基于最大偏距法确定电流互感器饱和点的方法与流程

1.本发明涉及电流互感器技术领域，尤其涉及基于最大偏距法确定电流互感器饱和点的方法。


背景技术：

2.目前我国电力行业所用的电流互感器主要是电磁式的，这种电流互感器的工作原理与变压器的工作原理是相同的，即在同一铁芯上套上两个线圈，第一个线圈定义为一次线圈，接在电路的工作回路中，一次线圈中流经的电流定义为一次电流；第二个线圈定义为二次线圈，用来按一定变比取得一次电流，称为二次电流，二次电流用来驱动表计或提供给自动化监控装置，对电力元件(变压器、发电机等)进行监控或保护。
3.正常情况下，一次电流在额定电流范围内，电流互感器二次线圈中的电流数值和一次线圈中电流数值存在一个固定比例关系，这个固定的比例定义为电流互感器的变比，例如：变比为600：5的电流互感器，表示此电流互感器的一次额定电流为600a，二次额定电流为5a；当此电流互感器的一次线圈中流过600a电流时，二次线圈则会流过5a安电流；当此电流互感器的一次线圈流过300a电流时，二次线圈则会流过2.5a电流；当此电流互感器的一次线圈流过60a电流时，二次线圈则会流过0.5a电流；依次类推，一次电流和二电流的维持600：5的比例不变，如下式所示：
[0004][0005]
其中，i1表示流经电流互感器的一次线圈的电流值，i2表示流经电流互感器的二次线圈的电流值；
[0006]
进一步的，电流互感器的另一个技术参数是精度，用“级”来表示；如0.2级，0.5级，1.0级的电流互感器分别表示在额定电流以内电流互感器的误差不超过0.2％，0.5％，1.0％；
[0007]
对保护用的电流互感器还有一个过载位倍数的问题，如5p10，其中字母p表示保护(protection)用互感器，p后面的数字表示10，表示允许一次电流在事故状态下过载10倍，p前面的5表示在一次电流过载10倍情况下，本电流互感器仍能保证精度不低于5％。
[0008]
其中，变比是电流互感器的重要技术指标，当一次电流超过额定的数值时，一次电流和二次电流的比例关系就不再维持变比这个常数了，而是要偏离变比这个常数。一次电流超过额定电流越多，一次电流和二次电流的比值就越偏离变比，这种现象称为电流互感器的饱和。
[0009]
电流互感器的饱和后，一次电流再继续增大时，二次电流就不再明显增大，显然饱和后二次电流就不能准确的按比例表示一次电流。
[0010]
电流互感器的饱和现象在电力工程技术中的应用主要有以下两种情况：
[0011]
第一种情况：为防止二次设备烧毁，选用易饱和的电流互感器，具体的：
[0012]
如额定电流为10a的电流表(满格指标为10a)，要测量最大工作电流达50a，短路电
流达500a用电设备，首先变比要选50：5的电流互感器，保障电路正常时电流表能反映电路的工作电流；其次进行饱和点的选择，若选用饱和电流为50a的电流互感器，当设备发生短路时，此时电流互感器的一次电流达500a，但由于饱和作用，抑制了50a以上的短路电流向二次电流的成比例传变，则流过电流表的电流可能只有5.9a，而不是按变比计算的50a。若选用饱和电流为500a的电流互感器，当设备发生短路时，一次短路电流全部按50：5比例传变到电流表回路，此时流过此电流表的电流达50a，可能会使此电流表立即烧毁。
[0013]
第二种情况：和保护装置配合使用的电流互感器，为使保护装置准确感知一次电路的不正常工作状态，选用不易饱和的电流互感器，具体的：
[0014]
为了便于本领域技术人员理解，还以第一种情况的用电设备情况为例(额定电流为10a的电流表，要测量最大工作电流达50a，短路电流达500a用电设备)，配备额定电流为5a，允许故障瞬间过载10倍(即50a)的电流保护装置，保护定值设为20a，即一次设备电流大于200a时跳闸断电；若在保护装置前端配合使用的仍是第一种情况选用的饱和电流为50a的电流互感器，当用电设备发生短路故障时，短电流实际达500a，但通过以上所选电流互感器，由于饱和作用，传入到保护装置的电流实际只有5.9a，远低于保护定值所设定的20a因此保护装置就不会动作，不能正确切除故障；对同样变比，若先用饱和点为500a的10p10电流互感器，则传到保护装置的电流会达到49a到50a，大于设定的跳闸定值20a，保护装置就会正常动作跳闸切除此短路故障。
[0015]
