電流互感器研究動(dòng)態(tài)匯編

電子式電流互感器

研究動(dòng)態(tài)共88頁(yè)2電子式電流互感器研制ECT-Electroniccurrenttransformers共88頁(yè)3電流互感器簡(jiǎn)介互感器是電力系統(tǒng)的眼睛。傳統(tǒng)的電流互感器是電磁感應(yīng)式，結(jié)構(gòu)類似變壓器(區(qū)別：CT磁密甚小)。按用途分：1、測(cè)量用將任一數(shù)值的交流電流轉(zhuǎn)換為用標(biāo)準(zhǔn)儀器可以直接測(cè)量的交流電流值；使高壓回路與維護(hù)人員可以接近的測(cè)量?jī)x表絕緣。

2、保護(hù)用將任一數(shù)值的交流電流轉(zhuǎn)換成可以供給繼電保護(hù)裝置的交流電流值；使高壓回路與維護(hù)人員可以接近的繼電器絕緣。

共88頁(yè)4電磁感應(yīng)式電流互感器主要優(yōu)點(diǎn)電磁感應(yīng)式電流互感器是一種傳統(tǒng)的電流測(cè)量和保護(hù)設(shè)備性能比較穩(wěn)定適合長(zhǎng)期運(yùn)行有長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)共88頁(yè)5電磁感應(yīng)式電流互感器的缺點(diǎn)絕緣復(fù)雜不能用于測(cè)量直流輸電系統(tǒng)磁飽和（將產(chǎn)生大的測(cè)量誤差）鐵磁諧振有油易燃易爆體積大，重量重共88頁(yè)6電子式電流互感器的優(yōu)點(diǎn)絕緣簡(jiǎn)單沒(méi)有磁飽和、鐵磁諧振等問(wèn)題無(wú)二次開(kāi)路高壓測(cè)量頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕適應(yīng)電力系統(tǒng)自動(dòng)化數(shù)字化要求無(wú)易燃、易爆炸危險(xiǎn)共88頁(yè)7電子式電流互感器發(fā)展現(xiàn)狀電子式電流互感器是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)ABB公司研制的監(jiān)測(cè)、保護(hù)超高壓串聯(lián)電容器組電流的ECT于1987~1990年全面投運(yùn)法國(guó)ALSTOM、日本東京電力公司、東芝公司也有研究美國(guó)的PhotonicPowerSystem公司已經(jīng)初步將A/D采集式電流互感器產(chǎn)品化，激光供能方式，在美國(guó)、芬蘭等國(guó)變電站中得到較廣泛的應(yīng)用國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、燕山大學(xué)、大連理工大學(xué)研究有源式ECT華中科技大學(xué)、哈爾濱科技大學(xué)、上海科技大學(xué)、重慶大學(xué)進(jìn)行磁光式ECT的研究共88頁(yè)8有關(guān)研制及生產(chǎn)電子式電流互感器的單位

目前所達(dá)到的水平

研制及生產(chǎn)單位光電互感器種類準(zhǔn)確度瑞士ABB公司磁光式0.2級(jí)華中科技大學(xué)磁光式0.5級(jí)加拿大NxtPhase公司全光纖式0.2級(jí)瑞士ABB公司有源式0.2級(jí)美國(guó)PhotonicPowerSystem公司有源式0.2級(jí)清華大學(xué)有源式0.3級(jí)大連理工大學(xué)有源式0.5級(jí)共88頁(yè)9國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀廣州換流站激光供能的500kVECT(測(cè)直流)西門子公司制造

運(yùn)用了一些美國(guó)PhotonicPowerSystem公司技術(shù)廣州換流站激光供能的35kVECT(測(cè)直流)共88頁(yè)10（加拿大）NxtPhase公司的磁光式500kV組合式光電電流電壓互感器共88頁(yè)11（加拿大）NxtPhase公司的磁光式組合式光電電流電壓互感器二次輸出指標(biāo)共88頁(yè)12國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀A(yù)BB公司的磁光式ECT共88頁(yè)13電子式互感器標(biāo)準(zhǔn)IEC60044-7互感器(1999)

第7部分:電子式電壓互感器

IEC60044-8互感器(2002)

