k)＝u₀(t_k)，i(t_k)＝u_x(t_k)，则：

令式(5)中φ＝δ则相位差δ：

式(1)～(10)中：T——正弦波周期时间；

n——一个周期内的采样次数；

U——电压有效值；

φ——相位

P——一个周期内虚拟平均有功功率；

Q——一个周期内虚拟平均无功功率；

i(t_k)——在t_k时刻的电流瞬时值；

u(t_k)——在t_k时刻的电压瞬时值；

u₀(t_k)——在t_k时刻表征标准电流互感器二次电流的电压瞬时值；

u_x(t_k)——在t_k时刻表征试品电流互感器二次电流的电压瞬时值；

δ——相位差

Δt——采样时间间隔；

——滞后t_k时刻四分之一周期的电流瞬时值；

将表征标准电流互感器二次电流的测量值U₀与表征试品电流互感器二次电流的测量值U_X进行计算：

由于R₀＝R_X，U₀＝I₀R₀，U_X＝I_XR_X，因此：

计算结果通过显示器显示，从而实现对试品电流互感器进行抗直流性能进行检测。

具体步骤如下：

1、接线方式：标准电流互感器选择与试品电流互感器相同的额定电流比，按试品电流互感器铭牌参数额定二次负荷设置电流负荷箱对应负荷量程；交流电流回路将标准电流互感器一次回路与试品电流互感器的一次回路串联，直流电流回路穿过试品电流互感器的磁芯形成一次回路，试品电流互感器的二次电流经取样电阻R_X得到U_X，中央处理器通过数据总线控制二个模数转换电路对U₀和U_X进行同步采样，并进行计算，计算结果通过显示器显示，据此接线；

2、将交流电流缓慢升至测量点额定电流的I_t％，给标准电流互感器和试品电流互感器一次回路交流电流I_AC；

3、按直流分量百分比β调节直流电流源升至一次直流电流I_DC，给试品电流互感器一次回路叠加了一次直流电流I_DC，使I_DC/I_AC＝β％；

4、采样电路对表征标准电流互感器二次电流的测量值u₀和表征试品电流互感器二次电流的瞬时值u_x实施同步采样，一个周期内采样n次，将N个周期的采样数据存储；

5、按计算表征标准电流互感器二次电流的有效值U₀；

6、按计算表征试品电流互感器二次电流的有效值U_X；

7、按计算虚拟有功功率值P；

8、按计算虚拟有功功率值Q；

9、按计算相位差δ；

10、按计算比值差f：

11、并记录比值差f，相位差δ；

12、将交流电流、直流电流缓慢降至0；

13、数据处理：计算结果比值差保留到0.01％，相位差保留到0.1。。

本实用新型的有益效果是，检测电流互感器抗直流性能时，采用常规标准电流互感器，解决了电流互感器抗直流性能检测量值溯源问题；采用分立的交流电流源和直流电流源，解决了电流互感器抗直流性能检测过程中直流分量比例定量的问题；利用常规标准电流互感器、交流电流源、直流电流源、电流负荷箱等电流互感器检测设备，可实现对电流互感器抗直流性能检测的检测。具有方法简洁、经济、科学、实用、可操作性强、成本低等优点。

