（电力电子与电力传动专业论文）有源电子式互感器高压侧采集系统实现方案的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h e v o l t a g eg r a d ea n dt h ea u t o m a t i z a t i o na n di n t e l l i g e n t i z a t i o nr e q u i r e m e n t i m p r o v i n gc o n s t a n t l y , t h et r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i ct r a n s d u c e r se x p o s e st h es h o r t c o m i n gt h a tc a l l tb e o v e r c a m ea n dw h i c hc a n tk e e p u pw i t ht h ed e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n to fp o w e rs y s t e m t h en e w t y p e e l e c t r o n i cc u r r e n t v o l t a g et r a n s f o r m e r sb a s e do nt h et e c h n o l o g yo fo p t i c sa n de l e c t r o nb e c o m et h er e s e a r c h f o c u s 1 nt h eb e g i n n i n g ，t h ef a c i n gp r o b l e mo ft r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i ct r a n s f o r m e r sa n dt h ea d v a n t a g eo f e l e c t r o n i cc u r r e n t v o l t a g et r a n s f o r m e r sa r ei n t r o d u e di nt h i st h e s i s 。a c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n tw a y so f t r a n s d u c e ，e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r si n c l u d et w ob a s i ct y p e sw h i c ha r ep a s s i v ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e ra n d a c t i v ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r b a s e do nt h eo p t i c a lt r a n s d u c e r , t h eh i g hv o l t a g ep a r to ft h ep a s s i v ee l e c t r o n i c t r a n s f o r m e rh a sn oe l e c t r o n i cc i r c u i t c o n v e r s e l yt h eh i g hv o l t a g ep a r to ft h ea c t i v ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e rh a s e l e c t r o n i cc i r c u i tb e c a u s eo fe l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n ，a n di tu s e st h em o d e me l e c t r o n i ct e c h n o l o g yt o p r o c e s sd i g i t a ls i g n a l a n dt h ep r e s e n ta c t u a l i t yo fe l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r si ss u m m a r i z e d n e x tt h et h e s i si n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fa c t i v ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r s r o g o w s k ic o i l w h i c hi st h et r a n s d