第8部分:電子式電流互感器我國(guó)也正在制定電子式電壓互感器和電流互感器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

GB/TXXXX.7-200XGB/TXXXX.8-200X共88頁(yè)14電子式電流互感器分類電子式電流互感器主要分兩類：1、無(wú)源式－傳感頭采用磁光晶體或光纖2、有源式－傳感頭采用電子器件，需提供電源共88頁(yè)15無(wú)源式ECT的幾種實(shí)現(xiàn)方法(一)基于Faraday磁光效應(yīng)的

全光纖型電流互感器原理示意圖共88頁(yè)16無(wú)源式ECT的幾種實(shí)現(xiàn)方法(二)基于Faraday磁光效應(yīng)的

磁光玻璃型電流互感器原理示意圖共88頁(yè)17MOCT的幾種實(shí)現(xiàn)方法(三)基于Kerr效應(yīng)測(cè)量電流原理示意圖（原理見(jiàn)下頁(yè)）

磁介質(zhì)共88頁(yè)18Kerr磁光效應(yīng)是指線偏振光在磁化了的磁介質(zhì)表面發(fā)生反射時(shí)，反射光的偏振面相對(duì)于入射光的偏振面會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。通過(guò)測(cè)量偏轉(zhuǎn)角度的大小，就可以間接測(cè)得磁介質(zhì)外加磁場(chǎng)大小，如果這個(gè)磁場(chǎng)是由高壓電流產(chǎn)生，則也可以通過(guò)相應(yīng)的換算得到電流的大小共88頁(yè)19有源式ECT的實(shí)現(xiàn)方法在高壓側(cè)的傳感頭采用的是電子器件，而不是磁光晶體或光纖。因此高壓側(cè)要有供電電源。A/D轉(zhuǎn)換式（即ADC式），實(shí)際研制時(shí)采用的方式。共88頁(yè)20圖ADC式電子式電流互感器的整體結(jié)構(gòu)圖ADC式電子式電流互感器整體結(jié)構(gòu)圖共88頁(yè)21A/D轉(zhuǎn)換式ECT特點(diǎn)AD變換器的轉(zhuǎn)換精度高，采樣頻率高系統(tǒng)的功耗小，可以實(shí)現(xiàn)低功耗接收端的電路比較簡(jiǎn)單，可以直接和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信傳送的是數(shù)字信號(hào)，傳送過(guò)程中抗干擾能力強(qiáng)共88頁(yè)22電子式電流互感器方案的選定無(wú)源式電流互感器的原理與傳統(tǒng)的電磁式互感器截然不同，優(yōu)點(diǎn)在于其傳感頭在設(shè)計(jì)上沒(méi)有電源的供應(yīng)的問(wèn)題，但是這種互感器對(duì)光學(xué)技術(shù)、光纖技術(shù)以及光學(xué)材料的發(fā)展有很大的依賴性，研制技術(shù)難度大，成本較高。而且，磁光材料在外界環(huán)境的溫度壓力等參數(shù)變換的情況下的穩(wěn)定性也是一個(gè)技術(shù)上難以解決的問(wèn)題。因此，要達(dá)到實(shí)用階段還要走很長(zhǎng)的路。共88頁(yè)23有源式電流互感器采用的是傳統(tǒng)的電阻、電容等器件，優(yōu)點(diǎn)在于采樣精確度比較高，同無(wú)源光電互感器相比，在結(jié)構(gòu)上更加簡(jiǎn)單，也比較容易和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)直接通信，但是它的缺點(diǎn)在于傳感頭的電源供應(yīng)、大范圍電流的準(zhǔn)確測(cè)量問(wèn)題和電磁兼容問(wèn)題。共88頁(yè)24最后方案的選定

