一种电子式互感器的设计

一种电子式互感器的设计

1铁心磁滞回线问题传统的电流和电压测量是基于应用电磁感应原理的电流传感器（ta）、电压传感器（t）和电子压力分压器将电压和电压转换为0.5a和0.100v。随着电力系统容量的不断增大和电网运行电压等级的提高,传统的电磁式TA和TV面临如下一些突出问题:绝缘技术复杂、成本高、体积大而笨重;互感器铁心在故障状态下的饱和限制了TA和TV的动态响应精度;由于铁心磁饱和及磁滞回线的影响,TA的暂态输出电流严重畸变,甚至可能严重影响电网的安全运行;TA输出端不能开路,TV可能产生铁磁谐振,出现过电压危及电气设备的运行安全。另一方面,已在电力系统中广泛应用的以微处理器为基础的数字继电保护装置、电网运行监视与控制系统以及发电机励磁装置等,不再需要大功率驱动,仅需±5V的电压信号和μA或mA级的电流信号就可以了,即系统对互感器的参数要求发生了变化,实质上需要的是电量传感器。在这种背景下,新型电压和电流测量技术的研究成为电力系统中的一个热点。新型互感器的开发与电子技术的发展密切相关,根据IEC标准,这类依赖于电子技术、光学技术、现代信号处理技术的电压、电流变送器统称为电子式电压互感器(ETV)和电子式电流互感器(ETA)。2电子表达的性能2.1次侧到二次侧的传输ETA、ETV的基本组成如图1所示,图中所列出的部件并非都是必需的,要根据所采用的技术确定所需的部件。基本思想是将一次侧高电压、大电流转变成方便传输的信号,一般为数字信号或频率变换信号,经传输系统送到二次侧,在二次侧作一定的处理后,再以模拟量或数字量形式输出,供测量和保护用。一次电流传感器可采用光学元件,也可采用空心线圈或负载固定联接的铁心线圈。一次电压传感器可采用光学元件,也可采用精密电阻或电容分压器。一次侧到二次侧的传输一般使用光纤,这是因为光纤可以实现高、低压侧的电气隔离,又具有很强的抗电磁干扰能力。二次变换器的任务是将信号变换成与被测电流、电压成比例的信号或放大的、可通信的数字信号,供测量和保护用。根据实际需要,二次变换器可以在现场完成,也可以将信号传输到控制室后,在控制室完成。2.2无源光电整体传感关键技术根据传感头部分是否需要电源,电子式互感器分为有源型和无源型两大类。无源型电子式互感器就是传感器部分没有电源供电的光电电流、电压测量装置。这种互感器利用光学元件作为传感器,光纤既是信号传输通道,有时又直接作为传感元件。无源型电子式互感器的种类很多,所利用的物理效应也很多。如Pockels效应、Kerr效应、逆压电效应、磁致伸缩效应、Farady磁光效应、电热效应等类型。其中利用Pockels效应测量电压,利用Farady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,是最具发展潜力的无源光电互感器。有源型电子式互感器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、电压信号取样,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到地面进行信号处理,还原得到被测信号。这种互感器的特点是:利用光纤系统提供的高绝缘性、抗电磁干扰强的优点,显著地降低了电流互感器的制造成本,减少了体积和重量,充分发挥了被电力工业界广泛接受的常规电流测量装置的优势,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。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,本文介绍的就是这种传光型有源电子式互感器。3样机组成和系统原理数字调制式电流互感器概念的提出已近半个世纪了,但受元器件的限制一直没有发展起来。近年来ABB公司、德国RITZ公司都有一些不同类型电子式电流互感器和电子式电压互感器产品的报道。我们研制了220kV/1250A系统的有源电子式电流/电压互感器,样机总体结构如图2所示。互感器系统由电流测量单元和电压测量单元两部分组成。前者采用罗柯夫斯基线圈作为电流传感器,有源电子器件实现信号的数字调制;后者采用电容分压器作为电压传感器。高压端电子线路电源由一个辅助电源感应线圈直接从母线上获取。罗氏线圈和电源感应线圈安装在母线上。高压端信号调制和电源调理电路板置于一个铁磁屏蔽盒中。电流信号在高压端经A/D变换、E/O变换后调制成光信号,通过光纤传送到低电位端。根据需要,可以将信号继续用光纤传送到远方的控制室,也可以就地经O/E、D/A变换,放大成模拟电流信号。母线电压经电容分压器变换成低压信号后,调制成光信号,经光纤传送到控制室,也可以就地经校准、温度补偿后,给出模拟电压信号。一个陶瓷套管既用作高压部分元件的绝缘支撑,同时又是传输电流信号的光纤和电容分压器的通道。3.1光电传感技术在有源电子式互感器中,作为一次电流采样传感头的元件有很多种,有传统的电磁式电流互感器、特别设计的小信号电流互感器、分流电阻器、罗柯夫斯基线圈等。