CN101393256A

CN101393256A - 通过有源阻抗的矢量电压合成来消除互感器测量误差的方法

Info

Publication number: CN101393256A
Application number: CNA200810218417XA
Authority: CN
Inventors: 赵祥林; 贺艳平; 骆雪; 叶小雪
Original assignee: Yangcheng Science & Technology Industry Co Ltd Guangzhou City
Current assignee: Guangzhou Geny Electric Co ltd
Priority date: 2008-10-17
Filing date: 2008-10-17
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2028-10-17
Also published as: CN101393256B

Abstract

本发明公开了一种通过有源阻抗的矢量电压合成来消除互感器测量误差的方法，将互感器二次绕组的主回路电流和检测绕组的电流分别独立检测并转换成电压，再放大变换的两路电压后，输入到加法运算放大器求和，完成了有源阻抗的矢量电压合成输出。本发明可以有效的消除互感器的测量误差，提高测量精度。

Description

通过有源阻抗的矢量电压合成来消除互感器测量误差的方法

技术领域

本方法涉及的是一种用于交流电流测量中消除双级电流互感器测量误差的方法。

背景技术

电流互感器是电力***、计量测试***不可缺少的电器元件。这是因为：a，有较低的输入阻抗，b，长期稳定性和温度特性好，c，通过阻抗变换可将大电流变换成小电流测量。

随着生产和市场的发展需要，对电流互感器在精确测量方面的要求越来越高。迫切需要测量电流范围从数百安培到几毫安，测量精度在10PPm的仪用电流互感器。由于互感器本身的特性，在实际工作中会随输入电流、二次负荷等参数大小的变化，引起互感器的测量误差。

为了提高电流互感器的准确度，一般都采用各种补偿方法来补偿电流互感器的误差。精密的电流测量主要用(1)电流比较仪，是一种具有最高精度的电流比例标准，精度可达0.1PPm。其特点是工作铁芯在一、二次绕组达到安匝平衡时是零磁通，其工作状态是无源的。使用问题主要是二次绕组不能带负载。(2)双级电流互感器。其特点是工作在小磁通，最高精度达1PPm。带补偿绕组的双级互感器也工作在零磁通，使用时可带一定的负载，并由于该特点而有更广泛使用。

存在的主要问题是磁滞现象和补偿绕组的电子负反馈产生的附加影响。

带补偿绕组的双级互感器的电流测量原理如图1所示，W₃为检测绕组，将激磁电流检出，送入补偿电路，通过绕组W₂产生补偿电流，使激磁磁通为0，主回路电流I4可以准确测量出来，即I4从理论上得到：

I_{4} = \frac{W_{1}}{W_{4}} \times I_{1}

此种方法理论上和实践上都可行，已经有了相当多的成功产品。主要问题是：

1.零磁通的设计，检测绕组的工作磁通处于玻膜合金铁芯的起始导磁率的临界区，使得磁滞现象较为严重。

2.电路复杂，由于磁电之间有深度交流负反馈环路，容易生成高频自激，会产生相移，电路的参数不容易选择。

3.直流电流漂移由于没有负反馈环路难以消除，玻膜合金铁芯性能会由于直流的影响变差。

4.由于互感和自感的影响，补偿绕组的电子负反馈存在反射阻抗问题，使得可能出现假平衡—检测绕组零磁通，但一、二次绕组安匝并不平衡。

发明内容

本发明目的在于提供一种通过有源阻抗的矢量电压合成来消除互感器测量误差的方法。

本发明目的可通过以下的技术措施来实现：一种通过有源阻抗的矢量电压合成来消除互感器测量误差的方法，将互感器二次绕组的主回路电流和检测绕组的电流分别独立检测并转换成电压，再放大变换的两路电压后，输入到加法运算放大器求和，完成了有源阻抗的矢量电压合成输出。

本发明所述主回路电流经二次绕组两端并联的转换电阻变为电压信号，输入到第一通用运算放大器的同相端放大输出，再接入到加法运算放大器的反相输入。

本发明所述检测绕组的电流先经接成跨导放大方式运算放大器检测出激磁电流，再经转换电阻变为电压信号，输入到第二通用运算放大器的反相端放大输出，最后接入到加法运算放大器的反相输入。

本发明所述主回路电流的转换电阻和检测绕组电流的转换电阻都有不同阻值的电阻群并联而成，通过选择开关协同接通每个电阻群中的不同电阻，使第一通用运算放大器和第二通用运算放大器的放大量级相同。

本发明与原有方法相比，具有以下的优点：

(1)采用了检测绕组电流不经补偿后使磁通为零的情况下，直接独立测量，这样小磁通设计代替了原有的零磁通设计，避开了测量铁芯处于起始导磁率的临界点，克服了磁滞的现象。分析如下：

若代表检测绕组的起始导磁率是0.1mA匝，小磁通方案对1.025mA匝能够被正确测量，而零磁通方案对0.025mA匝却不能测量，这里说明了所谓的磁滞现象.