考慮到電子器件的選擇和電路的設(shè)計(jì)難度，采用ADC式電子電流互感器作為研究對(duì)象。這種電流互感器的傳感頭的總體功耗比較小，采樣精確度比較高，接收端的電路工作比較可靠，容易實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)同時(shí)采集，另外，ADC式光電電流互感器傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，易于和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信共88頁(yè)25ECT方案三相測(cè)量電流C相電流C相電流B相電流B相電流A相電流A相電流保護(hù)線圈測(cè)量線圈保護(hù)線圈測(cè)量線圈保護(hù)線圈測(cè)量線圈高壓側(cè)信號(hào)處理單元高壓側(cè)信號(hào)處理單元高壓側(cè)信號(hào)處理單元信號(hào)接收和分配單元低壓側(cè)信號(hào)處理單元低壓側(cè)信號(hào)處理單元低壓側(cè)信號(hào)處理單元三相保護(hù)電流至測(cè)量柜至保護(hù)柜光纖共88頁(yè)2673654211—輸電線2—傳感頭3—絕緣子串4—接線盒5—拉桿6—傳輸光纖7—電子元件電子式電流互感器現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖共88頁(yè)27正在安裝的ECT共88頁(yè)28共88頁(yè)29ECT的性能指標(biāo)電壓等級(jí)220kV母線電流600A輸出精度測(cè)量級(jí)0.2級(jí)，4V，負(fù)荷2MΩ保護(hù)級(jí)為5P20，200mV供能方式為特制線圈供能安裝方式為懸掛式達(dá)到水平：國(guó)際先進(jìn)共88頁(yè)30電流互感器的設(shè)計(jì)方案

傳感頭

Rogowski線圈（測(cè)量暫態(tài)信號(hào)－保護(hù)用）小信號(hào)鐵芯CT（測(cè)量穩(wěn)態(tài)信號(hào)－測(cè)量用）

A/D采樣及溫度補(bǔ)償電能供應(yīng)

光纖傳輸，光纖絕緣子信號(hào)接收單元電子式互感器校驗(yàn)儀共88頁(yè)31傳感頭的結(jié)構(gòu)示意圖圖3.1傳感頭結(jié)構(gòu)示意圖共88頁(yè)32電流互感器樣機(jī)（傳感頭）共88頁(yè)33傳感頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖共88頁(yè)34

傳感頭部分裝配原理示意圖1-導(dǎo)電桿、2-電源板、3-電源變壓器、4-A/D采集板、5-羅果夫斯基線圈、6-鐵芯線圈7-鐵芯線圈外圍電路板、8-金具、9-外殼共88頁(yè)35Rogowski線圈介紹Rogowski線圈實(shí)際上就是一個(gè)纏繞在非磁性骨架上的空心螺線管是測(cè)量暫態(tài)電流的一種常用工具，現(xiàn)在也有用于測(cè)穩(wěn)態(tài)電流的，供計(jì)量和保護(hù)用沒(méi)有鐵心，不會(huì)產(chǎn)生磁飽和不直接串聯(lián)在被測(cè)回路中，不會(huì)消耗被測(cè)回路的能量線圈和被測(cè)回路沒(méi)有直接的電的關(guān)系，對(duì)被測(cè)回路的影響較小共88頁(yè)36圖羅果夫斯基線圈原理圖及等效原理圖共88頁(yè)37Rogowski線圈介紹

Rogowski線圈結(jié)構(gòu)圖首先設(shè)線圈每匝中心線與導(dǎo)線中心線間的距離為r，穿過(guò)線圈每匝的磁場(chǎng)均為Br，且線圈共有n匝，每匝的面積均為S，0為真空導(dǎo)磁率，則可得：導(dǎo)線電流I(t)與Br的關(guān)系為：

感應(yīng)電壓u2(t)與I(t)的關(guān)系為：

共88頁(yè)38Rogowski線圈的幾個(gè)問(wèn)題（1）在測(cè)量小信號(hào)時(shí)，由于Rogowski線圈為空心線圈，要達(dá)到很高的準(zhǔn)確度，就要求線圈具有較多的匝數(shù)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1208－1997對(duì)電流互感器的規(guī)定，對(duì)于測(cè)量通道，應(yīng)保證在小于1.2倍額定電流的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)正常測(cè)量，誤差在規(guī)定的范圍之內(nèi)；同時(shí)對(duì)保護(hù)通道，能保證在20倍額定電流以內(nèi)能夠進(jìn)行保護(hù)監(jiān)測(cè)。假設(shè)額定電流為600A，則保護(hù)用暫態(tài)電流幅值可達(dá)600＊20＝12000A，實(shí)現(xiàn)如此大范圍內(nèi)信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量難度是很大的共88頁(yè)39Rogowski線圈的幾個(gè)問(wèn)題（2）線圈骨架的選擇水泥、大理石、花崗巖

