電子式互感器工作電源的研制-本科畢業(yè)論文.doc

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）電子式互感器工作電源的研制 學(xué) 院 專 業(yè) 年級班別 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 1 緒 論電力工業(yè)是國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的基礎(chǔ)工業(yè)，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中有舉足輕重的地位，現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、國防以及人民生活的許多方面都離不開電。輸變電設(shè)備是電力設(shè)備的重要組成部分，電站發(fā)出的強(qiáng)大電能，只有通過輸變電設(shè)備才能輸送到各個(gè)用戶?；ジ衅魇禽旊娋€路中不可缺少的重要設(shè)備，其作用就是按一定的比例關(guān)系將輸電線路上的高電壓和大電流數(shù)值降到可以用儀表直接測量的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，以便于用儀表直接進(jìn)行測量?；ジ衅鞒米鳒y量外，還可作為各種繼電保護(hù)的信號源。近年來隨著各國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對電力的需求日益增大，電力系統(tǒng)的額定電壓等級和額定電流都有大幅度的提高和增加。由于提高輸電電壓可以減少電能在電網(wǎng)傳輸中的損耗，中國由80年代的220 kV骨干電網(wǎng)發(fā)展提高到目前500 kV骨干電網(wǎng)，預(yù)計(jì)進(jìn)入21世紀(jì)后隨著金沙江等大容量梯級電站的建設(shè)，中國將出現(xiàn)由特高壓1200 kV的輸電線路進(jìn)行電力的輸送。與之相應(yīng)的電力系統(tǒng)中的輸變電設(shè)備的額定電壓和額定電流都要隨之提高，為了保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，提高電力生產(chǎn)的質(zhì)量，對電流、電壓等參數(shù)的傳感和測量技術(shù)提出了更高的要求，因此電流互感器(Current Transformer CT) 的研究和發(fā)展勢在必行。1.1 課題背景及目的電流互感器是電力系統(tǒng)中進(jìn)行電能計(jì)量和繼電保護(hù)的重要設(shè)備，其精度及可靠性與電力系統(tǒng)的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行密切相關(guān)。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力傳輸系統(tǒng)容量不斷增加，運(yùn)行電壓等級也越來越高，目前我國電網(wǎng)的最高電壓等級已達(dá)500kV，下一個(gè)電壓等級也許是750 kV或更高。比如，北京由于特殊的政治地位和密集的人員居住，是一個(gè)毋庸質(zhì)疑的用電中心，但是市區(qū)內(nèi)的電廠所發(fā)電量和整座城市總體所需用電量相比卻只占很小一部分。大部分電能都是來自山西、內(nèi)蒙、天津等自然資源較豐富的地區(qū)，通過遠(yuǎn)距離輸電的方式把電能送到城市邊緣四座500kV變電站，再依靠輸電線路向市區(qū)220kV, 110kV等變電站降壓，直至10kV配網(wǎng)到380V用戶。可見，500kV主網(wǎng)就是首都的生命線，它的穩(wěn)定直接關(guān)系到首都的安全供電。而隨著電壓等級的提高，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器越來越呈現(xiàn)出由于工作原理所決定的技術(shù)上難以解決的困難。現(xiàn)在我國電力系統(tǒng)中一直用電磁式CT（電流互感器)和PT(電硬度互感器)測量一次側(cè)電流和電壓，為二次計(jì)量及保護(hù)等設(shè)備提供電流及電壓信號。電磁式互感器的工作基于電磁感應(yīng)原理。電磁式互感器的缺點(diǎn)是：1、絕緣難度大，特別是500KV以上，因絕緣而使得互感器的體積、質(zhì)量及價(jià)格均提高；2、動(dòng)態(tài)范圍小，電流較大時(shí)，CT會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，飽和會(huì)影響二次保護(hù)設(shè)備正確識別故障；3、互感器的輸出信號不能直接與微機(jī)化計(jì)量及保護(hù)設(shè)備各接口；4、易產(chǎn)生鐵磁諧振等。 電子式互感器指輸出為小電壓模擬信號或數(shù)字信號的電流電壓互感器。由于模擬輸出的電子式互感器仍存在傳統(tǒng)互感器的一些固有缺點(diǎn)，現(xiàn)在發(fā)展的高電壓等級用電子式互感器一般都用光纖輸出數(shù)字信號(以下的電子式互感器均指此類電子式互感器)。電子式電流、電壓互感器是無鐵芯、絕緣結(jié)構(gòu)簡單可靠、體積小、質(zhì)量小、線性度好、無飽和現(xiàn)象、輸出信號可直接與微機(jī)化計(jì)量及保護(hù)設(shè)備接口的電力互感器，而且信號輸出采用比電纜廉價(jià)的光纜（目前光纜價(jià)格已降至1000元/芯/千米)降低了綜合成本?，F(xiàn)代光學(xué)技術(shù)、微電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得電子式互感器的發(fā)展及實(shí)用化成為現(xiàn)實(shí)。 由于電子式互感器的諸多優(yōu)點(diǎn)，電子式互感器取代傳統(tǒng)互感器將只是一個(gè)時(shí)間問題。國際上，電子式互感器已逐步成熟，正以越來越快的速度推廣運(yùn)用。其中ABB、西門子等公司生產(chǎn)的電子式互感器已有十幾年的成功運(yùn)行業(yè)績。采用電子式互感器的數(shù)字化變電站在歐洲也已經(jīng)投入運(yùn)行。我國電子式互感器的研制和運(yùn)用相對比較落后，僅有為數(shù)不多的變電站使用了一些進(jìn)口的電子式互感器。國內(nèi)有二十余家企業(yè)和高校涉足了電子式互感器的開發(fā)，經(jīng)過多年的努力，已有若干套設(shè)備在現(xiàn)場試運(yùn)行。1.2 國內(nèi)外研究狀況1.2.1 國內(nèi)的研究情況目前我國有清華大學(xué)、電力科學(xué)研究院、武漢高壓研究所、華中科技大學(xué)、上?