一种抗直流偏磁的开磁路电压互感器装置的制作方法

1.本发明涉及高电压设测量技术领域，并且更具体地，涉及一种抗直流 偏磁的开磁路电压互感器装置。


背景技术：

2.电力互感器是电力计量、电力系统保护的关键设备，在发电、输电、 变电、配电、用电等关键环节，使用大量的电力互感器进行高压大电流的 测量和安全保护。随着以高比例清洁能源、高比例电力电子装置为特征的
ꢀ“
双高”新一代电力系统快速发展，加上特高压直流输电建设，目前电网 中的直流分量影响日益凸显。
3.直流偏磁条件下，电力互感器的暂态特性与稳态传变特性都将发生突 变，探究其作用机理，提出进一步的预防措置和治理方案，对确保现代电 力系统的安全稳定运行与电能贸易计量的公平公正，具有重要的借鉴意义。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提出了一种抗直流偏磁的开磁路电压互感器装 置，包括：
5.t字型铁心，所述铁心包括圆柱体铁心和长方体铁心，圆柱体铁心的 直径长度与长方体铁心的宽长度一致，圆柱体铁心底面位于长方体铁心顶 面正中心；
6.一次绕组和二次绕组，所述一次绕组和二次绕组绕制在圆柱体铁心上， 且呈上下排列；
7.误差补偿线路，所述误差补偿线路对计量误差进行补偿。
8.可选的，误差补偿线路，包括rc元件和小互感器，所述误差补偿线 路接入装置的二次侧。
9.可选的，计量误差的补偿量，包括：比值误差补偿量和相位误差补偿 量。
10.可选的，比值误差补偿量的计算公式如下：
[0011][0012]
其中，δε
f
为比值误差补偿量，δu
f
为小型互感器k1的比值误差的补偿 量，δu
δ
为小型互感器k2的比值误差的补偿量，α为移相电路的移相角度， n
x
和n
y
两处匝电势，n
x
用于比值误差补偿，n
y
用于相位误差补偿，n
2 k
2 k1， 在公式中的定义。
[0013]
可选的，相位误差补偿量的计算公式如下：
[0014][0015]
δε
δ
和β为相位误差补偿量。
[0016]
可选的，t字型铁心形成开磁路结构。
[0017]
本发明装置在补偿后的开磁路电压互感器具有抗直流偏磁功能，且误 差等级满
足现场计量用互感器的准确度要求。
附图说明
[0018]
图1为本发明装置的电压互感器等效电路图；
[0019]
图2为本发明装置的电压互感器在不同情况下的励磁曲线图；
[0020]
图3为本发明装置的结构图；
[0021]
图4为本发明装置的原理图；
[0022]
图5为本发明装置的开磁路电压互感器误差补偿原理图
[0023]
图6为本发明装置的误差补偿矢量图；
[0024]
图7a
‑
7e为本发明不同直流偏磁电压下互感器电压波形图。
具体实施方式
[0025]
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许 多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例 是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分 传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是 对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
[0026]
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的 技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典 限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应 该被理解为理想化的或过于正式的意义。
[0027]
下面结合实施例及附图对本发明进行进一步的说明：
[0028]
下面首先介绍直流偏磁对电压互感器计量误差影响；
[0029]
电压互感器原理图和等效原理图如图1所示，其中t为1:1理想变压 器，z1为互感器一次绕组的直流电阻和漏抗，z2为二次绕组等效到一次的 直流电阻和漏抗，z
m
为互感器的励磁阻抗，i0是流经励磁阻抗的励磁电流， z
b
为等效到互感器一次的负荷阻抗；
[0030]
根据电压互感器误差定义，误差由励磁误差和负载误差组成，可以表 示为：
[0031][0032]
上式中，为励磁误差，为负载误差。
[0033]
电压互感器一般用于计量，对准确度要求较高，重点考察其传变特性， 在不同工况下的励磁曲线如图2所示。
[0034]
在直流偏磁作用下，直流电流流入到电压互感器一次侧绕组，在电压 互感器铁心中产生了直流磁通φ0，在φ0的作用下，磁通φ的曲线将发生 偏移，从而使电压互感器的工作点从线性区进入到了饱和区，励磁电流i 增大，而且发生了畸变。由此看出，有直流分量时励磁电流i的畸变是由 电压互感器φ
‑
i曲线端部的非线性引起的，此时互感器处于饱和状态，因 此，励磁电流特性除了与电压互感器的设计参数相关外，还与直流电压的 幅频特性密切相关。
[0035]
为了限制直流偏磁对电压互感器计量准确度的影响，本发明提出了一 种抗直流