u c e ro fa c t i v ee l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e ra n dc a p a c i t i v ev o l t a g ed i v i d e rw h i c hi st h e t r a n s d u c e ro fa c t i v ee l e c t r o n i cv o l t a g et r a n s f o r m e r , a r ei n t r o d u c e ds e p a r a t e l y a c t i v ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r s h a v ef i v ep a r t sw h i c ha r et r a n s d u c e r , d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，o p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o na n di n t e r f a c e ，e n e r g y s u p p l y i n gd e v i c ea n dm e r g i n gu n i t t h ed a t aa c q u i s i t i o ni nt h eh i g h v o l t a g ep a r ti st h ei m p o r t a n tp a r to f e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r t h ea n a l o gs i g n a lg o tb yt h et r a n s d u c e r sw i l lb ec o n v e r t e di n t od i g i t a ls i g n a lb yt h e a dc o n v e r t o r t h ef r e q u e n c yo fs a m p l i n gi sc o n t r o l l e db ys i n g l e c h i p t h e nt h ee ow i l lc o n v e r tt h ed i g i t a l s i g n a li n t oo p t i c a ls i g n a la n dt r a n s m i ti tt ot h el o w v o l t a g ep a r tt h r o u g ht h ef i b e r t h e nt h et h e s i sr e s e a r c h e sa n dd e s i g n se v e r ye l e m e n tf o f t h ed a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mo fa c t i v e e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r s ，i n c l u d i n gp o w e rc i r c u i t r y , s i g n a lc o n d i t i o n g i n gc i r c u i t ，a dc o n v e r s i o nu n i t ，o p t i c a l f i b e rt r a n s m i s s i o nu n i ta n ds oo ni nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t h i st h e s i sa l s oc h o o s e st h ec h i p s ，a d 7 6 8 5a n d m s p 4 3 0w h i c ha r en e e d e di nt h eh i g hv o l t a g ep a r tu n d e rt h ep r i n c i p l eo fl o w - p o w e rc o n s u m p t i o n i ta l s o d e s i g n st h ew a yb yw h i c ht h es i n g l e c h i pc o n t r o lt h ea dc o n v e r t o r , d a t aa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o n i nt h ee n d ，t h et h e s i ss u m m a r i z e st h er e s e a r c hc o n t e n t t h ep r o b l e m st h a tn e e dt ob ef u r t h e rr e s e a r c h e d a n dr e s