基于lpc的电子式电流互感器温度特性分析

基于lpc的电子式电流互感器温度特性分析

1测量准确度特性隔离特性、误差特性、机械、热和电态平衡性能是高压传感器的主要性能参数。实际运行时的环境温度变化不是影响电磁式互感器误差特性的主要因素。近年来，电子式互感器的研究成为行业内的一个热点。在电子式互感器中，由于光电转换技术及数字化测量技术的引入，使得其在绝缘特性、误差特性、机械及热、动稳定特性等方面比电磁式互感器更具优势，特别是在超、特高压电力系统中。由于电子式互感器中采用了光学器件或有源电子器件，其实现原理与电磁式互感器有很大的不同，所以在实际运行中必须考虑温度对其测量准确度的影响。为了突出电子式互感器的这种特点，可以将这种影响称之为温度影响准确度特性。IEC标准中，对电子式互感器的工作环境温度范围规定为-5～+40℃、-25～+40℃和-40～+40℃。在实际运行条件下，户外型互感器设备内的最高温度可能达到+70℃，如此高的温度将是对电子式互感器误差性能的一个严峻考验。此外，在长期运行过程中，由于光电器件的特性及传感单元中部分元件的性能劣化均会引起测量误差。电子式电流互感器主要包括无源和有源两种形式，其中有源电子式互感器的高压侧传感单元主要是Rogowski线圈和LPCT。对无源电子式互感器温度特性的研究主要集中在对其中的光学器件的研究；目前，对有源电子式电流互感器的研究主要针对Rogowski线圈及其积分器，而忽略了高压侧信号处理电路的温度特性。此外，还未见对基于LPCT的电子式电流互感器的温度特性分析的公开文献报道。实际上，高压侧信号处理电路中的放大器以及LPCT的取样电阻的温度特性均会对该互感器的整体温度特性产生影响。本文针对一种基于LPCT的电子式电流互感器，对其中LPCT取样电阻的温度特性以及高压侧信号处理电路中放大器的温度特性进行了详细的分析，并推导出因温度影响其测量准确度的误差表达式。对所研制样机的温度特性试验以及型式试验结果验证了本文分析结果的有效性。2系统整体构设计电子式互感器是一个系统的概念，它是一种对高压下电流信号的传感、变换、传输及处理的系统。为便于分析，本文将一种基于LPCT的电子式电流互感器系统的各个组成部分加以分解，可大致分为5个子系统（S1～S5），结构示意图如图1所示。图1中，T为高压侧传感单元的温度信号，Ip(t)为高压侧电流，Vs1(t)为一次侧电流经过电流传感单元的输出信号（高压侧传感单元采用LPCT）;Vs1(t)为经过高压侧信号处理单元后输出的包含一次侧电流信息的数字光脉冲信号，信号处理单元主要包括信号调理模块、A/D转换模块、数字信号处理模块和电光转换模块；Vs2(n)为经过光纤传输系统后的光信号，光纤传输系统通常由内部掩埋光纤的绝缘子构成；Vs2(t)为经过低压侧信号处理单元后电子式电流互感器的最后输出信号，低压侧信号处理部分包括光电转换PIN模块、数字信号处理模块、D/A转换模块等。高压侧信号处理单元所需能量由高压侧电源系统S3提供。3电子流量传感器的温度特性分析3.1取样电阻的确定对一定准确级次的电子式电流互感器，测量通道的准确度远高于保护通道，如对测量用0.2级电子式电流互感器，在100%额定电流时误差限值为±0.2%，保护用5P级互感器在100%额定电流时误差限值则为±1%。所以，本文中温度对电子式电流互感器传感单元的影响主要针对测量通道。电子式电流互感器中的LPCT包含两个组成部分：低功率电流互感器和取样电阻。LPCT中的电流互感器是一种低功率输出的电磁式电流互感器，其因温度而引起的测量准确度的变化可以忽略。所以LPCT的温度特性主要取决于其取样电阻。在LPCT的设计过程中，考虑到测量准确度的问题，首先应使电流互感器的二次负荷尽可能小，取样电阻的阻值尽量低；其次，取样电阻应选用具有低温漂系数的电阻。对于精密的低温漂电阻，其阻值随温度变化的关系表达式如下式中R25——该电阻在25℃时的电阻值∆T——温度T相对于25℃时的温度变化量，∆T=T-25RT——温度为T时的电阻值α——电阻材料温度特性曲线的斜率由式（1）可得，当温度从25℃变化到T时，电阻值的变化量为设25℃时LPCT的输出电压为E(t)=IsR25(Is为LPCT的二次侧电流），则当温度变化量为∆T时，LPCT输出信号的相对误差为由式（3）可知，则图1中的电流传感单元（即LPCT），当温度变化量为∆T时，Vs1可表示为从上面的分析可知，LPCT随温度变化的输出相对误差仅同取样电阻的温度特性有关。在设计LPCT过程中，应着重选取温度系数小的取样电阻。3.2温度特性的确定高压侧信号处理部分主要包括信号调理模块、A/D转换模块、数字信号处理模块和电光转换模块。其中，信号调理模块主要是对传感单元输出的模拟信号进行A/D转换前的预处理，该模块主要包括一个仪用放大器和一个抗混叠滤波器。