附图说明

图1是基于比例直流叠加法的电流互感器抗直流性能检测装置接线图；

图2是试品电流互感器与标准电流互感器二次电流过零时间与相位差关系示意图。

图中符号：

TA₀、TA_X----分别为标准电流互感器、试品电流互感器；

L₁、L₂----分别为标准电流互感器一次绕组极性端、非极性端；

S₁、S₂----分别为试品电流互感器二次绕组极性端、非极性端；

K₁、K₂----分别为标准电流互感器二次绕组极性端、非极性端；

I_AC----为一次交流电流；

I_DC----为一次直流电流；

I_X----为试品电流互感器二次电流；

I₀----为标准电流互感器二次电流；

U_X----为表征试品电流互感器二次电流的电压值；

U₀----为表征标准电流互感器二次电流的电压值；

R_X----为试品电流互感器二次电流的取样电阻；

U₀----为标准电流互感器二次电流的取样电阻；

ΔT----为试品电流互感器与标准电流互感器二次电流过零时间差值；

i、t----分别为坐标中的电流、时间；

Z----为电流负荷箱；

A/D1、A/D2----分别为电压、电流模数转换集成电路；

V_IN----为模数转换集成电路模拟量输入端；

com----为集成电路公共端；

data bus----为数据总线；

CPU----为中央处理器。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型进行详细说明。

一种基于比例直流叠加法的电流互感器抗直流性能检测装置，采用一台标准电流互感器，二个模数转换电路、一个中央处理器、一个显示器、一套直流电流源、一套交流电流源、二个取样电阻；交流电流源与直流电流源按设置的比例输出各自交流电流与直流电流，交流电流回路将标准电流互感器一次回路与试品电流互感器的一次回路串联，直流电流回路穿过试品电流互感器的磁芯形成一次回路，标准电流互感器的二次回路连接一个取样电阻和一个模数转换电路，试品电流互感器的二次回路连接一个取样电阻和一个模数转换电路，两个模数转换电路均连接中央处理器，中央处理器连接显示器，此时，试品电流互感器的一次电流含有直流电流并且所含直流分量的比例为已知值标准电流互感器的二次电流经取样电阻R₀得到U₀，试品电流互感器的二次电流经取样电阻R_X得到U_X，中央处理器通过数据总线控制二个模数转换电路对U₀和U_X进行同步采样，并进行计算，计算结果通过显示器显示，从而实现对试品电流互感器进行抗直流性能进行检测。

其电气原理(见图1)。

工作原理如下：设一次交流电流有效值为I_AC，叠加的一次直流电流为I_DC，直流分量百分比为β，则：

由于标准电流互感器一次回路仅通入一次交流电流I_AC，可采用常规标准电流互感器，试品电流互感器一次回路在通入一次交流电流I_AC的同时叠加了一次直流电流I_DC，且叠加的一次直流电流I_DC的幅值可根据直流分量百分比为β进行调节，用来考核试品电流互感器的抗直流性能。

其中交流电流I_AC的主要技术参数：

(1)电流范围：5A～1000A

(2)失真度：小于5％

直流电流I_DC的主要技术参数：

(1)电流范围：1A～400A

(2)纹波系数：小于1％

依据JJG1021-2007《电力互感器检定规程》对相位差的定义：“电流互感器的相位误差δ定义为一次电流相量与二次电流相量的相位差，单位为“′”。相量方向以理想电流互感器的相位差为零来决定，当二次电流相量超前一次电流相量时，相位差为正，反之为负。”由于电流互感器在直流分量影响下相位差比较大，可达10°数量级，因此，不能使用“′”为相位差单位，宜采用“°”为相位差单位。

电压有效值的计算方法：

虚拟平均有功功率和无功功率的计算方法：

比值差和相位差的计算方法：

实施例1

第一步：标准电流互感器选择与试品电流互感器相同的额定电流比，按试品电流互感器铭牌参数额定二次负荷设置电流负荷箱对应负荷量程，按接线图(见图1)进行接线；

第二步：将交流电流缓慢升至测量点额定电流的I_t％；

第三步：按直流分量百分比β调节直流电流源升至一次直流电流I_DC，给标准电流互感器一次回路仅通入交流电流I_AC，试品电流互感器一次回路在通入一次交流电流I_AC的同时叠加了一次直流电流I_DC，使I_DC/I_AC＝β％；

第四步：采样电路对表征标准电流互感器二次电流的测量值u₀和表征试品电流互感器二次电流的瞬时值u_x实施同步采样，一个周期内采样n次，将N个周期的采样数据存储；

第五步：按计算表征标准电流互感器二次电流的有效值U₀；

第六步：按计算表征试品电流互感器二次电流的有效值U_X；

第七步：按计算虚拟有功功率值P；

第八步：按计算虚拟有功功率值Q；

第九步：按计算相位差δ；

第十步：按计算比值差f：

第十一步：并记录比值差f，相位差δ；

第十二步：将交流电流、直流电流缓慢降至0；

第十三步：计算结果比值差保留到0.01％，相位差保留到0.1°。

实施例2

第一步：接线方式：标准电流互感器选择与试品电流互感器相同的额定电流比，按试品电流互感器铭牌参数额定二次负荷S_n设置电流负荷箱负荷量程(上限负荷)，按接线图(见图1)进行接线，设置直流分量比例值β及试品互感器铭牌编号：××××××；

第二步：缓慢调节升交流电流，并测量标准电流互感器二次电流I₀，当I₀达到额定电流的1％时结束交流电流源的测控操作；缓慢调节升直流电流，并测量直流电流I_DC，当I_DC达到I_DC/I_AC＝β％时结束直流电流源的测控操作；