；ジ衅鲝S、沈陽變壓器制造有限公司、順德特種變壓器廠、西安高壓開關(guān)廠及南瑞繼保電氣有限公司等單位在從事電子式互感器的研制工作,且已有多種樣機(jī)研制出來,但絕大多數(shù)僅限于實(shí)驗(yàn)室階段,還沒有實(shí)用化產(chǎn)品投入運(yùn)行。我國的電子式互感器的研究還處于跟蹤國外大公司(如ABB 、ALSTOM 等公司) 的水平。前幾年,國內(nèi)各單位的研究重點(diǎn)主要是無源光電式互感器,如華中科技大學(xué)1998年曾研制出110 kV光學(xué)電流、電壓互感器,并在廣東新會(huì)掛網(wǎng)試運(yùn)行。近年來,由于有源電子式互感器的技術(shù)較為成熟,且便于工業(yè)化生產(chǎn),國內(nèi)多家研制單位已開始注重有源電子式互感器的研究,如南瑞繼保電氣有限公司已研制出可用于110 kV 及220 kV GIS 的有源電子式電流互感器,實(shí)驗(yàn)表明在(4040) 范圍內(nèi),其計(jì)量精度達(dá)到0.2 級。國內(nèi)電壓互感器的研究熱點(diǎn)主要集中在光電式電壓互感器和電容式電壓互感器方面，華中理工大學(xué)研制的110kV光電式互感器于1998年已在廣東三江變電站掛網(wǎng)運(yùn)行。但光電式電壓互感器要想真正步入實(shí)用化，取代傳統(tǒng)的電壓互感器，在制造工藝、技術(shù)普及上和穩(wěn)定性、可靠性等各種基礎(chǔ)性研究方面，還需要做深入的工作。電容式電壓互感器具有絕緣性能好、價(jià)格便宜，其電容分壓器與阻波器結(jié)合能兼作載波通訊的濾波裝置，而且亦被電網(wǎng)所接受。我國110kv及我省220kv及以上變電站的415臺電壓互感器中占206臺。1.2.2 國外的研究情況國外對互感器的專門研究進(jìn)行的較早，對電磁式電流與電壓互感器的研究和應(yīng)用技術(shù)已比較成熟，雖然仍在努力進(jìn)行提高傳統(tǒng)互感器的性能和精度研究，但目前已將大部分技術(shù)力量投入到對全光型電力互感器、混和式互感器及組合式電壓電流互感器的研究。由于受光學(xué)元件本身長期性能穩(wěn)定性和可靠性以及溫度、外界干擾等因素的影響，光電式互感器暫時(shí)難以推廣應(yīng)用，目前主要集中于基于Rogowski線圈的電子式電流互感器和精密電容分壓式的電子式電壓互感器的研究。由于Rogowski線圈具有線性度好、無飽和諧振現(xiàn)象、測量頻帶寬等特點(diǎn)成為國外電子式電流互感器的研究熱點(diǎn)。ABB公司、德國RITZ公司都有一些電子式電流互感器產(chǎn)品的報(bào)道。至于電容式電壓互感器(CVT)，由于它在許多方面的性能已達(dá)到甚至超過電磁式VT的各項(xiàng)指標(biāo)，特別在高電壓下有優(yōu)良的性價(jià)比，同時(shí)還具有絕緣強(qiáng)度高、不會(huì)與系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振以及可兼作電容器用于載波通訊等優(yōu)點(diǎn)，國外比較注重對CVT的研究，并致力于如何提高CVT的精度、提高電容器介質(zhì)材料性能、分析暫態(tài)過程以及減小鐵磁諧振等方面下功夫。產(chǎn)品已向難燃、防爆和更高電壓等級發(fā)展，目前國外電容分壓式電壓互感器也已經(jīng)問世。 目前，ABB公司已研制出多種無源光電式互感器及有源電子式互感器，如磁光電流互感器MOCT(Magneto Optic Current Transducer)、電光電壓互感器EOVT(Electro Optic Voltage Transducer)、組合式光學(xué)測量單元OMU(Optical Metering Unit) ,數(shù)字光學(xué)儀用互感器DOIT(Digital Optical Instrument Transformer)等。其電子式互感器已在插接式智能組合電器(PASS)，氣體絕緣開關(guān)(GIS)、高壓直流(HVDC)及中低壓開關(guān)柜中得到應(yīng)用。ABB研制的用于PASS和GIS中的有源電子式電流電壓組合互感器。電流的測量采用Rogowski線圈，電壓的測量根據(jù)電容分壓原理。信號處理單元將被測電流、電壓信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字光信號進(jìn)行傳輸，信號處理單元的工作電源由外部提供。ALSTOM 公司主要研究無源電子式互感器,目前已研制出123 kV 至756 kV 的光學(xué)電流互感器CTO(Current Transformer with Optical sensors)、光學(xué)電壓互感器VTO(Voltage Transformer with Optical sensors)及組合式光學(xué)電流電壓互感器CMO(Combined Measurement current-voltage transformer with Optical sensors)等電子式互感器。自1995 年以來,ALSTOM公司的電子式互感器已有多臺在歐洲及北美運(yùn)行。無源組合式光學(xué)電流電壓互感器CMO ,其電流傳感器的工作基于Faraday 磁光效應(yīng),電壓傳感器的工作基于橫向調(diào)制Pockels電光效應(yīng)。電流傳感器和電壓傳感器均位于互感器的頂部,被測高壓先經(jīng)電容分壓器分壓,然后加至光學(xué)電壓傳感器上。1.2.3 應(yīng)用前景目前電子式互感器已有國際標(biāo)準(zhǔn)IEC60044-7(電子式電壓互感器)和IEC60044-8(電子式電流互感器)，標(biāo)準(zhǔn)對電子式互感器的構(gòu)成、試驗(yàn)及輸出接口等進(jìn)行了規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)的制定將進(jìn)一步規(guī)范并推進(jìn)電子式互感器的研制及推廣應(yīng)用。國內(nèi)外研究實(shí)踐表明,電子式互感器具有明顯的技術(shù)和價(jià)格優(yōu)勢,估計(jì)110 kV 電子式互感器每臺成本約1 萬元左右,220 kV 電子式互感器每臺成本約2 萬元左右。因絕緣結(jié)構(gòu)簡單,電壓等級越高,電子式互感器的價(jià)格優(yōu)勢越明顯。目前研究較為成熟并投入變電站運(yùn)行的主要是有源電子式互感器,應(yīng)用場合主要有高壓直流輸電、氣體絕緣開關(guān)(GIS) 及中低壓開關(guān)柜等。無源光電互感器因其一次側(cè)光學(xué)電流、電壓傳感器無需工作電源, 具有較大的優(yōu)勢,但光學(xué)傳感器的制作工藝復(fù)雜,穩(wěn)定性及一致性不易控制,因此有源電子式互感器有望首先得以推廣應(yīng)用。