脉冲功率测试技术

脉冲功率测试技术光电电流互感器原理及应用电流互感器作为电力系统中的重要设备，对电力系统的正常运行和电力的精确计量有非常重要的作用。目前光电混合式电流互感器己进入实用化研究阶段，采用先进的电子和光学技术，无论对于光电混合式电流互感器的研制还是推广都非常重要。实践证明，采用这种方法设计的光电混合式电流互感器工作可靠、集成度高，有效的解决了高压端与低压端间的绝缘等问题，能够克服传统电磁式电流互感器的缺点，因此为光电混合式电流互感器在变电站自动化系统中的广泛应用积累了经验。1光电混合式电流互感器的分类光电式电流互感器可分为无源型和有源型两大类，前者基于光学传感技术，一般是基于法拉第(Faraday)效应等磁光变换原理，这类互感器直接用光进行信息变换和传输，与高电压电路完全隔离，具有不受电磁干扰，测量范围大，响应频带宽，体积及便于数字传输等优点，其特点是在高压侧部分无需电源，故称为无源电子式电流互感器;后者基于电磁感应原理，如采用无铁心的Rogoswki线圈，这类电子式电流互感器与常规电流互感器较相似，但体积小，暂态响应好，可靠性高，可以直接以模拟量形式输出，也可将信号数字化后用光纤技术进行信息传送，这样大大简化了互感器的绝缘结构，适用于高电压系统，这类电子式电流互感器的特点是高压侧有电子电路，需要有电源对其供电。故称为有源电子式电流互感器。(1)无源型光电电流互感器的工作原理及其结构所谓无源型光电电流互感器乃是传感头部分不需要供电电源的电子式电流互感器。其基本原理是利用了光的传播原理。光在传播过程中，如果在垂直于光传播方向的平面内，光矢量始终沿一个固定的方向振动，就称这种光为线偏振光。磁场能使本来不具有旋光性的物质产生旋光性。即当一束线偏振光穿过无旋性介质时，如果在介质中沿光的传播方向施加一个外磁场，光通过介质后，光的振动面就会转过一个角度，这种现象被称为磁致旋光效应或法拉第效应。对于给定的介质，振动面的转角与介质的长度L及磁场强度H成正比，即三=VHL其中，比例系数v叫做费尔德(Verdet)常数，由介质和光波波长决定。磁致旋光效应的旋转

方向仅与磁场方向有关，与光线传播方向的正逆无关，这种磁致旋光现象与晶体的自然旋光现象是不同的。光束往返通过自然旋光物质时，因旋转角相等方向相反而相互抵消，但通过磁光介质时，只要磁场方向不变，旋转角都朝一个方向增加，因此，磁致旋光效应是一个不可逆的光学过程。法拉第磁光效应原理示意图目前研究较多、实用化程度较高的无源型ECT是基于法拉第磁光效应原理的流互感器。当一束偏振光通过放置在磁场中的法拉第旋光材料后，若磁场方向与光的传播方向平行，则出射线偏振光的偏振平面将产生旋转，即电流信号产生的磁场信号偏振光波进行调制。基于法拉第磁光效应的无源型光电电流互感器的示意图(2)有源型电子式电流互感器的工作原理及其结构目前，研究较为成熟并投入变电站运行的主要是有源电子式互感器，应用场合主要有高压直流输电、SF6气体绝缘开关(GIS)及中低压开关柜等。无源电子式互感器因其一次侧光学电流、电压传感器的制作工艺复杂，稳定性及一致性不易控制，因此有源电子式互感器的特点决定了它在实用化道路上的优势。有源型又可以称为混合型，所谓混合型光电电流互感器乃是一种基于传统电流传感原理、采用有源器件调制技术和光纤传输技术的新型电子式电流互感器。它利用电磁式CT、分流器或Rogowski线圈与被测电流成比例的信号，通过电光转换后，利用光纤将光信号传送到低压侧，再经过光电转换将电信号汇入合并单位供二次设备使用。由于其电路需要工作电源，故称为有源式光电电流互感器。

