一种新型电流互感器的模拟信号处理

一种新型电流互感器的模拟信号处理

1电子式电流传感器电子电流传感器采用rogowki线圈作为传感器，以光纤作为信号传输的手段将高压波前的电流转换为光信号，并在低压侧接收并进行数据处理，以完成对电流线性的实时测量。与电磁式电流互感器相比,其具有线性度好、测量频带宽、生产制造成本低等优点,所以电子式电流互感器在电力系统中已成为电流互感器发展的新方向。其三个主要发展趋势是测量方法准确化、测量传输光纤化和测量输出电子化。但就目前研究情况来看,用于测量小电流(国外常把小于1000A的电流称为小电流)的电子式电流互感器精度很低,最高可达到0.2级,这就限制了电流互感器在电力系统的应用。本文介绍的传感器采用高精度Rogowski线圈作为传感头,同时设计一种新型的模拟信号处理系统,以满足精确测量小电流的要求。2新型rogowski线圈结构在电力系统中,Rogowski线圈由于线性度好、测量精度高、频率范围宽等优点已被广泛应用于电流测量,也是目前电力系统中电流互感器发展的新方向。但是就目前的情况来看,由于Rogowski线圈没有铁芯耦合,当它用来测量小电流时,因为现有线圈的互感系数很小(一般为0.1～1μH),所以感应出的电压信号很微弱(为几mV～几十mV),极易受干扰而难以精确测量;而且其精度都很低,最高达到0.2级。因此,用于小电流测量的高精度Rogowski线圈的研制被公认为是电力系统的一大难题。本文研制的电流互感器采用新型结构的Rogowski线圈作为传感头,Rogowski线圈结构如图1所示。其中Q为线圈绝缘骨架,Ri为骨架内径,Ro为骨架外径,h为骨架高度。设线圈初级匝数的为N1,次级匝数为N2,初级线圈包在次级线圈内部,初级线圈通过电流为I(t),则由磁路安培定律,可得二次线圈的感应电势为:而则线圈互感系数本文设计的Rogowski线圈采用玻璃钢管做骨架,尺寸为φ65.5/φ81.8*40。考虑与前一级精确度为0.2级的电流互感器匹配,故取N1=6,N2=746。根据前述公式(2)可得,所做线圈的互感系数M=7.958328μH。3降低生产成本回路根据IEC要求,互感器要具有过载保护措施。国内外以往是采用两条回路分别处理正常和过载情况。为了简化设计过程,降低生产成本,本文采用一条回路来完成这两种功能。此部分主要由放大环节、积分环节、滤波环节和移相环节等部分组成。3.1响应面积分器积分由于Rogowski线圈感应出的电压很小,为防止其经过积分器后被衰减掉,在积分器前需加入前置放大环节,对线圈感应信号进行4倍放大。又由于Rogowski线圈的特性是感应电势与输入电流成微分关系,为使感应电势与输入电流成线性关系,信号处理部分须加入积分环节。此环节电路如图2所示。在测量电力系统中的稳态交流电流时,为稳定工作点,积分电路采用高精度斩波式运算放大器Max430组成近似积分器。为了满足小电流测量的电流互感器输出额定值要求,在积分器后还需加入一级放大。因本文采用一条回路完成测量和过载保护功能,所以二级放大电路采用可编程型运算放大器PGA102组成程控放大电路。积分器输出信号经过电压比较器产生脉冲来触发可连续触发单稳态触发器,触发器输出信号控制数据选择器,由数据选择器的输出信号作为控制信号。当电流小于100A时,二级放大电路将信号放大20倍,超过100A时,信号放大1倍输出。3.2低通滤波器干扰传感头输出信号经过放大、积分环节后,在传输过程中不可避免地出现高频噪声干扰。而设计要求能通过13次谐波,即信号经过滤波器后,对于低于650Hz的信号,放大2倍输出,高于此频率的信号将逐渐衰减。因此要在模拟信号处理系统需加入低通滤波器以滤除高频干扰。本课题采用Max420构成二阶巴特沃斯低通滤波器,电路如图3所示。为配合放大环节,将R4换成可调电阻,以调节整个系统使输出信号幅值满足要求。3.3调相电路—调相环节在信号处理过程中,由于传输延迟、积分环节、滤波环节的存在,必然要产生相位差,所以要进行相位校正。本文采用了一种全新的调相电路——全通滤波器。在本课题中,调相环节主要用于补偿积分环节、滤波环节的相位差,调节的范围应该在5度～10度之间。因此,在电路的设计中,采用两个一阶全通滤波电路串联来解决这个问题,并且采用高精度运算放大器Max422来构成调相电路,电路如图4所示。系统中将R1换为可调电阻以实现在测量过程中对相位的调节。4比差和相位差实验数据在本系统试验中,我们采用WYP—4型音频稳压电源作电流发生器,用0.1级高精度电流表对电流进行测量,再利用高精度KEITHLEY2000MULTIMETER型数字万用表和HG1416工频相位计对整个系统按照GB1208-1997中规定的测试点进行测试,比差和相位差实验数据如表1、2所示。此外并利用数字示波器进行波形显示,如图5所示。从表1、2可以看出整个系统的比差和相位差在规定的测试范围内与理论要求有一定的差距,主要是因为试验环境差及仪器设备不标准所引起的。若采用更标准的设备,并且在干扰不很严重的情况下完全可以达到0.2级标准。由图5可知,传感头输出电压完全能够再现母线电流波形。5试验数据本文主要介绍了一种基于Rogowski