國外大公司雖已研制出實(shí)用化電子式互感器,但并未廣泛推廣應(yīng)用?，F(xiàn)在幾個(gè)主要生產(chǎn)廠家研制的電子式互感器的輸出信號還不一致,電子式互感器的輸出信號如何同步還未取得共識,適應(yīng)電子式互感器的二次計(jì)量及保護(hù)設(shè)備還有待研究,這些均是推廣應(yīng)用電子式互感器需解決的問題。1.3工作電源的研究隨著各種新式互感器實(shí)用化進(jìn)程的加快，各種相關(guān)問題也逐步提上了日程，尤其是電源。不論是傳光（混合)型或傳感(全光)型電流互感器，都離不開光電轉(zhuǎn)換和光的傳輸。而光電轉(zhuǎn)換和光的傳輸離不了電源，區(qū)別在于電源所處的電位高低。電源處在高電位的互感器叫有源互感器，處在低電位的稱為無源互感器。最早人們研究全光型互感器(無源互感器)，但是出于實(shí)用化的考慮，后來傾向于混合型的光電互感器(有源互感器)。但混合型必須考慮高電位電源問題，比全光型對電源的要求高得多。安全穩(wěn)定的電源關(guān)系到新型電流傳感器成功與否。鑒于此，學(xué)者們研制了各種原理的電源，如速飽和變流器、小型變壓器、光電源等等。但都存在或多或少的問題，如成本高、容量小、運(yùn)行不穩(wěn)定等，影響混合型的光電互感器的實(shí)際應(yīng)用。所以電源成為最近研究的熱點(diǎn)問題之一。1.4 課題研究目標(biāo)及主要解決的問題 1.4.1 課題研究目標(biāo) 從理論上講無源型電流互感器具有測量范圍大、電絕緣性優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單靈敏度高等特點(diǎn)。但是實(shí)際的傳感器還存在許多問題，它們的光源、光纖及信號的處理技術(shù)等要求比較高。最重要的是，系統(tǒng)所用光纖本身的雙折射效應(yīng)及費(fèi)爾德常數(shù)隨著環(huán)境因素(如溫度壓力震動(dòng)等)的變化而變化，影響測量的精度。這給整個(gè)光路的調(diào)整、校準(zhǔn)及防震等帶來了很大的困難。我們權(quán)衡各方面的利弊，仍然采用有源型結(jié)構(gòu)，因此必須解決高壓側(cè)的電源問題。該裝置的高壓側(cè)電流采樣電路與低壓側(cè)之間沒有任何電磁聯(lián)系，唯一的聯(lián)系只有兩根光纖。光纖使得高、低壓之間完全隔離。因此如何向高壓側(cè)電路供電就成為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。由于在高壓母線上電壓高，電流變化范圍大，短路故障時(shí)母線暫態(tài)電流達(dá)到數(shù)十倍于額定電流。在這些情況下都要求能提供給高壓側(cè)電子線路所需的穩(wěn)壓電源(+5 V、5 V 、+18 V、18 V)。穩(wěn)壓電源可以為許多集成電路電子器件提供高質(zhì)量穩(wěn)定電源,使電路穩(wěn)定工作。現(xiàn)在各種成形的穩(wěn)壓電源種類繁多，高性能電源也不少。但是現(xiàn)有電源對輸入端電壓或者電流變化范圍只是額定值的20%。這就限制了在輸入電壓或電流大范圍變化(甚至達(dá)到數(shù)千倍)時(shí)無法得到穩(wěn)壓輸出。近年來高頻開關(guān)電路發(fā)展很快，但是如果將此技術(shù)應(yīng)用在這里，由于逆變電路的影響，傳感頭將無法輸出規(guī)則的正弦波，所以在此也不能用。再對其它方案的研究，比如利用太陽能加上蓄電池來供電，雖然理論上是可行的，但是在實(shí)際中電流互感器一般都要用十年以上，很明顯由于蓄電池的充放電次數(shù)的限制達(dá)不到要求。還有利用激光供能在理論上是比較好的方式，但是在實(shí)現(xiàn)上也存在許多限制，待其他一些技術(shù)成熟了可做進(jìn)一步研究。從目前技術(shù)和成本上看，比較理想的方案就是能在高壓的母線上取一部分能量下來給高壓側(cè)電路供電。那么怎樣才能從母線上取部分電流而對母線電流波形沒有太大影響？由于高壓側(cè)電子及光電器件用電量少，只要取一小部分電能即可，本課題就是采用一個(gè)補(bǔ)償線圈來補(bǔ)償多余的感應(yīng)磁勢，從而實(shí)現(xiàn)取出比較穩(wěn)定的電流，并且通過補(bǔ)償對被測電流波形沒有太大影響。在電源領(lǐng)域是一個(gè)新課題，清華大學(xué)雖然做了一些理論研究，但在工程實(shí)際中還達(dá)不到要求。研制成功后該電源可以應(yīng)用在諸多輸入大范圍變化而需要得到穩(wěn)定輸出的場合。用此原理還能降低普通穩(wěn)壓電源對輸入電流電壓變化范圍的限制 。1.4.2 課題研究解決的主要問題 本課題主要研究設(shè)計(jì)光電式電流互感器高壓側(cè)的穩(wěn)壓電源。由于高壓側(cè)電壓高、電流變化范圍大，如何從高壓母線上提取部分能量并且是穩(wěn)壓輸出是研究的主要內(nèi)容。需要解決的關(guān)鍵問題是：1、如何在母線上提取電流并且不影響傳感器頭的輸出；2、根據(jù)磁勢平衡原理，采用補(bǔ)償線圈來平衡增加的多余磁勢時(shí)，如何分別選擇補(bǔ)償線圈及用于穩(wěn)壓電源線圈的匝數(shù)； 3、如何才能使在母線電流盡可能小的情況下(母線側(cè)功率至少達(dá)到穩(wěn)壓電源需要輸出的功率)穩(wěn)壓電源就能有標(biāo)準(zhǔn)的輸出； 4、如何選擇補(bǔ)償電路的起始工作點(diǎn)才比較合理 ；5、補(bǔ)償電路一些重要器件的參數(shù)值的計(jì)算及試驗(yàn)調(diào)試，使補(bǔ)償電路在母線電流大范圍變化時(shí)，也能正常工作。本課題要完成對電源電路的設(shè)計(jì)，理論計(jì)算等工作，并且對電路進(jìn)行試驗(yàn)，最終成形并用于光電式互感器，投入正式使用。2 電子式互感器的基本理論隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展及電網(wǎng)電壓等級的不斷提高，對高電壓、大電流的測量要求也在不斷提高，互感器的絕緣問題日益突出。由于傳統(tǒng)的電壓、電流互感器存在磁飽和、鐵磁易爆及動(dòng)態(tài)范圍小等問題。于是，各種旨在解決超高壓絕緣問題的測量方法應(yīng)運(yùn)而生，國際電工委員會(huì)通過對這些方法的統(tǒng)計(jì)分析，提出了電子式電壓、電流互感器的概念。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，這類依賴于電子技術(shù)、關(guān)學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代信號處理技術(shù)的電壓 、電流變送器統(tǒng)稱為電子式電壓互感器（EVT）和電子式電流互感器（ECT）。