由上述两种情况，可以明确的是，电流互感器的饱和点测定必须非常准确，在这电力工业上具有十分重要的意义。
[0016]
现有的电流互感器的饱和点测定如下所示：
[0017]
电流互感器的饱和本质上是电流互感器铁芯的磁饱和，相同材料和工艺条件的电流互感器铁芯，截面积较小的饱和电流也较小，如图1所示a、b两个电流互感器铁芯，铁芯b和铁芯a的外径相同，但内径不同；铁芯b的截面积比铁芯a的截面积大4倍，铁芯b的饱和电流是铁芯a的4倍。
[0018]
常规测定饱和点是用伏安法，具体的：
[0019]
将一次回路断开，向二次线圈通入电流，电流电压特性曲线明显分成两段；如下图2所示：饱和前电流电压呈现近似线性关系，如曲线oa所示，饱和后电流电压也呈现近视的线性关系，如曲线bc所示，但明显不同与曲线oa的线性关系，曲线oa和曲线bc的斜率明显不同(为了便于本领域技术人员更好的理解，图2中曲线oa和曲线bc均用直线表示)，且曲线bc的斜率明显小于曲线oa的斜率。而且饱和前电流电压线性关系并不是如图3所示的，理想状态下立即过渡到饱和后电流电压线性关系，即曲线oa和曲线bc之间不存在一个明显的拐点，而是如图2所示，a、b点之间是通过一条弧状过渡曲线连接的，拐点位于过渡曲线ab上；现有的饱和点h的测定多是通过在电流电压关系曲线上描点目测实现的，观察图2中的过渡曲线ab目测出一个拐点，即饱和点h。
[0020]
但是，目测测定电流互感器饱和点h的方法明显存在精确度不足和不能在智能设备上使用的问题，对于电力行业来讲，饱和点h测定不精确很可能会导致电力元件烧毁的重大事故；因此，亟需一种能准确测定过渡曲线ab的拐点且能集成到智能设备程序中的数字算法，即饱和点h的数值算法。


技术实现要素：

[0021]
本发明的目的在于提供基于最大偏距法确定电流互感器饱和点的，以解决目测测定电流互感器饱和点的方法存在的精确度不足和不能集成到智能设备ied程序中
[0022]
的问题。
[0023]
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0024]
基于最大偏距法确定电流互感器饱和点的方法，包括以下步骤：
[0025]
步骤1：向待测定的电流互感器的二次线圈通入电流，获取二次线圈的电流电压特性曲线oc，其中，o为坐标原点，c点为饱和后电流电压线性关系曲线上随机选取的一点，c点的选取原则为c点的电流数值近似为饱和点电流数值的两倍，因为c点的电流数值太小，不能包含饱和点，c点的电流数值过大时电流互感器容易损毁；定义：
[0026]
饱和前电流电压线性关系为曲线oa段；
[0027]
饱和后电流电压线性关系为曲线bc段，
[0028]
过渡曲线为ab段，饱和点为h；
[0029]
步骤2：在二次线圈的电流电压特性曲线oc上，从o点到c点进行等距离采样，采样点的数目为n，第j个采样点对应的坐标为(i
j
,v
j
)，其中，j＝1,2,3,
……
，n，i
j
为第j个采样点对应的电流，v
j
为第j个采样点对应的电压；
[0030]
直线连接o点和c点，形成直线oc’，c’和c点重合，定义直线oc’为平均电流电压关系直线；平均电流电压关系直线oc’的方程为v＝k
′
i；其中，v为平均电流电压关系直线oc’的因变量，i为平均电流电压关系直线oc’的自变量，k
′
为平均电流电压关系直线oc’的斜率；
[0031]
步骤3：定义第j个采样点(i
j
,v
j
)到平均电流电压关系直线oc’的垂线距离为偏距d
j
，并计算偏距d
j
的值，具体的：
[0032][0033]
步骤4：选取最大的偏距d
j
的值，定义为d
max
，d
max
对应的采样点的电流、电压即为饱和点h的电流数值、电压数值。
[0034]
n≥20。
[0035]
所述的步骤4包括以下步骤：
[0036]
步骤4.1：将第j个采样点(i
j
,v
j
)与其对应的偏距d
j
保存为坐标联组(i
j
,v
j
,d
j
)，饱和点h的坐标联组为(i
max
,v
max
,d
max
)；
[0037]
步骤4.2：设定饱和点h的坐标联组为(i
max
,v
max
,d
max
)的初始值为(i
max
＝0,v
max
＝0,d
max
＝0)；
[0038]
步骤4.3：依次将第一个采样点的坐标联组(i1,v1,d1)至最后一个采样点的坐标联组(i
n
,v
n
,d
n
)中的偏距d