双级电流互感器的误差表达式：

E = E_{0} \times (1 + \frac{Z_{2}}{Z_{02}})

其中E是互感器比值误差及角度误差的合成误差，E₀是互感器空载时的比值误差及角度误差的合成误差。Z₂是折算后二次绕组的折算负载，Z₀₂是折算后二次绕组的折算内阻抗。空载时的合成误差

E₀＝-Y_m1×Z₀₂×Y_m2×Z_0b＝-E₀₂×E_0b

其中Y_m1，Y_m2分别是第一、第二级铁芯的励磁导纳，Z_0b是折算检测绕组的折算内阻抗(检测绕组的负载设计为零)，E₀₂、E_0b分别是第一、第二级互感器的空载误差。

以上算式表明：E_0b的不稳定会造成E₀的不稳定。零磁通方案中，由于检测绕组工作在起始导磁率的临界区使E₀b不稳定。这样当扩展小电流量限时令Z₂成10倍的一级一级增大时，就会使把E₀的不稳定放大了

倍，最高达几十倍！可对比的是，小磁通方案只要安排合理的互感器参数设计而使检测绕组工作于稳定的小磁通测量范围，则测量的稳定性就大大提高。

(2)取消了补偿绕组和电子负反馈，用电压矢量合成代替电子负反馈，原方法产生的直流问题，漂移大和相位不稳定的原因得到根除，也不存在补偿绕阻的反射阻抗问题。

(3)采用检测绕组的电流独立电路检测，使得检测绕组的二次负载用电子电路容易设计为零。当检测绕组的二次负载为零时，互感器的合成误差E在大量程范围内仍然有非常好的线性，使检测绕组铁芯仍处于可测量的线性范围内。

附图说明

图1为现有技术中的电流测量方法原理图；

图2为本发明的原理框图；

图3为本发明具体实施方式原理图。

具体实施方式

如图2、图3所示，一种通过有源阻抗的矢量电压合成来消除互感器测量误差的方法，将互感器二次绕组的主回路电流和检测绕组的电流分别独立检测并转换成电压，然后经放大的两路电压输入到加法运算放大器求和，完成了有源阻抗的矢量电压合成输出。

主回路电流经二次绕组W2两端并联的转换电阻变为电压信号，输入到第一通用运算放大器IC1的同相端放大输出，再接入到加法运算放大器IC4的反相端输入；检测绕组W3两端并接于运算放大器IC2的同、反相端，运算放大器IC2接成跨导放大方式，检测绕组W3的电流先经运算放大器IC2检测出激磁电流，再经转换电阻变为电压信号，输入到第二通用运算放大器IC3的反相端放大输出，最后接入到加法运算放大器IC4的反相端输入；上述两路电压信号在加法运算放大器IC4进行求和，完成矢量电压合成输出。

主回路电流的转换电阻由不同阻值的电阻R1、R2、R3、R4并联而成，选择性地连接电阻R1、R2、R3、R4，可以使得第一通用运算放大器IC1输出不同放大量级，同时也要满足不同量级之间的大小顺序按相同的倍数递减。检测绕组电流的转换电阻也是由不同阻值的电阻R10、R20、R30、R40并联而成，同样选择性地连接电阻R10、R20、R30、R40，可以使得第二通用运算放大器IC3输出不同放大量级，同时也要满足不同量级之间的大小顺序按相同的倍数递减。

通过在每个转换电阻上对应连接选择开关K1、K2、K3、K4，协同接通每个电阻群中的不同电阻，使第一通用运算放大器和第二通用运算放大器的放大量级相同，如当接通K1，电阻R1和电阻R10分别接入第一通用运算放大器和第二通用运算放大器，这时电阻R1和电阻R10的选用的阻值需要满足使第一通用运算放大器和第二通用运算放大器的放大量级相同，同理，在选择开关K1、K2、K3、K4单独接通或组合接通时，选用的阻值需要满足使第一通用运算放大器和第二通用运算放大器的放大量级相同。

图2中W₁和W₂组成的互感器和图1所述一样，在两个铁芯中均有磁场强度H，W₃用来检测出磁场强度，产生感应电流，因此

{\dot{I}}_{3} = {I'}_{0}

，这里需注意

的电流由运放IC₂提供，所以基本上不影响I₁。因此这种结构电磁性能和图1一样稳定。

图2中，根据安匝平衡原理：

{\dot{I}}_{1} W_{1} = {\dot{I}}_{2} W_{2} + {\dot{I'}}_{0} W_{2}

为铁芯中的激磁电流

因为

{\dot{I}}_{3} = {I'}_{0},

W2＝W3

所以

{\dot{I}}_{1} W_{1} = {\dot{I}}_{2} W_{2} + {\dot{I}}_{3} W_{3} = ({\dot{I}}_{2} + {\dot{I}}_{3}) W_{2} - - - (1)

IC₄组成加法器对检测绕组和主回路的电流转换成电压进行相加。即：

{\dot{U}}_{out} = - ({\dot{U}}_{2} + {\dot{U}}_{3}) \frac{R_{8}}{R_{9}}

= \frac{R_{8}}{R_{9}} (R_{1} \times {\dot{I}}_{2} \times (1 + \frac{R_{5}}{R_{6}}) + R_{0} \times {\overset{\cdot}{I}}_{3} \times \frac{R_{7}}{R_{10}})