2.1 電子式互感器的分類與特點(diǎn)2.1.1 電子式互感器的分類幾十年來，電子式互感器產(chǎn)品的種類已經(jīng)被開發(fā)出很多，根據(jù)原理的不同，電子式互感器可分無源式和有源式二類。所謂無源式互感器是指高壓側(cè)傳感器頭部分不需要供電電源的電子式互感器，而有源式電子式互感器是指傳感器部分需要供電電源的電子式互感器。2.1.2 電子式互感器的特點(diǎn)與電磁式電流互感器相比，電子式互感器具有如下的一系列的優(yōu)點(diǎn)：1、絕緣性能優(yōu)良，造價(jià)低。絕緣結(jié)構(gòu)簡單，隨電壓等級的升高，其造價(jià)優(yōu)勢愈加明顯。2、在不含鐵芯的電子式互感器中，消除了磁飽和、鐵磁諧振等問題。3、電子式互感器的高壓側(cè)與低壓側(cè)之間只存在光纖聯(lián)系，抗電磁干擾性能好。4、電子式互感器低壓側(cè)的輸出為弱電信號，不存在互感器在低壓側(cè)會(huì)產(chǎn)生的危險(xiǎn)，如電磁式電流互感器在低壓側(cè)開路會(huì)產(chǎn)生高壓的危險(xiǎn)。5、動(dòng)態(tài)范圍大，測量精度高。電磁感應(yīng)式電流互感器因存在飽和問題，難以實(shí)現(xiàn)大范圍測量，同時(shí)滿足高精度計(jì)量和繼電保護(hù)的需要。電子式電流互感器有很寬的動(dòng)態(tài)范圍，額定電流可測到幾十安至幾千安培，過電流范圍可達(dá)幾萬安培。6、頻率響應(yīng)范圍寬。電子式電流互感器已被證明可以測出高壓電力線上的諧波，還可進(jìn)行暫態(tài)電流、高頻大電流與直流的測量。7、沒有因充油而產(chǎn)生的易燃、易爆等危險(xiǎn)。電子式互感器一般不采用油絕緣解決絕緣問題，避免了易燃、易爆等危險(xiǎn)。8、體積小、重量輕。電子式互感器傳感頭本身的重量一般比較小。據(jù)前美國西屋公司公布的345kV的光學(xué)電流互感器（OCT），其高度為2.7m，重量為109kg。而同電壓等級的充油電磁式電流互感器高為6.1m，重達(dá)7718kg，這給運(yùn)輸與安裝帶來了很大的方便。9、可以和計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)多功能，智能化的要求，適應(yīng)了電力系統(tǒng)大容量、高電壓，現(xiàn)代電網(wǎng)小型化、緊湊化和計(jì)量與輸配電系統(tǒng)數(shù)字化、微機(jī)化和自動(dòng)化發(fā)展的潮流。22 電子式互感器的工作原理 根據(jù)傳感方式的不同,電子式CT 、PT 可分為無源光電式CT 、PT 和有源電子式CT 、PT 兩類。2.2.1 無源光電式CT 、PT 圖2.1所示為無源組合式電壓、電流互感器的結(jié)構(gòu)框圖。光學(xué)電流傳感器是利用Faraday 磁光效應(yīng)測量電流的,如圖2.2 所示。LED (發(fā)光二極管) 發(fā)出的光經(jīng)起偏器后為一線偏振光,線偏振光在磁光材料(如重火石玻璃) 中繞載流導(dǎo)體一周后其偏振面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)。據(jù)法拉第磁光效應(yīng)及安培環(huán)路定律可知,線偏振光旋轉(zhuǎn)的角度與載流導(dǎo)體中流過的電流有如下關(guān)系: （2.1）式中,V為磁光材料的Verde常數(shù)。角度與被測電流成正比,利用檢偏器將角度的變化轉(zhuǎn)換為輸出光強(qiáng)的變化,經(jīng)光電變換及相應(yīng)的信號處理便可求得被測電流。 圖2.1 無源電流和電壓組合式互感器框圖 圖2.2 光學(xué)電流傳感器原理圖光學(xué)電壓傳感器是利用Pockels電光效應(yīng)測量電壓的,如圖2.3所示。LED 發(fā)出的光經(jīng)起偏器后為一線偏振光,在外加電壓作用下,線偏振光經(jīng)電光晶體(如BGO晶體)后發(fā)生雙折射,雙折射兩光束的相位差與外加電壓V有如下關(guān)系: （2.2）式中，為BGO的折射率; 為BGO 的電光系數(shù); 為BGO中光路長度；為施加電壓方向的BGO 厚度;為入射光波長; 為晶體的半波電壓。相位差與外加電壓V成正比,利用檢偏器將相位差的變化轉(zhuǎn)換為輸出光強(qiáng)的變化，經(jīng)光電變換及相應(yīng)的信號處理便可求得被測電壓。圖2.3 光學(xué)電壓傳感器原理圖2.2.2 有源電子式CT和PT圖2.4所示為有源電子式CT 的結(jié)構(gòu)示意圖。感應(yīng)被測電流的線圈通常采用Rogowski線圈, Rogowski線圈的骨架為非磁性材料,如圖2.5 所示。若線圈的匝數(shù)密度n及截面積S均勻，Rogowski線圈輸出的信號e與被測電流有如下關(guān)系: （2.3）e(t)經(jīng)積分變換及A/ D轉(zhuǎn)換后,由LED轉(zhuǎn)換為數(shù)字光信號輸出,控制室的PIN及信號處理電路對其進(jìn)行光電變換及相應(yīng)的信號處理,便可輸出供微機(jī)保護(hù)和計(jì)量用的電信號。 圖2.4 有源電子式CT結(jié)構(gòu)示意圖 圖2.5 Rogowski線圈圖2.6所示為有源電子式PT 的結(jié)構(gòu)示意圖。被測高壓經(jīng)分壓器分壓后, 經(jīng)信號預(yù)處理、A/D變換及LED轉(zhuǎn)換,以數(shù)字光信號的形式送至控制室,控制室的PIN及信號處理電路對其進(jìn)行光電變換及相應(yīng)的信號處理,便可輸出供微機(jī)保護(hù)和計(jì)量用的電信號。圖2.6 有源電子式PT的結(jié)構(gòu)示意圖有源電子式CT 、PT 的一次高壓側(cè)有電子電路, 其電源的供給方式主要有兩類,一類是光供電,即控制室內(nèi)LD 發(fā)出的光由光纖送至高壓側(cè),再經(jīng)光電變換轉(zhuǎn)換為電能供電電路工作；另一類是利用一小CT從高壓線路上獲取電能供電路工作。2.3 電子式互感器的輸出特性電子式互感器的輸出分?jǐn)?shù)字和模擬2 種。國際電工委員會(huì)制定了電子式互感器標(biāo)準(zhǔn)文件。電子式互感器定義了一個(gè)新的物理元件合并單元,它將來自二次轉(zhuǎn)換的電流電壓數(shù)據(jù)連續(xù)時(shí)間合成:主要是將接受到的二次端信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)輸出,使接受到的同一協(xié)議的信號同步。合并單元將7只(3只測量,3只保護(hù),1只備用) 以上的電流互感器和5只(3只測量,1只保護(hù),1只備用) 以上的電壓互感器合并為一個(gè)單元組,并將輸出的瞬時(shí)數(shù)字信號添入同一數(shù)據(jù)幀中,體現(xiàn)了數(shù)字信號的優(yōu)越性。