高压侧信号采集电光耗换光电转换器供电模块纤廿输ID驱动电源比屯转换低乐侧晳号处理高压侧信号采集电光耗换光电转换器供电模块纤廿输ID驱动电源比屯转换低乐侧晳号处理有源型光电电流互感器结构框图有源型光电电流互感器结构简单，长期工作稳定性好，容易形成高精度、性能稳定实用化的工业产品。其中基于Rogowski线圈原理的有源OECT因其测量范围大，线性度好，无磁饱和等优点而成为研究的热点。这种电流互感器既利用了光纤系统提供的高绝缘性的优点，显著降低了电流互感器的制造成本、体积和重量，又充分发挥了被电力系统广泛接受的传统CT测量装置的优势，同时还避免了无源OECT传感头光路的复杂性及全光纤传感头线性双折射、块状玻璃全反射相位差等技术难点，是目前国内外研究的主流。但有源OECT因为高压侧有信号处理电路，故必须要有一个稳定的供电系统才能正常工作，这些都还有待于进一步研究。有源OECT主要由传感头，高压侧数据采集单元，信号传输系统，低压侧单元，高压侧供电系统组成。2光电混合式电流互感器的构成和原理关于电子式电流互感器（包括光电混合式电流互感器），国际电工委员会己经制定了相应的国际标准，标准中提到:电子式互感器是指一种由连接到传输系统和二次转换器的一个或多个电流或电压传感器组成，用以传输正比于被测量的量，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。2.1光电混合式电流互感器的总体结构根据国际电工委员会提出的标准IEC6O044-8,—次电流传感器产生与一次端子通过电流相对应的信号，它是一种电气、电子、光学或其他装置。一次转换器将来自一次电流传感器的信号转换成适合于传输系统的信号。传输系统用于一次部件和二次部件之间传输信号的短距或长距藕合装置。依据所采用的技术，传输系统也可用以传送功率。二次转换器将来自传输系统的信号转换成正比于一次端子电流的信号量，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。对于模拟输出型ECT,二次转换器直接供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。对于数字输出型电子式互感器，二次转换器通常接至合并单元再输出至二次设备。2.2光电混合式电流互感器的传感头(1)Rogowski线圈概述光电混合式电流互感器的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。电子式电流互感器传感头采用Rogowski(罗可夫斯基)线圈，它具有测量准确度高、动态范围大、制造成本低等优点。基于Rogowski线圈的主体是一个将导线均匀密绕在环形等截面非磁性骨架上而形成的空心电感线圈，待测的母线电流从线圈中心穿过，在线圈中产生感应电势。由于线圈中没有铁芯，其输出的电压值很小，可以直接输入微机系统。(2)Rogowski线圈的结构和原理Rogowski线圈可设计成圆形、矩形、钳形等各种形状。将测量导线均匀地绕在截面均匀的非磁性材料的框架上，就构成了Rogowski线圈。由于电子式电流互感器必须同时满足测量、保护的要求，因此采用两个Rogowski线圈一个用于测量通道，一个用于保护通道。下图是电子式电流互感器利用Rogowski线圈测量电流的原理图，其输出电压e正比于被测电流的变化率:式中M是线圈母线之间的互感，被测的电流信号i可表示为可知，要得到被测的一次电流信号，必须对Rogowski线圈二次输出的电压信号进行积分。Rogowski线圈的输出信号通常比较弱，易受外界电磁场的干扰。为此，应对线圈进行屏蔽，输出信号用屏蔽双绞线引出。图中，用Rogowski线圈进行电流测量时，被测电流从线圈的中心穿过，由电磁感应原理可知:任何一个随时间变化的电流i(t)总是伴随着一个随时间变化的磁场环链，这个磁场将在线圈中产 5生感应电势e(t)，电势e(t)与电流的变化率叫di/dt成正比。根据安培环路电流定律，磁场强度，磁感应强度"耳"三由电磁感应定律得对于图2.8a中矩形截面由电磁感应定律得对于图2.8a中矩形截面Rogowski线圈，有磁链则总磁链为''八'连，感应电势由上述的推导可知，Rogowski线圈的输出电压与穿过Rogowski线圈载流体中流过电流的导数成正比，即Rogowski线圈的输出电压与被测电流成微分关系,需要一个积分器来进行相位校正还原电流信号。（3）Rogowski线圈电路分析图2.10是Rogowski线圈应用电路直接负载的等效电路。图中，e（t）为线圈感应电压，r0为线圈绕组的内阻，R是线圈的负载电阻，L为线圈的自电感。设u（t）为线圈的输出电压，L I 1 CC 巩0 URogowski线圈电路分析图上述分析表明，图2.10给出的Rogowski线圈电路信号输出情况不仅与电路的固有时间常数有关，而且与被测输入信号的性质（稳态电流、瞬态电流）有关。因此，为满足电流测量的不同要求，当两种被测输入信号的频谱出现某种程度的差异后，构造Rogowski测量电路的时间常数也应不同，即Rogowski测量电路的结构不同。3光电混合式电流互感器的供电方式由于互感器高、低压之间没有任何电的联系，因此，向高压侧的电子器件供电成为测量系统一项关键技术。供电方式通常有三种:直接从母线取能量（小CT供电）;采用太阳能电池（太阳能供电）;从地面将能量以光的形式发射到高压侧（激光供电）。（1）母线取能量方案（简称小CT供电方案）:以母线电流作为能量来源，通过一个环形铁芯线圈（小CT）从母线感应出能量，经整流、滤波后整定为直流电压，为电子线路提供工作电源。这种方案成本较低，但存在空载或重合闸时无法正常供电的缺点，而且仍有一些诸如电磁屏蔽、防浪涌措施、小CT在多数情形下需工