其中罗柯夫斯基线圈以其良好的频率响应、高的测量准确度和结构简单、成本低廉等特性而成为首选。所以基于罗柯夫斯基线圈的有源ETA也就成为最具发展潜力的光电互感器产品,它既可以用作封闭电器GIS、插接式组合电器PASS中的电流测量设备,又可用于敞开式独立有源ETA。罗柯夫斯基线圈是将导线均匀地绕在一个非磁性材料的骨架上制作而成的空心线圈,如图3所示。载流导线从线圈中心穿过,当导线上有电流通过时,在线圈的两端将会产生一个感应电势e,其大小为e(t)=-Mdi/dt(1)式中M——罗氏线圈的互感被测电流信号可由下式表示i(t)=−1M∫e(t)dti(t)=-1Μ∫e(t)dt(2)由式(2)可见,要得到被测电流信号,必须对线圈的输出电压信号进行积分,这可以通过两种途径实现:采用模拟积分器或采用数字积分。总之,通过后续电路及相关的信号处理,我们可以获得被测电流信号。在中低压配电领域,精密电阻分压器、电容分压器已经使用得比较多。使用这种电压传感器技术,大大简化了高压传感部分的设计,同时使用光纤传输信号,保留了光纤良好的电气隔离作用,因此在本文的设计中采用了电容分压器作为电压取样元件。3.2通过数字信号进行扩宽和转换来保护电流、电压信号信号处理过程如下:电流信号在高压侧经取样后,变成数字信号,经过适当的功率放大,驱动发光二极管变成光信号,用光纤送到互感器下侧低电压端。电压信号经分压器取样后,变成数字信号,同样经过适当的功率放大,驱动发光二极管,也变成光信号。在互感器本体低电位侧,已变成光信号的电流、电压信号经过光纤传送到变电站控制室。在控制室经O/E变换后,经过适当调理,信号再送入工控机中进行信号解调和处理,解调后的模拟信号可供计量和保护用。在信号处理单元中,瞬态信号测量即用于保护电流、电压信号的测量,必须考虑信号处理单元的响应速度及频带宽度。例如220kV系统暂态恢复电压的最高固有主频为10kHz,如按1/10区间取样,则E/O变换的工作主频带宽必须大于200kHz,在O/E变换中,则需采用快速光电二极管。3.3次侧电路的设计提出一次侧电子线路供电问题是有源ETA中的一个关键技术,一次侧电源要给传感元件信号处理部分提供稳定的电源。有两种思路解决这个问题,一是从地面二次侧将能量传送到一次侧提供电源,二是直接从二次侧的母线上取电源。由于一次、二次侧之间要实现完全隔离,所以要将二次侧的能量送到一次侧,最好的办法是通过光电转换,用光纤来传送。光电能量转换一般用大功率半导体激光二极管来完成。激光二极管作为光源提供驱动光电池的光功率,根据系统总功率需要选用合适的光功率和输出效率的二极管。从光纤传输来的能量直接耦合到一次侧的光电转换器,通常是在光电池中,将光能转换成电能,已经有作为光电转换的商业化的电二极管阵列可供选择。采用地面供能的方法,优点是电源稳定、可靠性好、不受母线电流的影响。但是这个供能方案一般能提供的功率比较小,通常在mW级甚至在μW级。有时这种供能方案无法提供足够的能量给一次侧。另外,大功率、高效率的激光二极管、光电转换器件比较昂贵,在使用寿命方面也没有严格考核的报道。由于母线电流变化范围很大,以额定电流为1250A的ETA为例,母线稳态电流可以在5%～120%IN(额定电流)内变化,即在62.5～1500A的范围内变化;短路故障情况下,母线暂态电流可以达到20IN,甚至更高。在这些情况下都要求能提供一次侧电子线路所需要的稳定电源。鉴于上述要求,提出了从母线上直接取电源的自具型电源方案,设计工作主要集中在从一个大范围内变化的电流源中取出一个具有一定功率稳定输出的电压源。自具型电源的原理图如图4所示,在这里我们采用一个环形带铁心的感应线圈完成从母线上提取电能的功能。由图4可见UL=IZ0Z1Z0+Z1UL=ΙΖ0Ζ1Ζ0+Ζ1(3)当满足Z0=1/(IUL−1Z1)Ζ0=1/(ΙUL-1Ζ1)时,即可输出所需的恒定电压UL。因此问题可以转化为设计一个电源感应线圈的负荷阻抗可控电路,当母线电流较小时,等效阻抗较大;当母线电流较大时,等效阻抗较小。合理设计可控阻抗电路,可以实现在大范围母线电流下提供稳定馈电电源的目的。4系统的基本性能测试4.1电流和电压输出测量系统电流单元的线性度试验及比差试验结果如图5和图6所示。在图5中,横坐标为一次侧电流,用0.1级标准电流互感器测量,纵坐标为ETA二次侧与被测电流成比例的电压输出信号,用六位半数字电压表测量。多次试验结果表明,ETA具有良好的线性度和稳定性,其线性度在0.3%以内,其比差满足0.5级电流互感器的要求。4.2系统试验结果电压单元的线性度试验和电压比差曲线如图7和图8所示。在图7中,横坐标为一次电压,用0.1级标准电压互感器测量,纵坐标为ETV二次电压输出信号,用六位半数字电压表测量。在图8中横坐标为一次电压与额定电压比值,纵坐标为电压测量的相对误差。多次试验结果表明,ETV具有良好的线性度和稳定性,其比差满足0.5级电压互感器的要求。另外,系统通过了460kV、1min工频耐压试验和局部放电试验。其他的一些试验如EMC试验、ETA的短时电流试验、ETV的暂态