電子式互感器二次轉(zhuǎn)換器與變電站二次設(shè)備通過合并單元連接,數(shù)字輸出的電子式互感器與外部通訊也是通過合并單元實(shí)現(xiàn)。2.4 電子式互感器的發(fā)展前景無源式電子式互感器一次側(cè)不需要供電電源，具有較大的優(yōu)勢，但光學(xué)裝置制作工藝復(fù)雜，穩(wěn)定性不易控制，而有源式電子式互感器目前研究較為成熟，實(shí)際投入運(yùn)行比較多，獲得了大量的現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，有望首先得以推廣應(yīng)用。國際電工委員會(huì)關(guān)于電子式互感器的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)出臺，我國的電子式互感器國家標(biāo)準(zhǔn)已算基本完成，近期將公布，國家電子式互感器的檢測中心已經(jīng)建立于武漢高壓研究所，這預(yù)示著電子式互感器的產(chǎn)品化應(yīng)用已經(jīng)具備了行業(yè)規(guī)范，為其市場化提供了基礎(chǔ)平臺。國內(nèi)外的研究結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)廠家經(jīng)過30多年的研究和探索，不少企業(yè)投資電子式互感器制造領(lǐng)域，在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場掛網(wǎng)都積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)了產(chǎn)品化、市場化的進(jìn)程。電網(wǎng)改造及數(shù)字化自動(dòng)化的需求，在未來的幾年內(nèi)，會(huì)在各種電網(wǎng)等級中將會(huì)大量安裝和使用；由于電子式互感器的優(yōu)點(diǎn)，電子式互感器全面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的互感器是不可避免的。2.5 電子式互感器有待研究的問題電子式互感器是滿足電網(wǎng)動(dòng)態(tài)客觀測性、提高繼電保護(hù)可靠性和數(shù)字電力系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)備。電子式互感器以其特有的技術(shù)特點(diǎn)和價(jià)格優(yōu)勢將在未來的電力系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用，它的推廣和應(yīng)用，將對電力系統(tǒng)特別是變電站的二次設(shè)備產(chǎn)生極其深遠(yuǎn)的影響，加速變電站全數(shù)字化、自動(dòng)化的進(jìn)程。1、對于無源式互感器，要減少磁光材料或者晶體自身的雙折射以及環(huán)境氣候等的影響，必須對造成傳感頭誤差的各種因素進(jìn)行分析并研究減小其影響的辦法。2、電子式互感器雖然具有絕緣等方面的優(yōu)點(diǎn)，但在可靠性、穩(wěn)定性及準(zhǔn)確度等方面與傳統(tǒng)的電磁測量方法相比還存在著一定差距，有待提高。3、電子式互感器在變電站屬于一次設(shè)備，必須要為二次設(shè)備服務(wù)，但是現(xiàn)在國內(nèi)外廠商把目光放在了互感器本身，而很少顧及到與二次設(shè)備的兼容。如何解決電子式互感器與現(xiàn)有二次設(shè)備的兼容問題，是決定今后幾年電子式互感器推廣速度的重要課題。2.6 本章小結(jié)電子式互感器具有抗電磁干擾,不飽和,測量范圍大,體積小,重量輕等優(yōu)點(diǎn),能夠滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展的要求。電子式互感器已有國際標(biāo)準(zhǔn)IEC60044-7(電子式電壓互感器) 和IEC60044-8(電子式電流互感器) ,標(biāo)準(zhǔn)對電子式互感器的構(gòu)成、試驗(yàn)及輸出接口等進(jìn)行了規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)的制定將進(jìn)一步規(guī)范并推進(jìn)電子式互感器的研制及推廣應(yīng)用。國內(nèi)外研究實(shí)踐表明,電子式互感器具有明顯的技術(shù)和價(jià)格優(yōu)勢,估計(jì)110 kV電子式互感器每臺成本1萬元左右,220 kV電子式互感器每臺成本2萬元左右。因絕緣結(jié)構(gòu)簡單,電壓等級越高,電子式互感器的價(jià)格優(yōu)勢越明顯。由此可見,電子式互感器應(yīng)用于電力系統(tǒng)前景廣闊。為下一章電子式互感器工作電源的研制打下基礎(chǔ)。3 電子式互感器工作電源的設(shè)計(jì)隨著光纖傳感技術(shù)、光纖通信技術(shù)的快速發(fā)展，光纖技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛有源光電式互感器以其結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、互換性強(qiáng)、可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)等一系列優(yōu)點(diǎn)而在近幾年成為研究開發(fā)的重點(diǎn)，并已有產(chǎn)品應(yīng)用于中低壓電力系統(tǒng)的測控設(shè)備中。有源光電式互感器實(shí)現(xiàn)過程中必須解決的一個(gè)重要問題是高壓側(cè)信號處理的工作電源設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)高低壓側(cè)電信號的完全隔離!高壓側(cè)電源必須是懸浮式的。通常有2個(gè)途徑解決這個(gè)問題：1、從低壓側(cè)通過光電轉(zhuǎn)換的方式將能量傳送到高壓側(cè)提供電源；2、直接從高壓線路上取得能量。采用低壓側(cè)光供電方法的優(yōu)點(diǎn)是電源穩(wěn)定、可靠性高、不受母線電流的影響。但是由于激光器件提供的功率有限，且光電轉(zhuǎn)換效率不高，因此對高壓側(cè)的電子線路設(shè)計(jì)的功率要求較高，同時(shí)，光電池在長期負(fù)荷工作條件下的壽命也難以保證。本章介紹一種直接從高壓線路上取能的寬動(dòng)態(tài)范圍的懸浮式直流電源的設(shè)計(jì)過程。3.1 設(shè)計(jì)原理高壓側(cè)信號處理工作電源包括信號處理必須的5V電源和供A/D轉(zhuǎn)換的5V基準(zhǔn)電源。