偏磁的开磁路电压互感器装置，如图3所示，本发明装置为“t 字型”铁心的开磁路电压互感器，铁心由圆柱体和长方体两部分组成，圆 柱体底面位于长方体顶面正中心，且圆形底面的直径与长方体宽度相同， 一次和二次绕组呈上下排列，依次绕制在圆柱形铁心上。
[0036]
电压互感器的功能是将一次电压按照匝数比变换为二次电压，而电压 变换的精确程度则主要取决于铁心的材质和结构特性，如图4所示，对于 开磁路电压互感器，由于其对称结构，认为铁心中存在两条磁路分支，现 就其中一条进行分析。设铁心中磁路等效长度为l
core
，空气中磁路等效长 度为l
air
，不考虑铁心与空气交界面的边缘效应，忽略铁心的漏磁，则对于 铁心和空气磁路，有如下公式：
[0037]
b＝μ0h
air
＝μ0μ
core
h
core
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0038]
式中，b为磁感应强度，h
air
为空气中磁场强度，h
core
为铁心中磁场 强度，μ0为真空磁导率，μ
core
为铁心相对磁导率。
[0039]
则由安培环路定理可知：
[0040]
ni＝h
air
l
air
+h
core
l
core
＝h
core
(μ
core
l
air
+l
core
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0041]
令l
air
＝αl
core
，则一次电流为：
[0042][0043]
因此，在材料参数相同情况下，“t字型”铁心的开磁路电压互感器， 其一次电流相对于闭合磁路电压互感器增大为(1+αμ
core
)倍，即提升了抗直 流偏磁能力。但是在增强抗直流偏磁能力同时，磁回路的等效磁导率下降， 影响互感器的测量精度。
[0044]
针对本发明装置进行误差补偿设计，如下开磁路电压互感器虽然具备 抗直流性能，但其计量误差已超出现场应用的计量准确度要求，需要对其 进行误差补偿。设计一种误差补偿方法，原理线路图如图5所示。
[0045]
在铁心c1上取n
x
和n
y
两处匝电势，n
x
用于比值误差补偿，n
y
用于 相位误差补偿。
[0046]
(1)比值误差补偿
[0047]
n
x
为二次侧低电压，一般为几伏，后端接入一个小型互感器k1(其电 压变比为k1)，小型互感器k1的二次侧输出δu
f
用于比值误差补偿，需要 说明的是：δu
f
的幅值和相位均可根据需要补偿的目标值进行调整，通过 调节小型互感器k2的匝数来调节互感器变比k2，实现比值误差补偿量的 灵活可调；另外改变小型互感器k2的一次、二次极性，改变k2的输出相 位(翻转180
°
)，实现相位误差补偿的正负改变。
[0048]
(2)相位误差补偿
[0049]
相位误差补偿原理类似，不同的是在n
y
的后端增加r
‑
c串联移相电 路，然后经过小型互感器k1(变比为k1)，小型互感器的二次侧输出δu
δ
用 于相位误差补偿，同比值误差补偿一样，δu
δ
的幅值和相位可以根据补偿 目标值进行可调，通过调节k2的匝数调整δu
δ
的幅值，改变同名端来调节 补偿量的相位，此外，也可调制电阻r的阻值和电容c的容值大小来调节 的补偿量δu
δ
的幅值和相位。
[0050]
基于上述分析，该补偿电路可在开磁路电压互感器的二次侧进行误差 补偿，该补偿原理的矢量图如图6所示。
[0051]
图6中，u
21
为二次比例绕组n2的输出电压，以此作为参考方向并假 定其幅值为单位1，δu
f
为比值误差的补偿量，δu
δ
为相位误差的补偿量， 三者矢量合成后的u2为最终输
出电压，α为移相电路的移相角度，β为最 终的相位误差补偿量。根据相位图关系，可得：
[0052][0053][0054][0055]
由矢量图可以看出，δu
δ
在进行正交分量补偿的同时，会引入同相分 量的误差补偿。因此比值误差补偿量实际上由两部分组成：比值误差补偿 本身和相位误差补偿时产生的同相分量。
[0056]
最终比值误差补偿量δε
f
：
[0057][0058]
最终相位误差补偿量δε
δ
：
[0059][0060]
根据误差理论计算结果，可得到需要误差补偿的量值，确定n
x
、n
y
、 r、c，通过式(5)可得α。代入式(8)和(9)可得k1，k2。
[0061]
以电气铁路用25kv，误差等级0.5级互感器为例，开展开磁路互感器 参数及误差补偿设计。
[0062]
首先针对25kv开磁路电压互感器进行参数设计，主要有额定电压、 额定负荷、准确度等级、匝电势选取、额定工作磁密。其中，匝电势对互 感器成本、误差都有直接影响，考虑到开磁路电压互感器励磁电流较大， 因此本设计中的匝电势较常规互感器需更低，选定的参数如表1所示。
[0063]
表1
[0064][0065]
通过在电压互感器一次绕组施加激励，激励为工频正弦电压和直流偏 磁电压的叠加量，激励电压uin取值为：
[0066][0067]
式中，u
m
为开磁路电压互感器的额定正弦工频电压峰值，u
dc
为开磁 路互感器的直流偏磁分量，由于要求25kv电压互感器抗直流水平达到 2.5kv，因此u
dc
取值区间设置为0～4ka，间隔1ka，互感器负载取5va， 功率因数二次侧连接一个2kω电阻。
[0068]