要求：選擇線性膨脹系數(shù)小的材料做線圈骨架，隨溫度變化，形變?cè)叫≡胶?，使線圈所受影響最小Rogowski線圈的輸出信號(hào)通常比較弱，易受外界電磁場(chǎng)的干擾，應(yīng)對(duì)線圈進(jìn)行屏蔽，輸出信號(hào)用屏蔽雙絞線引出共88頁(yè)40小信號(hào)鐵芯CT（測(cè)量穩(wěn)態(tài)信號(hào)－測(cè)量用）根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1208－1997對(duì)電流互感器的規(guī)定，對(duì)于測(cè)量通道，應(yīng)保證在小于1.2倍額定電流的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)正常測(cè)量，誤差在規(guī)定的范圍之內(nèi)；鐵芯采用硅鋼片或超微晶合金材料，環(huán)形穿心結(jié)構(gòu)，沒(méi)有氣隙、漏磁少共88頁(yè)41A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換電路是整個(gè)傳感頭的核心部分要求：A/D轉(zhuǎn)換器件功耗小、采樣率足夠高線圈輸出的電流為正弦波，因此A/D轉(zhuǎn)換器件要具有雙極性輸入，串行輸出采用時(shí)分復(fù)用方式傳送下行信號(hào)共88頁(yè)42共88頁(yè)43高電位側(cè)的電源供應(yīng)問(wèn)題特制CT線圈從母線采電的供能方式

激光供能方式

蓄電池或太陽(yáng)能電池供能方式超聲電源供能方式共88頁(yè)44特制CT線圈供能方式采用接在母線上的參數(shù)變壓器獲得電壓信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行整流、濾波、穩(wěn)壓后供給后級(jí)的電子線路問(wèn)題是母線中電流變化范圍很大，從空載電流到額定電流，以及發(fā)生故障時(shí)的短路電流和雷電沖擊電流，都要求保證直流電源的可靠輸出在母線電流為零的情況下，這種方法不能提供足夠的電壓輸出來(lái)維持傳感頭的工作共88頁(yè)45共88頁(yè)46激光供能方式采用激光器從地面低電位側(cè)通過(guò)光纖將光能傳送到高電位側(cè)，再經(jīng)光電池將光能轉(zhuǎn)換成電能，再經(jīng)過(guò)DC－DC變換后，提供穩(wěn)定的電壓輸出優(yōu)點(diǎn)：紋波小、不易受外界干擾，擺脫了高壓母線電流大小和電壓高低的影響，這種供能方式的互感器可以對(duì)母線進(jìn)行故障檢測(cè)缺點(diǎn)：價(jià)格比較昂貴、壽命短、光電池轉(zhuǎn)換效率低，功率不足，要求電子線路選用低功耗元件共88頁(yè)47激光器和光電池選用半導(dǎo)體激光器（LD），波長(zhǎng)為808nm傳感頭電子線路的總功率一般在140mW或更高，電路板上DC－DC轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換效率在50%左右，光電池的轉(zhuǎn)換效率在25~30%左右，激光器應(yīng)工作在額定功率的70~80%左右，因此，要求激光器的輸出功率在1.5~2.0W比較合適目前半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)價(jià)格歐美1.8W