直接從高壓線路上取得能量，利用帶鐵芯的感應(yīng)線圈從一次線路上獲取電能供給高壓側(cè)電子裝置工作電壓的電源設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)在于，由于鐵芯線圈處在高壓端，絕緣要求低，極大地簡化了裝置地復(fù)雜程度。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，工作在磁導(dǎo)率線性段的電磁感應(yīng)線圈在輸電線傳輸工頻電流的激勵(lì)下，電源變壓器二次側(cè)的感應(yīng)電動(dòng)勢為 （3.1）式中為正弦波頻率；為線圈繞組匝數(shù)；為輸電傳輸電流在變壓器鐵芯激磁產(chǎn)生的磁通量。設(shè)計(jì)時(shí)主要應(yīng)考慮以下2個(gè)問題： 1、在系統(tǒng)電流很小的時(shí)候提供足夠大的功率，以驅(qū)動(dòng)處于高壓端的電子線路； 2、在系統(tǒng)出現(xiàn)短路大電流時(shí)，能吸收多余的能量，給電子線路提供一個(gè)穩(wěn)定的電源，其本身也要保證不因電動(dòng)力而損壞。圖3.1為實(shí)際的電路設(shè)計(jì)原理性線路圖（圖中為主線圈，為補(bǔ)償線圈）。圖3.1 電源設(shè)計(jì)原理性線原理圖3.1中，主線圈提供直流穩(wěn)壓工作用電源，補(bǔ)償線圈的目的在于控制主線圈感應(yīng)電壓在適合的工作范圍。當(dāng)主線圈感應(yīng)電壓達(dá)到一定值后，穩(wěn)壓二極管導(dǎo)通，電流使磁控開關(guān)K閉合，補(bǔ)償線圈回路導(dǎo)通反向激磁，從而降低鐵芯中的磁通量，達(dá)到降低主線圈感應(yīng)電壓的目的。經(jīng)過穩(wěn)壓和DC-DC變換集成電路處理，獲得必需的工作電源。若實(shí)際應(yīng)用情況需要，隨著電流的進(jìn)一步升高，可設(shè)計(jì)多個(gè)補(bǔ)償線圈回路，以便在感應(yīng)電壓進(jìn)一步升高時(shí)分別投入，進(jìn)一步降低激磁電流值。3.2 實(shí)際設(shè)計(jì)考慮問題1、變換器鐵芯尺寸的確定：依據(jù)有關(guān)公式可計(jì)算在1kA傳輸電流的情況下，變壓器的最小內(nèi)徑為25mm，考慮到高壓線路實(shí)際運(yùn)行時(shí)可能傳輸?shù)妮旊婋娏髦?，?shí)際采用內(nèi)徑40mm、外徑65mm、厚25mm的O型鐵芯，材料型號為DQ4（0.35mm冷軋硅鋼片）。2、主線圈繞組匝數(shù)的確定：由公式3.1根據(jù)實(shí)際所需最小輸出交流電壓，選取適當(dāng)?shù)拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度起始工作點(diǎn)可計(jì)算出主線組所需匝數(shù)。實(shí)際制作主繞組為62匝。3、補(bǔ)償線圈匝數(shù)的確定：由電磁感應(yīng)定律可知，補(bǔ)償線圈的匝數(shù)越多，在補(bǔ)償線圈連接相同負(fù)載或通過相同補(bǔ)償電流的情況下，二次整流側(cè)在保證穩(wěn)壓模塊承受同樣數(shù)值的整流濾波后的直流電壓條件下，容許通過的一次側(cè)交流電流值越大。但繞組匝數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要適當(dāng)選擇，因?yàn)槔@組匝數(shù)越多，感應(yīng)電壓越大，對絕緣要求越高。設(shè)計(jì)制作的繞組匝數(shù)約為330匝，實(shí)驗(yàn)證明已能保證滿足實(shí)際需要。4、負(fù)載電阻R1的確定：負(fù)載電阻的大小直接與補(bǔ)償繞組的線徑有關(guān)。圖3.2為在保證圖3.1中整流側(cè)電壓恒為20V的情況下，實(shí)際測得的補(bǔ)償電流、負(fù)載電阻與原方輸入電流的關(guān)系曲線圖。從圖中可看出負(fù)載電阻的大小對于保證整流電壓維持在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶浅Ｖ匾?shí)際制作時(shí)選擇線徑為0.55mm的漆包線接上=100的負(fù)載。圖3.2 補(bǔ)償電流、補(bǔ)償線圈負(fù)載電阻與原方輸入電流關(guān)系曲線3.3 在線供能理論分析從以上原理分析可知在目前的技術(shù)情況下光電池供能方案要實(shí)現(xiàn)實(shí)用化還存在一些問題，而且成本很高，本節(jié)采用的方案是從高壓母線上提取能量的懸浮式電源，即在線供能。在線供能是從高壓母線獲得能量，這樣電源部分與傳感部分同位于高壓端，低電位點(diǎn)懸浮，這樣就不存在高壓絕緣的問題。這種方案雖然電子線路上稍微復(fù)雜一些，但是可靠性高，成本也比較低。但是母線電流變化范圍大，而且暫態(tài)電流在達(dá)到數(shù)十倍的額定電流時(shí)還要保持電源穩(wěn)定，比如在110kV母線上額定電流1000A，就要保證電流在達(dá)到100kA時(shí)電源還能正常工作。關(guān)鍵就是如何將母線電流增大引起的多余的磁勢補(bǔ)償?shù)?，確保母線上提取能量而不影響互感器地正常工作。其供能框圖如圖3.3所示，基本結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。 圖3.3 一次側(cè)電源功能框圖 圖3.4 一次側(cè)電源結(jié)構(gòu)圖圖3.4中，在一個(gè)鐵心上纏繞兩個(gè)繞組，用細(xì)的漆包線作為電源繞組。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)高壓母線上有交變電流通過時(shí)，纏在鐵心上的繞組會(huì)在輸出端產(chǎn)生電動(dòng)勢，當(dāng)電動(dòng)勢足夠大時(shí)，可以用來給高壓端的工作電路供電。用粗的漆包線作為補(bǔ)償繞組，來保證鐵心不會(huì)飽和。雖然在線供能方案易于實(shí)現(xiàn)且成本低，但由于是從電網(wǎng)上獲取能量，因此電源工作肯定會(huì)受電網(wǎng)電流的影響。當(dāng)電網(wǎng)電流很小、獲取能量過小時(shí)，傳感部分的電子線路將無法工作，因此設(shè)計(jì)中要盡可能的使電源在小電流的情況下就能工作并且通過選用低功耗的元器件和盡可能的優(yōu)化電路使元器件盡可能的少，減少工作死區(qū)的范圍，這是采用此方法不可避免的弱點(diǎn)；當(dāng)電網(wǎng)電流過大、獲取能量過多時(shí)，必須采取補(bǔ)償?shù)姆绞剑瑢⑦^多的能量通過電磁場返還給電力線；還有可能在補(bǔ)償跟不上的情況下，要確保電源和傳感部分的電子線路受到安全保護(hù)。