测量不同直流偏磁电压下开磁路电压互感器的一、二次电压波形，如 图7a
‑
e所示。
[0069]
根据图7a
‑
e可以看出，直流分量为零时，由于铁心励磁支路的非线性 造成的二次波形畸变并不明显，随直流分量增大，二次电压大小增大、波 形畸变严重，从而造成铁心的传变特性变差，致使电能计量与测量出现偏 差，给电力公司带来巨大的损失。
[0070]
为了分析直流偏磁对互感器比差和角差的影响，对得到的一次电压和 二次电压(折算到一次侧)的波形运用三参数正弦曲线拟合算法，可得到系 数a1(余弦函数幅值)、b1(正弦函数幅值)及a2、b2，最终可计算得到互感 器在不同直流偏磁电压下的误差，如表2所示。
[0071]
表2
[0072][0073]
作为计量用电压互感器，对精度要求较高，一般需要达到0.5级，表3 给出了0.5级电压互感器的误差限值。
[0074]
表3
[0075][0076]
由表3可知，开磁路电压互感器虽然具备抗直流性能，但其计量误差 已超出0.5级误差限值，需要对其进行误差补偿。
[0077]
根据表2所示误差理论计算结果，可得到需要误差补偿的量值，需要 对比值误差补偿+0.89％和相位误差补偿
‑
29.91
′
。首先取n
x
＝9，n
y
＝2，r＝100 ω，c＝30μf，通过式(8)可得α＝π/4。代入式(11)和(12)可得k1＝5，k2＝1， 最终得到开磁路电压互感器误差如表4所示，满足0.5级互感器的误差限 值要求。
[0078]
表4
[0079][0080]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、 或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施 例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个 或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不 限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的 形式。本技术实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向 对象的程序设计语言java和直译式脚本语言javascript等。
[0081]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序 产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流 程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中 的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专 用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个 机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产 生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方 框中指定的功能的装置。
[0082]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理 设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存 储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个 流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0083]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上， 使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现 的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流 程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能 的步骤。
[0084]
尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知 了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所 附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和 修改。
[0085]
显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离 本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权 利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在 内。