電流互感器分類及原理

電流互感器分類及原理電流互感器分類及原理1、電流互感器(CurrentTransformer，CT)電力系統(tǒng)電能計量和保護控制的重要設備，是電力系統(tǒng)電能計量、繼電保護、系統(tǒng)診斷與監(jiān)測分析的重要組成部分，其測量精度、運行可靠性是實現(xiàn)電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行的前提。目前在電力系統(tǒng)中廣泛應用的是電磁式電流互感器。2、電流互感器國標(GB1208-87S)1）準確級：以該準確級在額定電流下所規(guī)定的最大允許電流誤差百分數(shù)標稱。2）測量用電流互感器的標準準確級有：0.1、0.2、0.5、1、3、5；特殊要求的電流互感器的準確級有：0.2S和0.5S；保護用電流互感器準確級有：5P和10P兩級。3、電磁式電流互感器1）原理：一次線圈串聯(lián)于被測電流線路中，二次線圈串接電流測量設備，一二次側(cè)線圈繞在同一鐵芯上，通過鐵芯的磁耦合實現(xiàn)一次二次側(cè)之間的電流傳感過程。一二次側(cè)線圈之間以及線圈與鐵芯之間要采取一定的絕緣措施，以保證一次側(cè)與二次側(cè)之間的電氣隔離。根據(jù)應用場合以及被測電流大小的不同，通過合理改變一二次側(cè)線圈匝數(shù)比可以將一次側(cè)電流值按比例變換成標準的1A或5A電流值，用于驅(qū)動二次側(cè)電器設備或供測量儀表使用。2）缺點：①.絕緣要求復雜，體積大，造價高，維護工作量大；②.輸出端開路產(chǎn)生的高電壓對周圍人員和設備存在潛在的威脅；③.固有的磁飽和、鐵磁諧振、動態(tài)范圍小、頻率響應范圍窄；④.輸出信號不能直接和微機相連，難以適應電力系統(tǒng)自動化、數(shù)字化的發(fā)展趨勢。4、電子式電流互感器1）特征：①.可以采用傳統(tǒng)電流互感器、霍爾傳感器、空心線圈（或稱為Rogowskicoils）或光學裝置作為一次電流傳感器，產(chǎn)生與一次電流相對應的信號；②.可以利用光纖作為一次轉(zhuǎn)換器和二次轉(zhuǎn)換器之間的信號傳輸介質(zhì)；③.二次轉(zhuǎn)換器的輸出可以是模擬量電壓信號或數(shù)字量。2）分類（1）按傳感原理的不同劃分：光學電流互感器和光電式電流互感器I、光學電流互感器(OpticalCurrentTransformer，簡稱OCT)原理：傳感器完全基于光學技術和光學器件來實現(xiàn)。II、光電式電流互感器(Opto-ElectronicCurrentTransformer，簡稱OECT)原理：傳感部分采用電子器件而信號的傳輸采用光學器件和光學技術，是光電子技術的結(jié)合。（2）按傳感側(cè)是否需要電源劃分：無源型電流互感器和有源型電流互感器I、無源型電流互感器：光學電流互感器的傳感和傳輸部分均采用無源光學器件，其利用Farady磁光效應，傳感和傳輸信號都是來自二次側(cè)的光信號，一次側(cè)不需要額外能量供給。因此光學電流互感器屬于無源型電流互感器。II、有源型電流互感器：一種基于傳統(tǒng)電流傳感原理、采用有源器件調(diào)制技術、由光纖將高壓端轉(zhuǎn)換得到的光信號傳送到低壓端解調(diào)處理并得到被測電流信號的新型電流互感器、由于其電路需要工作電源，故稱為有源式光電電流互感器。因此光電式電流互感器屬于有源型電流互感器。國際電工委員會統(tǒng)一標準，按照傳感機理將其分為三類：光學電流互感器、低功率電流互感器、空芯電流互感器。3）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：4）優(yōu)點：①.優(yōu)良的絕緣性能，造價低；②.不含鐵芯，消除了磁飽和等問題；③.抗電磁干擾性能好，低壓側(cè)無開路高壓危險；④.頻率響應范圍寬，動態(tài)響應范圍大；⑤.無易燃、易爆炸等危險；⑥.積小、重量輕，給運輸和安裝帶來很大方便；⑦.適應電力計量與保護數(shù)字化、微機化和自動化發(fā)展的潮流；⑧.