3.3.1 供能理論分析 我們這里的能量獲取是通過類似變壓器結(jié)構(gòu)的器件獲得的，即Rogowski線圈，也是通過一個(gè)鐵芯將母線(即變壓器的初級側(cè))通過磁場跟電源、控制及補(bǔ)償線圈(即變壓器的次級側(cè))聯(lián)系的。在原理上跟變壓器工作原理還正好相反。但是在此之前可以先了解變壓器的工作原理，并且變壓器的所有公式都可以用到補(bǔ)償電路中，只是其中的常量變量有些需要交換一下，從而方便分析本文中電源補(bǔ)償電路的工作原理。先分析最簡單情況下，二次側(cè)開路時(shí)可以推導(dǎo)得到的一些公式，再將這些公式加以反推就能深入理解補(bǔ)償原理，如圖3.5。 圖3.5 變壓器空載示意圖 圖3.6 變壓器空載運(yùn)行的電磁關(guān)系初級、次級側(cè)繞組的匝數(shù)分別為、，次級側(cè)開路即0。為外施于初級繞組上的交流電壓，在外施電壓作用下，初級繞組流通交流電流。這里次級側(cè)開路，初級側(cè)電流即空載電流，用表示?？蛰d電流全部用以激磁，故空載電流就是激磁電流，用表示，因此有。激磁電流產(chǎn)生交變磁勢，這個(gè)磁場可以分為主磁通和漏磁通兩部分，主磁通，即圖中的同時(shí)交鏈初級、次級繞組，因此又稱互磁通，它是傳遞功率的，它所行經(jīng)的路徑為沿著鐵芯的閉合磁路，磁阻??；漏磁通只交鏈初級繞組，所行徑的路徑大部分為非磁性物質(zhì)，磁阻較大，漏磁通只占一小部分。 和都是交變的，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，將在其所交鏈的繞組中感應(yīng)電勢。此外，空載電流還在初級繞組中產(chǎn)生電阻壓降。綜上所述，可把空載運(yùn)行所發(fā)生的電磁現(xiàn)象匯總，如圖3.6所示，虛線框內(nèi)為磁路性質(zhì)，以外為電路性質(zhì)。由于磁勢與電流關(guān)聯(lián)，磁通與電勢關(guān)聯(lián)，因而可以把全部電磁現(xiàn)象用電路方程描述。在變壓器中的電壓、電流、電勢、磁勢和磁通都是時(shí)間函數(shù)，是正負(fù)交替變化的量。因此必須規(guī)定出一個(gè)正方向，并用箭頭表示方向，在電機(jī)理論中，習(xí)慣上規(guī)定電流的正方向與該電流所產(chǎn)生的磁通正方向符合“右手螺旋”定則，規(guī)定磁通方向與其感應(yīng)電勢的正方向也符合“右手螺旋”定則。這意味著在電路理論中常把電流的正方向與電勢的正方向取得一致。圖3.5里的箭頭方向就是按照這一規(guī)定畫的，從圖中可以得到變壓器空載時(shí)的電壓平衡式 （3.2） （3.3） 式中、和分別為初級、次級電勢和初級漏磁電勢，為次級空載電壓，為初級電阻壓降，為外施電壓 ?？蛰d時(shí)，和都非常小，為分析方便忽略不計(jì)，則有。一般外施電壓都是正弦波，則、和 都是正弦波。設(shè)，則 （3.4） （3.5）式中，為主磁通最大值；為正弦波角頻率；、分別是初級、次級繞組電勢最大值，將其化為有效值有： （3.6） （3.7） 和在相位上滯后磁通比較式(3.6)和式(3.7)可得 （3.8）就是我們稱的電壓變比，它決定于初級、次級繞組匝數(shù)之比 。如果略去電阻壓降和漏磁電勢，則有 （3.9）從式(3.4) 和(3.9)可得到，對于一個(gè)結(jié)構(gòu)材料一定的變壓器，其主磁通跟初級側(cè)提供的電壓成正比，而主磁通是由激磁電流產(chǎn)生的。那么就有必要了解一下激磁電流，總的來說激磁電流的大小和波形將受到磁路飽和、磁滯及渦流的影響。在這里，磁滯以及渦流因占比例比較小，對激磁電流影響不大，可以忽略不計(jì)。下面主要分析一下磁路飽和與否對主磁通的影響 。磁性材料飽和程度決定于鐵芯磁通密度。一般0.8T時(shí)，磁路開始飽和，呈非線性隨激磁電流的增大，導(dǎo)磁率逐漸變小。 具體在補(bǔ)償電路中磁通與激磁電流的關(guān)系我們將在后面詳細(xì)分析。圖3.7為磁化曲線圖。 圖3.7 磁化曲線 圖3.8 變壓器負(fù)載運(yùn)行圖 從以上對空載變壓器工作原理的分析我們知道了磁通與初級、次級繞組的函數(shù)關(guān)系，還有激磁電流與磁通的函數(shù)關(guān)系?？蛰d時(shí)，次級電流及其磁勢為零，次級電路的存在對初級電路毫無影響。 但是帶載后，次級繞組便流通電流，次級電流的存在，建立起次級磁勢，它也作用在鐵芯磁路上。因此改變了原有的磁勢平衡，迫使主磁通變化，導(dǎo)致電勢也隨之改變，電勢的改變又破壞了原有的電壓平衡，迫使原電流隨之改變，直到建立新平衡。變壓器帶載運(yùn)行如圖3.8所示次級電流為,由次級電流所建立的磁勢為。初級電流所建立的磁勢為 ，負(fù)載后作用在磁路上的總磁勢為。根據(jù)安培環(huán)路定律應(yīng)該滿足 （3.10）即負(fù)載時(shí)作用在主磁路上的全部磁勢應(yīng)等于產(chǎn)生磁通所需的激磁磁勢，稱為磁勢平衡式。由磁勢平衡式可以求得初級、次級電流間的約束關(guān)系，這對我們以后的分析是很有用的。將式(3.10)除以并移項(xiàng)得 （3.11）式中，稱為初級電流的負(fù)載分量。 有了以上的理論就可以針對要實(shí)現(xiàn)的電源進(jìn)行分析了，電源就是要達(dá)到有穩(wěn)定的 5V、18V直流電壓輸出給高壓側(cè)的電子電路。因?yàn)樘幱诟邏簜?cè)，母線對地電壓上萬伏，不可能從地面提供只能從高壓母線上直接取得，獲得低電位懸浮的電源。要得到穩(wěn)定的直流電源，就要通過電磁感應(yīng)從母線上提取電流，經(jīng)過整流濾波再經(jīng)穩(wěn)壓電源模塊輸出。但是電源模塊的輸入電壓有范圍限制。因此必須使從母線上提取的輸入電壓不能過高，以免燒毀電源模塊。如圖3.9所示為類似變壓器結(jié)構(gòu)(我們就稱它為電源互感器)，在現(xiàn)在條件下二次側(cè)只有電源繞組時(shí)的運(yùn)行圖。圖中跟變壓器負(fù)載運(yùn)行圖只是一次側(cè)多了一個(gè)負(fù)載。這個(gè)負(fù)載就是母線的負(fù)載,在用電高峰時(shí)，負(fù)載就大，在用電低谷時(shí)，負(fù)載就小，因此它是變化的，而且我們只是在其中取少量能量，因此加載在初級側(cè)的電壓跟變壓器所加的已知電壓值并不一樣。變壓器電壓是正弦恒定的，這樣磁通也是正弦波。而這里的母線電流是恒定的正弦波，所以激磁電流也是正弦波，這是與變壓器根本的不同之處。因此根據(jù)式(3.6)和式(3.10)可知，它的磁通并不是由初級電壓決定的磁通是隨著母線電流變化的，因?yàn)樵诨ジ衅饔玫降哪妇€電流的額定值達(dá)到了1 kA，那么很顯然在這么大電流作用下，對于一般的鐵芯，磁通肯定會(huì)達(dá)到飽和，而且次級側(cè)的電流值也會(huì)不斷增大。 圖3.9 電源繞組的運(yùn)行圖下面定性地分析一下圖3.10中各曲線之間的關(guān)系，并可以在分析中得到我們將會(huì)遇到的問題和可以采取的解決方案。