作在饱和区等技术问题需要仔细予以解决。同时，在直流输电系统中也无法直接从高压母线获取能量。母线取能原理图(2)太阳能电池供电方案:基于光伏效应的太阳能电池的基本结构是PN结。太阳能电池的输出特性随光强、环境温度等外界条件的变化而变化。采用硅太阳能电池作为电源时，一般包括硅太阳能电池、蓄电池组和控制箱等3个部分。因为硅太阳能电池只在受光后才能发电，不具备保存电能的能力，为了获得稳定的电源输出，保证能不间断地向负载供电，需要有蓄电池与太阳能电池并联，在太阳光下硅电池一面向负载供电，一面对蓄电池充电，在阴天或夜间由蓄电池向负载供电。这一方案的缺点在于，在不见太阳的阴天和夜晚硅光电池不能向负载供电，而必须依靠蓄电池。所以蓄电池能否向负载长期稳定的供电，对电源系统的稳定性有很大的影响。蓄电池的性能受温度的影响很大，因此使得整个供电系统不能长期稳定工作这对必须长期稳定运行在户外高压端的互感器来说是不允许的。(3)激光供电方案:利用地面的强激光源，将光能通过光纤传至高压侧，在高压侧将光能转换为电能，并将此电能供给有关功能模块。这是一种全新的供电方式，其突出优点是能量以光的形式在通过光纤传输，完全实现高、低压间电的隔离，不受电磁干扰及电网波动的影响，稳定可靠噪声小。可长期安全、可靠地供电，同时有利于电力系统向光纤化，数字化，网络化的方向发展。近年来由于光电子技术的迅速发展，高功率的半导体激光器以及光电转换器件都达到很高的指标，而且成本不断降低，使这种方案完全取代传统的母线供电方式成为可能。

3.1由特制线圈供能的光电电流互感器体系结构电源供应部分是系统的核心部分之一。由于这种光电式电流互感器的传感头安装在高电位