o l v e da r ep r o p o s e d k e y w o r d s ：e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r ；a c t i v ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r ；d a t aa c q u i s i t i o n ；l o w - p o w e rc o n s u m p t i o n a b s t r a c t 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 1 1 日期： 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论弟一早珀t 匕 电力工业在国民经济中占有重要的地位，现代工业、农业、交通、国防以及人民生活的许多方面都 离不开电。在九五期间，我国的电力工业进入了高速发展时期，各大电网的装机容量以每年1 0 2 0 的速度递增，电网的正常工作电流和短路电流都越来越大；另一方面，电网运行的电压等级也越来越高， 在现已运行的电网中，我国直流最高电压等级为+ 5 0 0k v ，交流最高电压等级为7 5 0 k v 。目前，我国又在 研究、探讨并建设直流_ + 8 0 0k v 、交流1 0 0 0k v 及以上电压等级特高压电网。随着大型水电、火电及核电 基地的建设，我国对远距离、大容量超高压及特高压输电的需求日益增加i 。电网向大容量、超高压方向 发展是电力工业发展的必然趋势。 为了保证电力系统安全经济的运行，需要对电力系统及其中各电力设备的相关参数进行测量，以便 对其进行必要的计量、监控和保护。通常的测量和保护装置不能连接到高电压、大电流的电力回路上，而 需将这些高电压端的电力参数按比例变换成低电压端的参数或信号，以供给测量仪器、仪表、继电保护和 其他类似的电器使用。进行这种变换的装置，通常称为电力互感器或仪用变压器( 1 s t r u m e n t t r a n s f o r m e r ) t 2 l 。 互感器是电力系统中用于电能计量和继电保护的重要设备之一，其测量准确度及可靠性对电力系统的安 全、稳定和经济运行有着重要的影响。 电力互感器按测量参数类别通常可分为两大类：一类是电流互感裂3 1 ( c u r r e n tt r a n s f o r m e r ，简称c t ) ； 另一类是电压互感器i 4 l ( v o l t a g et r a n s f o r m e r ，简称v t ) 。电流互感器将一次回路的大电流成比例的变换为 二次回路小电流，电压互感器是将一次回路的高压成比例的变换为低电压。电力互感器还可以按电流变换 原理分为电磁式互感器和新型互感器。传统的c t 、v t 属于电磁式互感器，根据电磁感应原理传感电流、 电压的变化；新型互感器一般基于光电技术和电子技术，因此，根据国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a l e i e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，简称i e c ) 标准p o j ，新型互感器被统称为电子式互感器饵i e c t r o n i ct m n s f o r m e o ， 代表了电力互感器的发展动向。 1 1 1 电子式互感器简介 现在，国际上很多单位都在加紧研制各种类型的电子式互感器。国际电工委员会制定了电子式互感器 的标准。i e c 6 0 0 4 4 - 7 1 9 9 9 互感器第七部分：电子式电压互感器( e v t ) 于1 9 9 9 年颁布；i e c 6 0 0 4 4 - 8 ： 2 0 0 2 互感器第八部分：电子式电流互感器( e c d 于2 0 0 2 年颁布。这些标准对电子式互感器的使用条件， 技术要求和规格等作了全面的、详细的规定。使用条件原则上与常规互感器相同，但技术要求和规格则基 于电子式互感器的特性，具有明显的差异。 i e c 6 0 0 4 4 - 8 标准对标称频率在1 5 h z 到1 0 0 h z 范围内，具有模拟电压输出或数字输出，用于测量和 保护的新型电流互感器进行了详细的描述及规定，并指出，传感器可以是光学电子设备、空心线圈及装配 有取样电阻器用作电流电压转换的铁心线圈( 即铁心线圈式低功率电流传感器l o wp o w e rc u r r e m t r a n s f o r m e r ，l p c t ) ：i e c 6 0 0 4 4 - 7 标准指出，电子式电压互感器是由分压器( 电阻式或电容式) 或光学装 置以及用来传输、放大信号的电子器件组成，电子式电压互感器根据传感原理的不同主要有光电电压互感 器，电容分压式电压互感器和电阻分压式电压互感器。 根据i e c 标准，电子式互感器包括连接传输系统和二次转换器的一个或多个电流、电压传感器，将 被测量按比例传送给测量仪器、仪表和保护或控制装置，装置的输出可能是模拟量也可能是数字量。