節(jié)省大量貴重金屬材料，對保證電力設備的運行安全具有極其重要的社會意義和經(jīng)濟價值。5）主要問題（1）無源電子式存在的問題：①.溫漂問題。工作環(huán)境溫度變化導致Faraday磁光材料發(fā)生雙折射現(xiàn)象，雙折射對輸出光強產(chǎn)生影響，降低了系統(tǒng)測量準確度而無法滿足電力系統(tǒng)計量的要求。②.長期運行穩(wěn)定性問題。采用雙層光路傳感結(jié)構(gòu)的塊狀玻璃式無源電子式電流互感器運行較長時間之后，輸出光強明顯減弱，最終失去測量電流的功能。（2）空心線圈有源電子式存在的問題：①.線圈的結(jié)構(gòu)及制造工藝對測量準確度影響很大。普通空心線圈的設計準確度最高可達0.1%，實際應用時僅為1～3%，批量生產(chǎn)時分散性較大。②.線圈和一次母線的相對位置變化對測量準確度有一定的影響，其程度取決于線圈的結(jié)構(gòu)、制造工藝以及相對位置變化的大小。③.環(huán)境溫度變化對線圈截面積的變化；④.工作環(huán)境中復雜強大的電磁干擾。解決方法：用金屬薄片包住測量線圈⑤.振動使線圈與母線相對位置發(fā)生變化。解決方法：將整個傳感部分采用高壓絕緣導熱材料澆注密封，形成一體化結(jié)構(gòu)。5、電子式電流互感器—光學電流互感器(OCT)：1）基于法拉第效應的光學電流互感器：利用法拉第磁光效應進行電流傳感的磁光玻璃型電子式電流互感器，其特點：一次傳感器為磁光玻璃，無需電源供電。其示意圖如下：基于法拉第效應的光學電流互感器示意圖2）法拉第磁光效應：法拉第磁光效應原理示意圖如果通過一次導線的電流為i，導線周圍所產(chǎn)生的磁場強度為H，當一束線偏陣光通過該磁場時，線偏陣光的偏振角度會發(fā)生偏振，其偏振角θ的計算公式為：LVHdlθ=?式中：V為磁光玻璃的verdet常數(shù)，L為光線在磁光玻璃中的通光路徑長度。3）法拉第磁光效應在電子式電流互感器中的應用：無源磁光玻璃型電子式電流互感器在電子式電流互感器中將L設計為環(huán)路，由法拉第磁光效應原理，則：LVHdlθ=?根據(jù)安培環(huán)路定律，在環(huán)路中LIVHdl=?可推出：VIθ=根據(jù)馬呂斯定律，在圖中：()210sinJJα?θ=+()220cosJJα?θ=+式中：0J為輸入光強1J、2J為經(jīng)檢偏器分出的兩條光強α為光路中的光強衰減系數(shù)?為起偏器與檢偏器夾角（為常數(shù)）則：()()1212/JJJJ-+=()cos2?θ-+=()sin2θ=()sin2VI2VI≈則可得出：()12122JJIVJJ-=+4）二次處理系統(tǒng)模塊和接口連接模塊：二次處理系統(tǒng)模塊模擬接口連接模塊數(shù)字接口連接模塊5）基于法拉第效應的光學電流互感器的缺點：①.由于目前尚沒有高精度側(cè)量偏振面旋轉(zhuǎn)角度的檢側(cè)裝置，所以通常采用檢偏器將線偏振光的偏振面角度變化的信息轉(zhuǎn)化為光強變化的信息，然后通過光電管將光強度信號變成電強度信號，以便于檢測和處理；②.要求磁光晶體傳感頭具有較穩(wěn)定的作條件，傳感頭能夠在外界應力、溫度等條件變化的情況下保持較穩(wěn)定的verdet常數(shù)；③.對系統(tǒng)的電子電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求也較高。6）基于光纖干涉效應或全光纖效應的全光纖電流互感器全光纖型光電電流互感器：其信號傳感和傳輸部分都采用光纖。優(yōu)點是傳感頭結(jié)構(gòu)非常簡單，比基于法拉第效應的磁光式電流互感器容易制造，精度、壽命及可靠性也比較高。但缺點是這種互感器需要的是比較特殊的保偏光纖，否則線偏振光進入光纖后會很快變成任意偏振方向的光，對信號測量產(chǎn)生很大影響，而要做出有高穩(wěn)定性的保偏光纖很困難，造價比較高，阻礙了這種電流互感器的實用化進程。6、電子式電流互感器—基于羅柯夫斯基（Rogowski）線圈的空芯電流互感器基于Rogowski線圈空芯電流互感器示意圖1）基本原理：Rogowski線圈是一個由漆包線繞制的非磁性環(huán)形空心螺線管。