如圖3.10中是鐵芯未飽和時(shí)的正弦波激磁電流，根據(jù)磁化曲線，我們可以得到磁通量的波形圖中，因?yàn)槲达柡蜁r(shí)，磁通跟激磁電流是線性關(guān)系，所以得到的磁通量也是正弦波，再根據(jù)式(3.4)磁通跟感應(yīng)電勢關(guān)系可以推出分別在初級和次級側(cè)感應(yīng)電勢的波形，它也是正弦波，這個(gè)波形幅值不是很大，對我們提取能量很方便，而且不會(huì)對母線上的電流波形產(chǎn)生畸變影響，不影響傳感頭的波形。但是隨著母線電流的增大，鐵芯就會(huì)飽和，所以磁通的增加就會(huì)變小，而且次級側(cè)的電勢幅度必然增加，這對電源模塊也是有害的。而且隨著激磁電流的增加，如圖3.10因?yàn)檫M(jìn)入磁化曲線非線性區(qū)，磁通變成了一個(gè)近似平頂波，再根據(jù)式(3.4)對磁通求導(dǎo)得到的感應(yīng)電勢變成了類似脈沖波，而且其幅值很大。再根據(jù)次級側(cè)的電路平衡關(guān)系(為分析簡便,這里忽略了次級繞組的漏抗壓降)，這樣的波形對我們電源的實(shí)現(xiàn)是不利的。所以我們必須避免鐵芯進(jìn)入飽和狀態(tài)，使感應(yīng)電勢趨向正弦波，并且在達(dá)到一定幅值之后不能增大，有利于電源電路的整流濾波和穩(wěn)壓輸出 。圖3.10 激磁電流、磁通、感應(yīng)電勢關(guān)系圖第一種方法：為了使感應(yīng)電勢能基本按正弦波輸出，根據(jù)式(3.10)就是為了保持不變，我們可以使激磁電流增加，但是這樣鐵芯會(huì)進(jìn)入飽和非線性區(qū)，我們可以采取改變磁化曲線斜率來增加線性區(qū)。我們可以采取給鐵芯環(huán)路增加空氣隙的方法使起始磁導(dǎo)率不斷減少，因?yàn)樵诖磐坎蛔兊那闆r下，磁導(dǎo)率跟激磁電流成反比，從圖3.11我們可以看到空氣隙逐漸變大的磁化曲線圖 。圖3.11中曲線1到曲線3分別是無空氣隙到空氣隙逐漸變大。這一個(gè)方法不僅結(jié)構(gòu)簡單，無發(fā)熱源，而且線性度好，但是母線電流大小是隨機(jī)變化的，因此對空氣隙大小無法靈活控制，因此我們沒有采用這一方法。 第二種就是根據(jù)式(3.10)，我們可以把等式進(jìn)行改造，把二次側(cè)繞組電流分成三部分：電源繞組電流、控制繞組電流和補(bǔ)償繞組電流。因此式(3.10)變成如下等式，這里將矢量化成標(biāo)量了。 (3.12)圖3.11 不同空氣隙磁化曲線圖式中、和分別是對應(yīng)繞組匝數(shù)。為了保持磁通量不變，現(xiàn)在在鐵芯不變的情況下如果母線電流增加，激磁電流也不能變，只能是二次繞組中電流增加。但是想要的電源繞組的電流不能增加才能保持電壓的穩(wěn)定，所以加了另一個(gè)補(bǔ)償繞組，讓增加的母線電流由補(bǔ)償繞組電流平衡掉。電源上用到的電流只是很小的一部分，大部分二次側(cè)電流都在補(bǔ)償繞組。電流中為了能使補(bǔ)償電流隨母線電流線性變化，增加了一個(gè)控制繞組在實(shí)際方案中就是采取該方案，而且在理論上是可行的，接下來就要用具體電路去實(shí)現(xiàn)。3.3.2 繞組匝數(shù) 首先要選定合適的鐵芯，鐵芯的選擇必須考慮電源的啟動(dòng)點(diǎn)，盡可能的使穩(wěn)壓電源在盡可能小的母線電流下就能穩(wěn)定輸出5V和18V，減少互感器盲區(qū)。因此必須使穩(wěn)壓模塊輸入電壓能隨母線電流的增加盡快能達(dá)到8V和20V，這樣就要求激磁電流要小。但是激磁電流也不能太小，必須能提供足夠的感應(yīng)電勢。還有一個(gè)因素是，補(bǔ)償繞組起始工作點(diǎn)不能太接近非線性區(qū)；否則，補(bǔ)償繞組如果不能及時(shí)跟上，鐵芯很容易進(jìn)入非線性區(qū)。在現(xiàn)有能買到的鐵芯型號中，我們選用了激磁電流時(shí)，處于線性區(qū)，即主磁通和感應(yīng)電勢都為正弦波的環(huán)型鐵芯。鐵芯內(nèi)徑4cm，外徑7cm，寬3cm。各繞組示意圖如圖3.12，為了分析簡化，我們假設(shè)二次側(cè)各繞組都開路估算一下電源繞組需要的匝數(shù)，二次側(cè)開路電壓滿足式(3.9)再根據(jù)式(3.10)要得到8伏感應(yīng)電勢必須滿足 （3.13）圖3.12 各繞組示意圖又因?yàn)?，我們的電流為工頻電流。在前面章節(jié)曾提到一般磁性材料在的情況下處于線性區(qū)，因?yàn)榇磐芏仍趯?shí)際中測量難度很大，在這里要求鐵芯不能進(jìn)入飽和區(qū)，但是為了有足夠的電源模塊輸入電壓，又得使激磁電流足夠大，使鐵芯接近飽和，此時(shí)，將以上各參數(shù)代入式(3.13)可得 （3.14）同理，我們能推導(dǎo)得到在要求輸出20伏特感應(yīng)電勢時(shí)，匝。以上是在二次側(cè)開路下的估算結(jié)果，而電源電路要求分別提供電流、，在理論上這個(gè)二次電流本身也起到了補(bǔ)償作用，因此根據(jù)式(3.13)在不變的情況下，感應(yīng)電壓減小，因此為了得到8伏特輸出必須增大。精確取二次側(cè)匝數(shù)多少在理論上很難計(jì)算，但是根據(jù)分析和反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，我們最終取100、260、260。在接上補(bǔ)償電路后，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明這一參數(shù)能滿足我們的要求。 這里的控制線圈匝數(shù)我們?nèi)×?00匝，提取大約1毫安電流作為補(bǔ)償電路的控制信號。 將以上參數(shù)、，代入式(3.12)，則有 （3.15）這里的鐵芯在時(shí)，即激磁電流的幅值時(shí)，處于線性區(qū)。二次側(cè)電壓波形和主磁通均為正弦波。而在激磁電流超出22 A時(shí)，將進(jìn)入非線性區(qū)，主磁通波形進(jìn)似圓頂波而二次電壓波形為尖峰波。為了使各電源輸入電壓基本保持不變而且不影響傳感頭波形需要讓激磁電流工作在線性區(qū)。而且，如果我們?nèi)⊙a(bǔ)償線圈匝數(shù)式(3.15)可化簡為 （3.16） （3.17）根據(jù)式(4-17)我們可以得到與的關(guān)系，如表3.1 表3.1 時(shí)與的對應(yīng)關(guān)系100200300400500600700800900100012000.3660.4760.8660.9761.3661.4761.8661.9762.3662.4762.8662.9763.3663.4763.8663.9764.3664.4764.8664.9765.8665.976 同理，我們可以得到時(shí)，與的關(guān)系，見表3.2。表3.2 時(shí)與的關(guān)系10020030