对于 模拟量输出的互感器，二次转换器采集的信号经处理后直接供给二次设备；对于数字输出的互感器，可以 用一个汇接单元将多个二次转换器汇集输出至二次设备。 根据传感方式的不同，电子式互感器可分为无源型和有源型两种基本类型。前者基于光学传感技术， 其特点是在高压侧没有电子电路；后者基于电磁感应原理，但利用现代电子技术进行信号处理，其特点是 在高压侧有电子电路。 东南大学硕士学位论文 1 1 2 无源电子式互感器 ( 1 ) 无源型e c t 无源型e c t 以光学元件作为电流传感头，多采用磁致伸缩效应、f a r a d y 磁光效应、电热效应等原理 来实现电流的测量。基于磁致伸缩效应原理的电流互感器在一段时间内曾受到相当的重视，此种互感器一 般是将磁致伸缩材料粘贴或镀在单模光纤上，磁致伸缩材料在磁场作用下其轴向尺寸发生变化，使光纤长 度产生相应的变化，从而使光纤中的光程发生变化，引起光相位的变化，利用干涉法检测相位变化即可得 知被测磁场( 即电流) 。但是由于该方法受光学元件本身长期性能稳定性和可靠性以及外界干扰等冈素的 制约比较严重，工业化应用的进展缓慢。当前，利用f a r a d y 效应测量电流的方法最直接，且装置最简单、 精度高，所以应用范围最广，研究力度也最大，是最有发展潜力的无源电子式电流互感器。 利用f a r a d y 磁光效应测量的工作原理是：l e d 发出的光经起偏器后为一线偏振光，线偏振光在磁光 材料( 如重火石玻璃) 中绕载流导体一周后其偏振面发生旋转，通过测量线偏振光偏振面的旋转角度，就 可以间接地测量出导体中的电流值。如图1 1 所示。 图1 1f a r a d y 效应电子式电流互感器原理图 磁鬼材料 如图所示，据法拉第磁光效应及安培环路定律可知，线偏振光的旋转角度9 与载流导体中的电流f 有 如下关系： 8 = v1 月刃= v i ( 1 - 1 ) j 式( 1 1 ) 中y 为磁光材料的v e r d e t 常数，为磁光材料中的通光路径，f 为载流导体的电流【9 】。虽然传 感型电流互感器已经达到实用化的程度，但是要取代传统的c t 还存在一些问题。主要问题有： 双折射效应的影响。双折射效应对全光型电流互感器的影响主要是使入射到磁光材料的线偏振光变 成椭圆偏振光，从而使线检偏器输出的光强度变化不与被测电流成正比，这大大影响了互感器的灵敏度和 测量精度。 环境温度的影响。温度的变化会导致磁光玻璃的v e r d e t 常数发生变化：l e d 的发光波长随温度的变 化而变化，波长的变化又会导致v e r d e t 常数的变化。 光学系统的长期稳定性问题。光学部件准确定位的困难，组装时的应力会导致双折射，利用双光路 减弱双折射时，光路相当复杂。 光学系统的加工、装配工艺有待提高。光学材料的加工工艺、光路耦合工艺、光路的装配工艺要求 都很高1 7 1 。 2 第一章绪论 ( 2 ) 无源型e v t 到目前为止，国内外关于无源型e v t 已经提出了许多种基于不同光学效应的测量原理，而当前应用 最多的是基于p o c k e l s 线性电光效应和基于逆压电效应的电压互感器1 5 ，6 j 。 p o c k e l s 线性电光效应是指某些透明的光学介质在在外电场的作用，其折射率线性地随外加电场而变。 常用的p o c k e l s 晶体有铌酸锂( l i n b q ，简称) 、硅酸铋( b f l ，研q ，简称b s o ) 和锗酸铋 ( b 。g e ，。；，简称艿g 0 ) 。其中在电力系统高电压测量中用得最多的是b g d 晶体，曰g d 晶体是一 种透过率高、无自然双折射性和自然旋光性、不存在热电效应的晶体，在电压传感方面具有优良的性鲥引。 根据电光晶体中通光方向与外加电场方向的不同，基于p o c k e i s 效应的光学电压互感器可分为横向调 制光学电压互感器和纵向调制光学电压互感器。 超麓翟 图l - 2 电子式电压互感器原理图 稳麓曩 两种类型的光学电压互感器的都是通过测量相位差万来实现的。横向调制型外加电场方向与通光方 向垂直，纵向调制型外加电场方向平与通光方向平行。图1 - 2 是基于横向调制的光学电压互感器原理图。 其原理是l e d 发出的光经起偏器后为一线偏振光，在外加电压的作用下，线偏振光经电光晶体( 如b g o 晶体) 后发生双折射，双折射的两束光束在晶体出射面上产生的相位差万与外加电压y 有如下关系： 万= 等讥扣乏呱= 靠， 2 ， 式1 2 中，为b g o 的折射率，扎l 为b g o 的电光系数，为b g o 中光路长度，d 为施加电压方向 的b g d 的厚度，旯为入射光波长，k 为晶体的半波电压( 半波电压是指使由p o c k e l s 效应引起的双折射 两光束产生万相位差所需的外加电压) 。相位差万与外加电压v 成正比，利用检偏器将相位差占的变化转 换为输出光强变化，经光电变换及相应的信号处理便可求得被测电压【9 j 。纵向调制型和横向调制型的不同 之处是两者的半波电压圪不一样，纵向调制型圪与晶体的尺寸无关。 基于逆压电效应的电压互感器的工作原理是当压电晶体受到外加电场作用时，晶体除了产生极化现 象外，同时形状也将产生微小变化，即产生应变，这种现象称为逆压电效应。