被測量的載流導體從空心線圈的中心軸垂直線圈平面穿過，則在線圈兩端感應出正比于被測電流對時間微分的感應電動勢。按照線圈截面形狀分：圓形截面Rogowski線圈、矩形截面Rogowski線圈。圓形截Rogowski線圈矩形截面Rogowski線圈2）優(yōu)點主要表現(xiàn)在：①.測量精度高：精度可設計到高于0.1%，一般為0.5%-1%②.測量范圍寬：沒有鐵心飽和，繞組可用來測量的電流范圍可從幾安培到幾千安培③.頻率范圍寬：一般可設計到0.1Hz到1MHz，特殊的可達200MHz的帶通④.可測量其它技術不能使用的受限制領域的小電流⑤.生產(chǎn)制造成本低3）制作Rogowski線圈的注意事項①.互感M足夠大，提供的信號超過可能存在的干擾電平，但同時線圈繞組輸出電壓不能過大，以免擊穿線圈匝間絕緣。②.為了達到高的精確度，骨架截面做成圓形。骨架的半徑不能太大。③.骨架精加工，截面積均勻，線匝均勻密繞并與磁通方向垂直。這樣制作的線圈為無定向結(jié)構(gòu)，在復雜外界磁場下也能夠準確測量被測電流，且母線在線圈內(nèi)的相對位置變化時引起的誤差足夠小。④.線圈外加一層金屬屏蔽，以減少外加雜散磁場的影響。屏蔽層不可以形成回路，否則將沿屏蔽層形成環(huán)流，對一次側(cè)電流形成的磁場起抵消作用。⑤.考慮到長期運行、外界環(huán)境對溫度穩(wěn)定性的要求，選用熱膨脹系數(shù)盡可能小的材料制成骨架。⑥.選用的漆包線不能過細，以免繞制過程中發(fā)生斷線。⑦.骨架直徑尺寸大于10倍的線圈厚度。4）影響Rogowski線圈測量精度的因素①.Rogowski線圈的電阻R，任何造成電阻R改變的因素都是傳感部分的誤差來源。選擇大的采樣電阻R，有助于減小它對測量的影響。②.Rogowski線圈的互感M，它與它與線圈的結(jié)構(gòu)密切相關，環(huán)境的擾動（如振動引起結(jié)構(gòu)松散或溫度引起的熱脹冷縮）將改變這一參數(shù)，引起誤差。在繞制Rogowski線圈時盡量使結(jié)構(gòu)堅固、緊密，從而增強線圈適應環(huán)境變化的能力。采取這些措施，線圈的測量精度可以達到0.1%。③.被還原的電流大小，還與電路電阻、電容、放大器基準電壓等有關，任意參數(shù)改變都產(chǎn)生誤差，參數(shù)的變化主要是由元件的溫度漂移引起的，所以應該選用溫度穩(wěn)定性好的元件，電阻采用精密電阻，電容采用云母電容。5）壓頻轉(zhuǎn)換式有源型電流互感器壓頻轉(zhuǎn)換式：采樣線圈將流過母線的電流轉(zhuǎn)化為電壓信號，通過壓頻轉(zhuǎn)換電路，即V/F轉(zhuǎn)換部分，經(jīng)過V/F轉(zhuǎn)換后電壓的變化將轉(zhuǎn)換為脈沖頻率的變化。電脈沖信號經(jīng)過電光變換器件(E/O變換)后，變?yōu)楣庑盘?，?jīng)過光纖傳到低壓端，低壓端的光電轉(zhuǎn)換器件(O/E轉(zhuǎn)換)將光信號還原成電信號，再經(jīng)過頻壓轉(zhuǎn)換電路即那轉(zhuǎn)換部分后，通過信號處理單元最后進行顯示，其示意圖如下。壓頻轉(zhuǎn)換式電流互感器的示意圖壓頻轉(zhuǎn)換式電流互感器的主要優(yōu)點是①結(jié)構(gòu)簡單。②精確度和抗干擾性能比較高。③比較適合信號遠距離傳輸。④可以減少低壓端和高壓端之間連接光纖的數(shù)量。⑤集成化V/F,F/V轉(zhuǎn)換芯片ADVFC32，但正常工作功耗較大，使整個系統(tǒng)的起始工作的最小電力母線電流變大，減小了系統(tǒng)的測量范圍。6）A/D轉(zhuǎn)換式有源型電流互感器A/D轉(zhuǎn)換式：整個系統(tǒng)分為高壓端和低壓端兩個部分。高低壓端之間采用光纖進行連接，高壓端包括采樣線圈、積分電路、高壓端供電電源、A/D轉(zhuǎn)換、時序電路和E/O轉(zhuǎn)換等模塊。低壓端包括O/E轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換和信號處理電路等模塊。高壓端將采樣線圈取得的電壓信號送入電子轉(zhuǎn)換電路中，電子轉(zhuǎn)換