j
的值与饱和点h的坐标联组(i
max
,v
max
,d
max
)中的d
max
作比较，若第j个采样点的偏距d
j
的值大于d
max
，则用第j个采样点的坐标联组(i
j
,v
j
,d
j
)代替饱和点h的坐标联组(i
max
,v
max
,d
max
)，否则保持饱和点h的坐标联组(i
max
,v
max
,d
max
)不变；
[0039]
步骤4.4：第一个至最后一个采样点比较完毕，饱和点h的坐标联组(i
max
,v
max
,d
max
)中i
max
,v
max
即分别为饱和点h的电流数值、电压数值，d
max
即为饱和点h的偏距。
[0040]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0041]
与现有的目测测定电流互感器饱和点h的方法，本发明所述的基于最大偏距法确定电流互感器饱和点的方法，可以直接用于智能仪器的程序之中，从实际得到二次线圈的电流电压特性曲线oc上进行等距离采样，并以最大偏距确定饱和点h的位置，理论上，采样点的个数越多，饱和点h的位置越精确；实际工作中，可根据精度需求确定采样点个数，不仅能够精确的确定电流互感器饱和点h的位置，还能够以实际测定的电流互感器饱和点h的位置与出厂位置做对比，判断电流互感器是否老化、损坏，对电力行业的工作具有十分重要的指导意义。
附图说明
[0042]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0043]
图1为背景技术所述的铁芯a和铁芯b的结构示意图；
[0044]
图2为二次线圈的电流电压特性曲线oc的示意图；
[0045]
图3为理想状态下的二次线圈的电流电压特性曲线oc的示意图；
[0046]
图4为本发明的原理示意图。
具体实施方式
[0047]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0048]
如图4所示：本发明所述的基于最大偏距法确定电流互感器饱和点的方法，包括以下步骤：
[0049]
步骤1：向待测定的电流互感器的二次线圈通入电流，获取二次线圈的电流电压特性曲线oc，其中，o为坐标原点，c点为饱和后电流电压线性关系曲线上随机选取的一点；定义：
[0050]
饱和前电流电压线性关系为曲线oa段；
[0051]
饱和后电流电压线性关系为曲线bc段，
[0052]
过渡曲线为ab段，饱和点为h；
[0053]
步骤2：在二次线圈的电流电压特性曲线oc上，从o点到c点进行等距离采样，采样点的数目为n，第j个采样点对应的坐标为(i
j
,v
j
)，其中，j＝1,2,3,
……
，n，i
j
为第j个采样点对应的电流，v
j
为第j个采样点对应的电压；
[0054]
直线连接o点和c点，形成直线oc’，c’和c点重合，定义直线oc’为平均电流电压关系直线；平均电流电压关系直线oc’的方程为v＝k
′
i；其中，v为平均电流电压关系直线oc’的因变量，i为平均电流电压关系直线oc’的自变量，k
′
为平均电流电压关系直线oc’的斜率；
[0055]
步骤3：定义第j个采样点(i
j
,v
j
)到平均电流电压关系直线oc’的垂线距离为偏距d
j
，并计算偏距d
j
的值，具体的：根据第j个采样点(i
j
,v
j
)到平均电流电压关系直线oc’(v＝
k
′
i)的距离公式，即点到直线的距离公式可知：
[0056][0057]
步骤4：选取最大的偏距d
j
的值，定义为d
max
，d
max
对应的采样点的电流、电压即为饱和点h的电流数值、电压数值。
[0058]
优选的，为了保证饱和点h的精度，所述的采样点n≥20；理论上，n的个数越多，饱和点h的精度越高。
[0059]
优选的，所述的步骤4包括以下步骤：
[0060]
步骤4.1：将第j个采样点(i
j
,v
j
)与其对应的偏距d
j
保存为坐标联组(i
j
,v
j
,d
j
)，饱和点h的坐标联组为(i
max
,v
max
,d
max
)；
[0061]
步骤4.2：设定饱和点h的坐标联组为(i
max
,v
max
,d
max
)的初始值为(i
max
＝0,v
max
＝0,d
max
＝0)；
[0062]
步骤4.3：依次将第一个采样点的坐标联组(i1,v1,d1)至最后一个采样点的坐标联组(i