若将逆压电效应引起的晶体 形变转化为光信号的调制并检测光信号，则可实现电压的测量。 不论是采用电光晶体还是压电晶体作电压传感头，它们的原理都是根据晶体在外加电场的作用下产生 的电极化效应来实现电压的测量，而环境温度及应力等外界作用也将引起晶体的附加极化并形成对电场极 3 东南大学硕士学位论文 化的干扰，从而成为影响这类电子式电压互感器工作稳定性的不利因素。虽然可以采取一些措施，消除或 降低温度或外界应力对光纤电压互感器的影响，但却使传感头光路、电路变得非常复杂，对传感头的加工 与固化工艺也提出更高要求。 1 1 3 有源电子式互感器 有源型e v t 是被测高电压经电容环分压器、电阻分压器或电容电阻串联电路得到一个小电压信号， 数字化后通过光纤输出。对于电容分压器或电阻分压器得到的小电压和被测高电压呈比例关系、小电压直 接数字化输出即可：对于电容电阻串联电路在电阻上得到的小电压是被测电压的微分，要想得到被测电压 值必须对小信号进行积分。 有源型e c t 在一次侧需要电源供电，它是通过一次侧的采样传感器对电流信号取样，利用有源器件 调制技术，以光纤作为信号通道，把一次侧转换的光信号传送n - 次侧进行信号处理，还原得到被测信号。 有源型电子式电流互感器的特点是：利用光纤系统提供的高绝缘性、抗电磁干扰强的优点，显著地降低了 互感器的制造成本，减少了体积和重量，充分发挥了常规测量装置的优势，同时还避免了光学传感头光路 的复杂性及对温度、外界振动敏感等技术难点。 实现有源光电电流，电压互感器存在如下一些难点： ( 1 ) 高压侧数据采集系统的供电电源设计问题。高压侧的电子线路需要有电源供能才能运行，由于 高压侧和低压侧没有电磁联系，因此如何解决高压端供能问题是该类互感器的难点； ( 2 ) 电子线路的测量准确度问题； ( 3 ) 电子线路的抗干扰问题。 1 1 4 电子式互感器的特点 在电力系统中，传统的电磁感应式互感器被用来测量电流电压信号已经有一百多年的历史了，它为电 力系统的计量、继电保护、控制和监视提供输入信号，具有非常重要的意义。传统的电磁感应原理构成的 电流互感器( 1 a ) 和电压互感器( t v ) 是分别将电流和电压分别转换为0 - 5 a 的电流信号和0 - 10 0 v 的电压信号 来实现的i 儿。其主要优点在于原理简单、可靠性高、输出容量大，同时性能比较稳定，适合长期运行，并 且有长期的运行经验。但是随着电力系统的发展，继电保护、电气设备自动化程度的提高，电力系统绝缘 等级的提高，以及超高压输电网络的建设，电磁式电流互感器( c 1 ) 电磁式电压互感器( p d 的呈现出许多不 可克服的缺点，主要表现在0 1 1 ： ( 1 ) p t 和c t 因为带有电感线圈和铁磁材料，故频带不宽，线性范围窄； ( 2 ) 系统发生短路故障时，短路电流将使c t 的铁心饱和，二次侧的信号波形发生畸变； ( 3 ) p t 的二次侧直接与电压表连接，相当于运行在变压器的空载状态，短路会引起很大的短路电流， 使用中不允许短路：c t 的二次侧直接与负载和电流表相连，相当于运行在变压器的短路状态，二次侧开 路会引起很高的电压，使用中不允许开路。 ( 4 ) 电磁式互感器都有一定的额定容量，从电力网中消耗功率，成为系统的负载，存在负荷分担问 题，而p t 最为严重的问题是可能出现铁磁谐振，这种谐振现象，某些元件的电压过高危及设备的绝缘， 同时可能在非线性电感元件中产生很大的过电流，使电感线圈引起温度升高，击穿绝缘，以致烧损。 上述问题说明，传统的电磁式互感器已经难以满足现代电力系统在线检测、高准确度故障诊断、计算 机控制与管理等发展需要，寻求更理想的新型电压、电流互感器势在必行【1 2 l 。 电子式互感器是电力系统中电能计量和继电保护的重要设备，其精度及可靠性与电力系统的安全、可 靠和经济运行密切相关。随着电力系统向高电压大电流方向的发展，以及现代数字信号处理，电子技术和 通信光纤技术的发展，也使得电子式互感器得到了快速发展。 电子式互感器有以下特点：数字化输出，简化了互感器与二次设备的接口，避免了信号在传输、存 储和处理中的附加误差，提高了系统的可靠性；利用光纤传输信号，抗电磁干扰性能好；无铁芯，不存在 磁饱和、铁磁谐振现象，线性度好，绝缘简单，测量范围大、频带宽、精度高，而且体积小、重量轻、成 本低，减少了变电站的面积。 4 第一章绪论 因此，电子式互感器的研究具有非常重要的现实意义，它也是本文的研究重点。 1 2 国内外相关课题的研究现状 1 2 1 国外电子式互感器发展情况 国外对互感器的专门研究进行的较早，对电磁式电流与电压互感器的研究和应用技术已比较成熟。二 十世纪六十年代，人们就开始了对光学电子式互感器的探索，由于当时光导纤维尚未出现，光通路中的光 强波动厉害，测量的稳定性很差。七十年代，随着光导纤维的出现，光学、光纤传感技术在高压电力系统 中的应用研究出现热潮，但由于样机的精度低、温度稳定性差，都未能挂网运行。八十年代后期以来，光 电传感技术在电力系统中的应用研究得到了突破性进展，美国、日本、法国等技术发达国家先后研制出多 种光学互感器样机，并在实际高压电站长时间运行。九十年代，国外知名公司陆续公布了它们研制的试验 样机及其运行数据，并打出了产品广告。 