在数字信号处理模块和光电转换模块中处理的是数字信号，由于数字信号本身具有较强的抗干扰能力，所以其温度影响可以不予考虑。在高压侧信号处理电路中，应该着重考虑信号调理模块中放大器的温度特性。仪用放大器的增益G一般都会随着温度的变化而变化。设仪用放大器增益的温度特性为β/℃，当温度变化量为∆T时，由放大器自身的温度特性而引起的G的变化量为当放大器的增益G>1时，需要外接放大电阻RG，以AD620为例，G与外接电阻RG的关系有如下表达式假设放大电阻RG的温度特性与式（1）相同，则式中RGT——温度为T时的电阻值以25℃时的各参数为基准，由式（6）和式（7）可求出当温度变化量∆T=T-25时，增益G因放大电阻的温度特性而产生的变化量为由式（6）和式（8）可得，放大器增益G的温度特性表达式则放大器的放大倍数A随温度的相对误差可表示为从上面的分析可以看出，温度变化引起的相对误差同放大器及电阻的温度系数密切相关。如果对测量准确度要求比较高，应尽量选择温度特性好的放大器及其放大电阻。3.3温度对传输系统的影响高压侧电源系统对系统准确度的影响主要是其输出直流电压的质量，即输出电压纹波的大小。如果纹波电压太大，将加大信号处理系统的误差，降低系统的测量准确度。当采用性能优良的工业级电源转换芯片时，电源系统性能受温度的影响可忽略。由于光纤本身的特点，采用光纤作为传递信息的媒质能够使整个信号传输系统具有很强的抗外界电磁干扰能力。此外，在电子式互感器中，光纤中传输的是数字化的光脉冲信号，而数字脉冲信号本身也有较强的抗干扰能力，所以在信息传输过程中，光纤中光强的变化对信息的影响很小。温度变化对光纤传输系统中数字化脉冲信号的影响也可忽略。由于低压侧信号处理部分放置在控制室内，环境温度变化不大，所以该部分的温度影响暂不考虑。3.4电子式整体控制板温度影响准确度的工作原理因环境温度变化对电子式互感器系统准确度造成的影响主要集中在高压侧传感单元和高压侧信号处理单元两个部分。综合考虑这两个方面的影响因素，由本文前面的分析不难得出该电子式电流互感器的相对测量误差与温度变化间的关系为式中σI——电子式电流互感器在温度影响下的相对误差δL——LPCT输出信号的相对误差，其表达见式（3)δAT——信号调理电路中放大器增益在温度影响下的相对误差，表达式见式（10)式（11）即为电子式互感器温度影响准确度的误差表达式。由此可以得出：(1）电子式电流互感器在温度影响下的准确度与高压侧传感单元和高压侧信号处理单元中的放大器的温度特性密切相关。高压侧传感单元应尽量选择温度系数小的元件（电阻、芯片）和材料。(2）对于一般的放大器，其增益都会随着温度的变化而改变，在电子式电流互感器高压侧信号处理部分中，应尽量选择增益温度特性优良的放大器；对于外接放大电阻，也应选择低温漂的电阻。4以低负荷时输出的lpct基于以上分析，本文研制出一种220kV电压等级电子式电流互感器样机，额定电流为600A；测量通道的传感单元为LPCT。LPCT的铁心材料为微晶合金，电压比为6000∶1，额定一次电流时，二次输出0.1A。取样电阻温度系数小于7×10-6/℃，阻值为14Ω。取样电阻额定功率为2W，额定电流时，其消耗功率为0.14W。当温度变化范围为-30℃～70℃时，由式（3）可得LPCT的输出相对误差δL为0.07%。若高压侧信号处理电路中仪用放大器为AD620，其β小于10×10-6/℃，将其增益设为1，若所取电阻温度系统为7×10-6/℃，当温度变化范围为-30℃～70℃时，则由式（10）可得放大器放大倍数的相对误差小于0.10%。4.1试验过程中温度误差测量在实验室样机研制过程中，采用等安匝法对其在额定电流（600A）情况下的温度影响准确度进行了实际测试。试验过程中将LPCT、高压侧信号处理电路和高压侧电源先后放置在烘箱和冰箱内，调节温度变化从20～70℃和-30～+20℃，测量得到系统比差和角差随温度变化曲线如图2所示。从图2可以看出，额定电流下，该互感器在-30～+70℃的温度变化范围内，系统比差变化小于±0.1%，角差小于±2′，具有较好的温度特性。4.2试验结果及分析在实验室测试完毕后，于2005年8月在武汉高压研究所对样机进行了电子式电流互感器型式试验。试验结果均满足标准要求，其中准确度测试结果见表1。表1中，对互感器准确度的测试分为初试和复试，其中复试是在所有误差特性、绝缘特性及热、动稳定试验等全部完成后对互感器测量准确度的重新复核，以检验各种试验后对其测量准确度是否产生影响。从表1可看出，该电子式电流互感器具有较好的误差特性，并且复试和初试结果基本一致。型式试验中的温度影响准确度试验结果如图3所示。从图3中可以看出，在-25～+50℃的温度变化范围内，温度对测量比差的影响小于±0.08%，角差小于4′，这表明本文所研制的电子式电流互感器具有较好的温度稳定性。5工艺参数对电子式传感参数的影响(1)LPCT取样电阻以及高压侧信号处理电路中放大器单元的温度