第三步：采样电路对表征标准电流互感器二次电流的测量值u₀和表征试品电流互感器二次电流的瞬时值u_x实施同步采样，一个周期内采样n次，将N个周期的采样数据存储；

第四步：按计算表征标准电流互感器二次电流的有效值U₀；

第五步：按计算表征试品电流互感器二次电流的有效值U_X；

第六步：按计算虚拟有功功率值P；

第七步：按计算虚拟有功功率值Q；

第八步：按计算相位差δ；

第九步：按计算比值差f：

第十步：将计算值f和δ记录为比值差f₁，相位差δ₁；

第十一步：缓慢调节升交流电流，并测量标准电流互感器二次电流I₀，当I₀达到额定电流的5％时结束交流电流源的测控操作；缓慢调节升直流电流，并测量直流电流I_DC，当I_DC达到I_DC/I_AC＝β％时结束直流电流源的测控操作；

第十二步：重复操作第三步～第九步；

第十三步：将计算值f和δ记录为比值差f₅，相位差δ₅；

第十四步：缓慢调节升交流电流，并测量标准电流互感器二次电流I₀，当I₀达到额定电流的20％时结束交流电流源的测控操作；缓慢调节升直流电流，并测量直流电流I_DC，当I_DC达到I_DC/I_AC＝β％时结束直流电流源的测控操作；

第十五步：重复操作第三步～第九步；

第十六步：将计算值f和δ记录为比值差f₂₀，相位差δ₂₀；

第十七步：缓慢调节升交流电流，并测量标准电流互感器二次电流I₀，当I₀达到额定电流的100％时结束交流电流源的测控操作；缓慢调节升直流电流，并测量直流电流I_DC，当I_DC达到I_DC/I_AC＝β％时结束直流电流源的测控操作；

第十八步：重复操作第三步～第九步；

第十九步：将计算值f和δ记录为比值差f₁₀₀，相位差δ₁₀₀；

第二十步：缓慢调节升交流电流，并测量标准电流互感器二次电流I₀，当I₀达到额定电流的120％时结束交流电流源的测控操作；缓慢调节升直流电流，并测量直流电流I_DC，当I_DC达到I_DC/I_AC＝β％时结束直流电流源的测控操作；

第二十一步：重复操作第三步～第九步；

第二十二步：将计算值f和δ记录为比值差f₁₂₀，相位差δ₁₂₀；

第二十三步：缓慢将交流电流和直流电流降至0；

第二十四步：将电流负荷箱设置为3.75VA负荷量程(下限负荷)；

第二十五步：缓慢调节升交流电流，并测量标准电流互感器二次电流I₀，当I₀达到额定电流的1％时结束交流电流源的测控操作；缓慢调节升直流电流，并测量直流电流I_DC，当I_DC达到I_DC/I_AC＝β％时结束直流电流源的测控操作；

第二十六步：重复操作第三步～第九步；

第二十七步：将计算值f和δ记录为比值差f_1x，相位差δ_1x；

第二十八步：缓慢调节升交流电流，并测量标准电流互感器二次电流I₀，当I₀达到额定电流的5％时结束交流电流源的测控操作；缓慢调节升直流电流，并测量直流电流I_DC，当I_DC达到I_DC/I_AC＝β％时结束直流电流源的测控操作；

第二十九步：重复操作第三步～第九步；

第三十步：将计算值f和δ记录为比值差f_5x，相位差δ_5x；

第三十一步：缓慢调节升交流电流，并测量标准电流互感器二次电流I₀，当I₀达到额定电流的20％时结束交流电流源的测控操作；缓慢调节升直流电流，并测量直流电流I_DC，当I_DC达到I_DC/I_AC＝β％时结束直流电流源的测控操作；

第三十二步：重复操作第三步～第九步；

第三十三步：将计算值f和δ记录为比值差f_20x，相位差δ_20x；

第三十四步：缓慢调节升交流电流，并测量标准电流互感器二次电流I₀，当I₀达到额定电流的100％时结束交流电流源的测控操作；缓慢调节升直流电流，并测量直流电流I_DC，当I_DC达到I_DC/I_AC＝β％时结束直流电流源的测控操作；

第三十五步：重复操作第三步～第九步；

第三十六步：将计算值f和δ记录为比值差f_100x，相位差δ_100x；

第三十七步：缓慢将交流电流和直流电流降至0；

第三十八步：计算结果比值差保留到0.01％，相位差保留到0.1°；

第三十九步：将数据分别填入对应的表1中。

表1