10000小時(shí)（1.14年）$2500國(guó)內(nèi)2.0W

5000小時(shí)（0.57年）￥3000共88頁(yè)48光纖傳輸與光纖絕緣子基本設(shè)計(jì)要求是：允許傳光光纖通過(guò)絕緣結(jié)構(gòu)；耐受相應(yīng)電壓等級(jí)的各種過(guò)電壓；具有一定的抗振能力；為了體現(xiàn)光電式電流互感器的優(yōu)點(diǎn)，絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能做到體積小重量輕另一種思路：無(wú)線傳輸，如GPRS、GSM通訊，缺點(diǎn)：盲區(qū)、故障、不獨(dú)立共88頁(yè)49共88頁(yè)50共88頁(yè)51共88頁(yè)5245678312圖嵌入光纖的合成絕緣子結(jié)構(gòu)１—備用光纖２—可拆卸連接頭３—傳輸光纖4—絕緣子金具５—芯棒６—傘裙7—護(hù)套8—硅橡膠共88頁(yè)53低壓側(cè)接線盒圖接線盒結(jié)構(gòu)示意圖1-外殼、2-進(jìn)線頭、3-加緊式出線頭、4-固定架、5、6-密封圈、7-固定螺栓、8、9-螺釘、10、11-螺母、12、13-密封圈、共88頁(yè)54共88頁(yè)55共88頁(yè)56信號(hào)接收機(jī)的主要作用將傳感頭通過(guò)光纖傳遞下來(lái)的光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，并進(jìn)行放大處理。通過(guò)兩路處理通道(一路是是采用D/A轉(zhuǎn)換器的模擬通道，一路是采用計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字通道)，對(duì)傳輸下來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理。輸出IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)共88頁(yè)57共88頁(yè)58共88頁(yè)59信號(hào)接收機(jī)的組成O/E變換部分(光電轉(zhuǎn)換)邏輯控制電路部分-提供控制信號(hào)信號(hào)接收機(jī)的模擬通道-數(shù)字還原成模擬信號(hào)信號(hào)接收機(jī)的數(shù)字通道-將數(shù)據(jù)采集進(jìn)計(jì)算機(jī)分為以下四個(gè)部分：共88頁(yè)601、O/E變換部分(光電轉(zhuǎn)換)將傳感頭傳下來(lái)的兩組信號(hào)：一組是數(shù)據(jù)信號(hào)，另一組是時(shí)鐘信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)。器件采用PIN光電二極管。放大整形電路將微弱的電信號(hào)還原成標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平信號(hào)。器件采用高精度的比較器。共88頁(yè)612、邏輯控制電路將系統(tǒng)的四路時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)分離開(kāi)來(lái)，并產(chǎn)生器件要求的時(shí)序；送入D/A轉(zhuǎn)換器和PC機(jī)接口卡，分別進(jìn)行處理。共88頁(yè)623、模擬通道-D/A轉(zhuǎn)換電路將傳感頭傳輸?shù)拇行盘?hào)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)字信號(hào)，送入到D/A轉(zhuǎn)換器件中；通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路后，輸出的模擬信號(hào)共分四路：

一路電流測(cè)量通道(來(lái)自CT線圈)；二路繼電保護(hù)通道(來(lái)自Rogowski線圈)；三路電壓監(jiān)測(cè)輸出(用于監(jiān)測(cè)供能電壓)；四路溫度測(cè)量輸出(用于監(jiān)測(cè)和誤差校正)。共88頁(yè)634、數(shù)字通道提供滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)字信號(hào)，供二次儀表使用(測(cè)量、計(jì)量或保護(hù))測(cè)量額定值：2D41H(十進(jìn)制11585)，保證測(cè)量2倍額定電流無(wú)任何溢出保護(hù)額定值：01CFH(十進(jìn)制463)，保證測(cè)量50倍額定電流無(wú)任何溢出共88頁(yè)64

電子式互感器校驗(yàn)儀的研制共88頁(yè)65電子式互感器校驗(yàn)儀的研制

傳統(tǒng)互感器校驗(yàn)儀存在的問(wèn)題

校驗(yàn)電磁式互感器的測(cè)差式互感器校驗(yàn)儀不能檢定ECT樣機(jī)。電磁式CT的二次輸出為恒流輸出，而電子式電流互感器的二次側(cè)輸出是電壓（其中測(cè)量通道4V，保護(hù)通道200mV）傳統(tǒng)校驗(yàn)儀不能校驗(yàn)數(shù)字信號(hào)。虛擬儀器技術(shù)

美國(guó)NI公司的LabVIEW軟件及各種功能的采集卡共88頁(yè)66電子式互感器校驗(yàn)儀的原理

信號(hào)調(diào)理箱將