目前，全世界已经投入运行的电子式互感器已有不少。有些公司已经形成规模产品投放市场，如a b b 公司在1 9 9 1 就宣布生产了计量和继电保护用的3 4 5 k v 电压等级的新型电流互感器l i 引。1 9 9 7 年1 月a b b 公司推出了额定电流z k a 的1 1 5 k v 一5 5 0 k v 的光学电压电流互感器的产品介绍。其绝缘支柱采用内充 s f 6 气体的硅橡胶复合绝缘子，测量精度达到i e c l 8 6 精度等级0 2 级。整个互感器重量比较轻，5 5 0 k v 电 压等级的产品总重量仅为2 7 6 7 k g 。 德国的r i t z 互感器公司早期与德国的大学合作所研究推出了自己的电子式电流互感器。电流的测量 范围可达到5 0 a 到3 0 0 0 a ，电磁干扰也可以通过各种抗干扰措施得到消除。 法国g e ca l s t h o m 公司在美国b o n n e v i l l e 安装了5 2 5 k v 的光学电压电流互感器，其后，又陆续在 荷兰、比利时、加拿大和法国等国的变电站挂网试运行。1 9 9 7 年，又推出了1 2 3 k v 7 6 5 k v 光学电压电流 互感器的产品广告，互感器可同时输出计量和保护用信号，测量精度可达0 2 。 北美的n x t p h a s e 公司于2 0 0 0 年3 月在s u r r e y ，b r i t i s hc o l u m b i a 的b ch y d r o si n g l e d o w 变电站，安装 了2 3 0 k v 电压等级的光学电压互感器；2 0 0 1 年1 0 月又在m o n t r e a l 岛的r o l l sr o y c eg a d - t u r b i n 发电站安装 了13 s k v 电压等级的三相系统，并计划将电压等级推广到7 6 5 k v 。 各国对电子式电流互感器的研究也很重视。美国于1 9 8 8 年左右就研制出1 6 1 k v 的电子电流互感器， 1 9 9 2 年又研制出了3 4 5 k v 的电子电流互感器，该互感器的最大测量值达2 k a ，准确等级为0 3 裂j 。前苏 联和日本也较早组织有关研究院和电力公司进行电子电流互感器的研究，前苏联研制出电压等级达7 5 0 k v 的电子电流互感器，而日本已研制成功3 0 0 k v 的产品及1 0 0 0 k v 的测量系统样品等i l 引。 1 2 2 国内电子式互感器发展情况 直到2 0 世纪6 0 年代初期，我国的互感器生产才逐步专业化，而对于电子式电流互感器的研究 始于2 0 世纪8 0 年代，以1 9 8 2 年在上海召开的”激光工业应用座谈会”为起步，主要研究单位有电子 部2 6 所和3 4 所、清华大学、电力科学研究院、陕西电力局中心试验所、上海互感器厂、北方交通 大学、华中科技大学、湖南大学等，研究绝大部分仅限于实验室探索阶段。 前几年，国内各单位的研究重点主要是无源光电式互感器，如华中科技大学1 9 9 3 年曾研制出 l1 0k v 光学电流、电压互感器，并在广东新会挂网试运行l l 引。燕山大学光电子技术研究所在河北省 科委的高新技术专项基金资助下，己经研制成功了额定电压l1 0 k v ，额定电流1 0 0 0 a ，精度为0 2 级的混合式光纤电流互感器样机，于2 0 0 1 年在保定天威保变集团进行了初步测试并获得良好的测试 结果，很快进行挂网试运行。华中科技大学于2 0 0 4 年设计了电子式低功耗电流互感器( 电子式l p c t ) 。 针对额定电流6 0 a 的l p c t 进行了相关误差实验，结果表明：l p c t 具有较宽的测量范围，一个二 次绕组即可同时满足0 2 级计量及5 p 2 0 保护的要求，使得l p c t 的尺寸较传统电流互感器( t a ) 大为 降低。 近年来，国内多家研制单位己开始注重有源电子式互感器的研究，如南瑞继保电气有限公司己 5 东南大学硕士学位论文 经研制出可用于ll ok v 及2 2 0k vg i s 的有源电子式电流互感器，实验表明在( 4 0 , - - + 4 0 ) 。c 范围内， 其计量精度达到0 2 级。西安同维电力技术有限责任公司，其开发设计制造的磁光电流互感器具有 体积小，重量轻，可靠性好，维护简单；结构中无铁芯，无剩磁影响，在故障电流条件下不会产生 磁饱和：设备内无需充油，没有s f 6 绝缘气体；绝缘性能优异；安装简便，可直接挂网，无需大规 模线路施工；二次输出可开路，本身无须保护装置保护，具备绝对安全性。2 0 0 5 年河南电力试验研 究院与德国斯尼文特公司等联合研制的交流变电站用5 0 0 千伏光电电子式互感器于1 0 月1 4 日在5 0 0 千伏郑州变电站投入运行，填补了国内输变电5 0 0 千伏电压等级电子式互感器空白。但与国外的水 平仍有相当大的距离1 1 6 1 。 1 3 本文的主要内容 本论文主要内容包括： ( 1 ) 介绍了有源和无源电子式互感器的特点、工作原理和设计要求，以及目前在应用中存在的 问题。 ( 2 ) 在分析和比较多种电子式互感器高压侧电路应用方案的基础上，从可靠性、精度以及实用 性等多方面考虑，确定整体设计思路。 ( 3 ) 根据确定的方案对信号处理部分进行硬件设计开发，主要包括信号处理电路的设计以及调 试。 ( 4 ) 介绍了现有的高压侧供能电路，在对其进行分析和比较的基础上，研究了高压侧供能的方 法。 ( 5 ) 将该系统的各部分功能进行调试，完善电路，完成系统设计。 6 第二章电子式互感器的原理 第二章电子式互感器的原理 2 1 电子式互感器的基本原理 国际电工委员会( i e c ) 制定了电子式电流互感器( i e c 6 0 0 4 4 8 e l e c t r o n i cc u r r e n t t r a n s f o r m e r ) ) ) 标准，其中，将电子式电流互感器按照传感原理一般分为三种：光学电流互感器、 低功率电流互感器、空芯电流互感器p 1 。而电子式电压互感器( i e c 6 0 0 4 4 7 ( ( e l e c t r o n i cv o l t a g e t r a n s f o r m e r ) ) ) 标准中，将电子式电压互感器根据传感原理的不同分为：光电电压互感器、电容分压式 电压互感器、电阻分压式电压互感器1 6 】o 在标准中，还给出了电子式互感器的通用框图，如图2 1 所示。 图2 1 单相电子式互感器通用框图 按照图2 1 的规定，根据被测量量的不同性质( 交流直流，电压电流) ，采用不同的一次传感 器，可以构成不同类型的电子式互感器。如采用光学传感，则不需要一次电源，即为无源电子式互 感器。目前，在有源电子式互感器中，交流电压的测量采用电容分压( 高压时) 或电阻分压( 中压 时) 作传感器，交流电流的测量通常采用空心线圈( r o g o w s k i 线圈) 做传感器，而直流电流的测量 可以采用分流器作传感器。这几种传感器虽然类型和工作原理不同，但它们却都具有共同的特点： 输出均为电压信号，且输入为额定信号时，输出电压一般幅值较小，为几十至几百毫伏【 ，1 8 1 。 2 2 有源电子式互感器一次转换器实现方式 在有源电子式互感器中，图2 1 中所示的传输系统一般为光纤。一次转换器的任务就是将传感器 的输出信号通过电子电路变换为光信号送入光纤。目前，一次转换器可以采用3 种方式实现：模拟调 制方式；电压频率转换( v f c ) 方式；模数转换( a d c ) 方式。 ( 1 ) 模拟调制方式 模拟调制方式是将传感器输出的电压信号线性变换为电流信号，再驱动发光器件如发光二极管 ( l e d ) ，采用模拟信号的形式通过光纤传送。如图2 2 所示。 7 东南大学硕士学位论文 图2 2 模拟调制方式原理 相角误差可以通过调节放大电路的内部相移而减小，但是要求对光纤发射器件和光纤接收器件 ( 即e o 和o e 转换部分) 的温度不稳定性进行补偿。理论和实验都证明，沿光纤将被测电流的信息 和校正信息一起传输是最好的解决办法。该方式结构简单，但是由于此时光纤传输的是模拟信号， 温度和其他的噪声因素对电路的影响比较大，系统工作不稳定，因此该方式应用起来有一定的困难。 ( 2 ) 电压频率转换( v f c ) 方式 v f c 方式是将传感器输出的电压信号经模拟电路处理后，通过高精度压频转换器变换为与之成 正比的数字频率信号，然后驱动发光器件得到数字光信号，通过光纤传送；二次转换器接收光信号， 并转变为数字电信号，经过频压转换可以还原模拟电压信号。如图2 3 所示。 图2 3v f c 方式原理 v f c 方式的优点是结构简单，精度及抗干扰性能较好，适合信号的远距离传输。但是，压频、 频压转换在满足准确度的要求的情况下，需要较长的响应时间，再加上额外的处理电路，其时延会 更大，无法满足系统保护快速响应的要求。 ( 3 ) 模数转换( a d c ) 方式 a d c 方式与v f c 方式类似，所不同的在于经过a d 转换出的数字信号驱动光纤发射器件通过光 8 第二章电子式互感器的原理 纤将光信号串行传输到低电位侧，经过放大后再经d a 转换还原为模拟信号。如图2 - 4 所示。 图2 4a d c 方式原理 a d c 方式的优点是准确度高，使用光纤传输数字信号，传输过程中不会产生附加误差并且转换、 传输的速度快，系统时延小。但是a d c 方式增加了系统控制的复杂性，增大了一次转换器的功耗， 对一次电源的设计及高压侧电路低功耗设计提出了更高的要求。 综合来看，a d c 方式的优势明显，因此，选择a d c 方式作为系统的设计方案。 2 3 基于a d c 方式的有源电子式互感器设计方案 确定a d c 方式作为系统的设计方案，对图2 1 的通用框图进一步细化，确定了采用模数转换方 式的有源电子式互感器的原理图，如图2 5 所示。 ， o e 转换卜一叫合并单元l 低压侧 l 。jl j 图2 5 有源电子式互感器原理图 图2 5 向我们呈现了有源电子式互感器的整体结构，它由传感器、数据采集系统、光纤传输及 接口、电源供能装置及合并单元五个部分构成。 9 东南大学硕士学位论文 2 3 1 传感器 电子式互感器传感头部分的设计直接关系到互感器采样数据的精度及可靠性，是整个系统的核 心部件之一。