令

R_{1} \times (1 + \frac{R_{5}}{R_{6}}) = R_{0} \times \frac{R_{7}}{R_{10}}

则

{\dot{U}}_{out} = K_{1 R} \times ({\dot{I}}_{2} + {\dot{I}}_{3})

其中：

K_{1 R} = R_{1} \times (1 + \frac{R_{5}}{R_{6}}) \times \frac{R_{9}}{R_{8}}

从电路上，输出电压

实现了从互感器测得的电流矢量相加。

上式中，为主回路输出电压，K_1R为开关打在K₁位置时的电路放在倍数。为了使输出电压在满度3V时，可分别选K₂、K₃、K₄开关位置，即可使I₁的电流输入范围到10000倍。

如设置W₂＝W₃＝2500匝，当K₁闭合时，IC₁放大10倍，则

{\dot{U}}_{2} = 10 \times 5 \times {\dot{I}}_{2} = 50 {\dot{I}}_{2}

{\dot{U}}_{3} = 500 \times \frac{1}{10} \times {\dot{I}}_{3} = 50 {\dot{I}}_{3}

{\dot{U}}_{out} = - 1.5 \times {\dot{U}}_{2} + {\dot{U}}_{3} = - 75 ({\dot{I}}_{2} + {\dot{I}}_{3}) = - 75 ({\dot{I}}_{2} + {\dot{I'}}_{0})

对照(1)式得：

{\dot{U}}_{out} = - 75 \times \frac{W_{1}}{W_{2}} \times {\dot{I}}_{1} - - - (2)

当W₁＝1，W₂＝2500时

{\dot{U}}_{out} = - 0.03 {\dot{I}}_{1},

当I₁＝100A时，

{\dot{U}}_{out} = 3 V

从以上看出，通过电路矢量合成，解决了在磁路中比较难实现的合成技术。上述(2)式中输出电压

完整地代表了一次输入电流的大小。

精密电流互感器测量中，一般I₃一次电流I₁的万分之二。I₁＝100A时，I₀≈8μA。当一次电流变小时，会使I₃过小，从而超过了IC₂的极限电流值。

例：I₁＝10A，则I₃≈0.02％×10A/2500＝0.8μA

I₁＝1A，则I₃≈0.02％×10A/2500＝0.08μA

所以在I₁＝10A中增加了K₂档。

当K₂闭合时：

U_{2} = \frac{10 A}{2500} \times 50 \times 10 = 2 V

U₃＝3V满度

因此虽然I₁减少10倍，但激磁电流仍然和I₁＝100A进在同一数量级。由于磁场强度磁电流还是会小于100A进的电流，即I₃≈4μA左右，仍然保持在IC₂的线性范围内。

依此类推，在I₁＝1A、0.1档分别启动K₃和K₄继电器就达到了一次电流从100A到0.01A全范围的精确、可靠、稳定的测量。

实际测量结果：

当I1＝100A、10A、1A、0.1A、0.05A

对应I3＝8uA、4.4uA、2uA、1.8uA、1uA

即：K₂闭合后得到

{\dot{U}}_{out} = - 750 \frac{W_{1}}{W_{2}} \times {\dot{I}}_{1}

K₃闭合后得到

{\dot{U}}_{out} = - 7500 \frac{W_{1}}{W_{2}} \times {\dot{I}}_{1}

K₄闭合后得到

{\dot{U}}_{out} = - 75000 \frac{W_{1}}{W_{2}} \times {\dot{I}}_{1}

本发明的实施方式不限于此，因此根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式修改、替换的等效功能检测电子电路，同样可以实现本发明技术方案。

本发明可以广泛应用于国家省一级高精度的电能计量标准，电力***高精度电能表，及各种交流电流高精度，宽范围的测量场合。

Claims

1、一种通过有源阻抗的矢量电压合成来消除互感器测量误差的方法，其特征在于：将互感器二次绕组的主回路电流和检测绕组的电流分别独立检测并转换成电压，再放大两路变换电压后，输入到加法运算放大器求和，完成了有源阻抗的矢量电压合成输出。

2、根据权利要求1所述的通过有源阻抗的矢量电压合成来消除互感器测量误差的方法，其特征在于：所述主回路电流经二次绕组两端并联的转换电阻变为电压信号，输入到第一通用运算放大器的同相端放大输出，再接入到加法运算放大器的反相输入。

3、根据权利要求1所述的通过有源阻抗的矢量电压合成来消除互感器测量误差的方法，其特征在于：所述检测绕组的电流先经接成跨导放大方式运算放大器检测出激磁电流，再经转换电阻变为电压信号，输入到第二通用运算放大器的反相端放大输出，最后接入到加法运算放大器的反相输入。

4、根据权利要求2或3所述的通过有源阻抗的矢量电压合成来消除互感器测量误差的方法，其特征在于：所述主回路电流的转换电阻和检测绕组电流的转换电阻都有不同阻值的电阻群并联而成，通过选择开关协同接通每个电阻群中的不同电阻，使第一通用运算放大器和第二通用运算放大器的放大量级相同。