n
,v
n
,d
n
)中的偏距d
j
的值与饱和点h的坐标联组(i
max
,v
max
,d
max
)中的d
max
作比较，若第j个采样点的偏距d
j
的值大于d
max
，则用第j个采样点的坐标联组(i
j
,v
j
,d
j
)代替饱和点h的坐标联组(i
max
,v
max
,d
max
)，否则保持饱和点h的坐标联组(i
max
,v
max
,d
max
)不变；
[0063]
步骤4.4：第一个至最后一个采样点比较完毕，饱和点h的坐标联组(i
max
,v
max
,d
max
)中i
max
,v
max
即分别为饱和点h的电流数值、电压数值，d
max
即为饱和点h的偏距；
[0064]
上述步骤4和程序化运行，适应范围更广。
[0065]
实施例：
[0066]
为了便于本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面将用具体的实施例对本发明的技术方案做进一步描述：
[0067]
如图4所示：以理想状态下的某一型号的电流互感器为例，即二次线圈的电流电压特性曲线oc中，饱和前电流电压线性关系为直线oa,饱和后电流电压线性关系为直线bc，饱和点(拐点)为h，其中，a点、b点和h点重合，以下统称为h点；
[0068]
在二次线圈的电流电压特性曲线oc上，从o点到c点进行等距离采样，采样点的数目为30，第j个采样点对应的坐标为(i
j
,v
j
)，其中，j＝1,2,3,
……
，30，i
j
为第j个采样点对应的电流，v
j
为第j个采样点对应的电压；
[0069]
直线连接o点和c点，形成直线oc’，c’和c点重合，定义直线oc’为平均电流电压关系直线；平均电流电压关系直线oc’的方程为其中，v为平均电流电压关系直线oc’的因变量，i为平均电流电压关系直线oc’的自变量，k
′
为平均电流电压关系直线oc’的斜率；
[0070]
定义第j个采样点(i
j
,v
j
)到平均电流电压关系直线oc’的垂线距离为偏距d
j
，并计算偏距d
j
的值，具体的：
[0071][0072]
如表1所示：
[0073]
[0074][0075]
表1最大偏距法求电流互感器饱和点—30个采样点验证表
[0076]
选取最大的偏距d
j
的值，定义为d
max
，d
max
对应的采样点的电流、电压即为饱和点h的电流数值、电压数值，由表1可知，第15个采样点的偏距d
j
的值最大，为38.62069，其对应的电压为172.249v，误差为180
‑
172.249＝7.751，误差较大的原因为采样点个数较少；
[0077]
进一步的，采样点为2000时，如表2所示：
[0078]
[0079]
[0080]
[0081]
[0082]
[0083]
[0084][0085]
表2最大偏距法求电流互感器饱和点—2000个采样点验证表
[0086]
选取最大的偏距d
j
的值，定义为d
max
，d
max
对应的采样点的电流、电压即为饱和点h的电流数值、电压数值，由表2可知，第1001个采样点的偏距d
j
的值最大，为39.97998999，其对应的电压为179.9482422v，误差为180
‑
179.91＝0.09；
[0087]
经过测试若电压用伏(v)做单位，电流用毫安(ma)做单位，当采样点数到1000后，其饱和点测定结果误差就小于1微安，满足工作要求；采样点数超过10000后没有明显改善计算精度的功效。
[0088]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0089]
与现有的目测测定电流互感器饱和点h的方法，本发明所述的基于最大偏距法确定电流互感器饱和点的方法，从实际得到二次线圈的电流电压特性曲线oc上进行等距离采样，并以最大偏距确定饱和点h的位置，理论上，采样点的个数越多，饱和点h的位置越精确；实际工作中，可根据精度需求确定采样点个数，不仅能够精确的确定电流互感器饱和点h的位置，还能够以实际测定的电流互感器饱和点h的位置与出厂位置做对比，判断电流互感器是否老化、损坏，对电力行业的工作具有十分重要的现实指导意义，且能能集成到智能设备ied的程序中，具有重要的前瞻意义。
[0090]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。