国际电工委员会于2 0 0 2 年7 月发布了i e c 6 0 0 4 4 8 电子式电流互感器标准第一版，标 准 1 7 1 中涉及的电流传感器包括光学、空心线圈【1 9 , z , 0 1 等，r o g o w s k i 线圈即空心线圈具有测量准确度高、 动态范围大、制造成本低等优点，被广泛使用。i e c 电子式电压互感器标准指出，电子式电压互 感器是由分压器( 电阻式或电容式) 或光学装置以及用来传输、放大信号的电子器件组成。因此，电子 式电压互感器根据传感原理的不同主要有光学电压互感器、电容分压式电压互感器和电阻分压式电 压互感器1 2 1 , 2 2 j 。电容分压器具有绝缘性能强、暂态性能好等优点，被广泛使用。 2 3 1 1 用于有源电子式电流互感器的r o g o w s k i 线圈 r o g o w s k i 线圈是一种较为成熟的电流测量元件，广泛应用于各个领域。其特点在于被测电流几 乎不受限制，反应速度快，可以测量前沿上升时间为纳秒级的电流，且准确度可优于0 1 1 2 3 1 。 r o g o w s k i 线圈是根据电磁感应原理将漆包线缠绕在一个非磁性骨架上，让母线电流从骨架中心 穿过，这样导线就会感应出与母线电流成比例的电压信号。与传统铁芯式电流互感器相比，其主要 区别在于二者所用的材料和阻抗特性不同。r o g o w s k i 线圈实质上是将一组导体线圈缠绕在一个非磁 性芯上，它的二次侧负载一般是大电阻；而铁芯式电流互感器是将一组导体线圈绕在一个磁性芯上， 它的二次侧负载是一个很小的采样电阻。如图2 6 所示。 图2 - 6r o g o w s k i 空心线圈 除结构与材料上的不同，与传统电流互感器相比，空心线圈的优点有：测量准确度高，测量范 围宽，同一绕组可测量电流范围可从几安培到几千安培( n - - 丁以到1 0 0 k a ) ，频率范围宽，根据不同 要求可设计n o 1 h z 到1 m h z ，特殊的可设计到1 0 0 m h z ( 0 1 h z 1 0 0 m h z ) 【2 4 】，生产制造成本低。 n 为线圈单位长度上的匝数，s 为线圈截面积，则线圈d l 段上的磁链为： d 0 = s n h d l ( 2 。1 ) 式中h 为线圈d l 段处的磁场强度。 整个线圈的磁链为： 妒= q o s n h ( 2 - 2 ) 若线圈各处的n 及s 均匀，据全电流定律得： 妒= 4 1 l o s n h d l = f l o s n 4 h d l 掣。s n i ( 2 3 ) 若i 为交变电流，则线圈的感应电势e ( t ) 为： 印) _ - 警= w ，z 罢 ( 2 - 4 ) 第二章电子式互感器的原理 由式( 2 - 4 ) 可知r o g o w s k i 线圈的感应电势e ( t ) 与被测电流i 的微分成正比，因此，将r o g o w s k i 线圈输出的信号进行积分，即可获得与一次电流成正比的信号。 1 r o g o w s k i 线圈在高频、低频电流测量中的应用： ( 1 ) r o g o w s k i 线圈在高频电流测量中的应用 直接在r o g o w k s i 线圈的两个出线端接一个小信号电阻见，测量系统等效电路图如图2 - 7 所示。 l 鼻 图2 7r o g o w s k i 线圈高频电流等效电路图 卜 图2 - 7 中： f l ( ，) 一穿过线圈的一次电流 乏 一线圈中感应的二次电流 p ( ，) 一r o g o w s k i 线圈的电动势 三一线圈的电抗 r一线圈绕组和引线的总电阻 e 一线圈的等效杂散电容 r 一线圈二次侧的信号电阻，或功率因数为1 的负荷阻抗 u o 一待校准的输出电压 当测量高频电流时，彩= 2 很大，去很小，可以不考虑e 的影响，由图2 1 l 可以列出电 路方程为： p ( ，) - 三d 面_ _ z + ( 尺+ r ) f 2 ( 2 - 5 ) 当电阻( r + 心) 很小且电流的变化率很大，满足碰r + 咒时，则式( 2 5 ) 近似为： 嘶m 鲁 ( 2 - 6 ) 又将 p ( r ) = m 堕d t ( 2 - 7 ) 代入( 2 6 ) 中得 东南大学硕士学位论文 ：华(2-8)122 _ z 1 图2 1 l 中线圈的互感l = n m ，代入上式得： f 22 亩f l 2 - 9 ) 所以线圈的输出电压为： 铲f 2 心= 令f i ( 2 - l o ) 即输出电压与被测电流f l 成正比，这种情况下不需要外接积分器，自感l 起积分作用，相当 于自积分型，适合信号电阻r 取得很小，测量高频冲击电流的场合。 ( 2 ) r o g o w s k i 线圈在低频电流测量中的应用 当被测电流的频率不够高，不满足条件c o l r + r b 时，就不能用式( 2 l o ) 来求被测电流。 由式( 2 7 ) p ( f ) ：m ! 筝可得出： i l ( t ) = 心( f ) = 万1 p o ) d r ( 2 - 由式( 2 1 1 ) 可知，要得到被测电流值，需要对线圈的感应电势积分，这可以通过两种途径实 现，一是在线圈后接电子积分装置，而是将线圈的输出电压值离散化后，用数值积分的方法求出被 测电流值。