有源電子式電流互感器的設(shè)計(jì)

有源電子式電流互感器的設(shè)計(jì)

0電子式電流整體傳感關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)在，電氣系統(tǒng)中使用的電磁感應(yīng)電流傳感器（ct）用于測量電流，已有100多年的歷史。但是,隨著電力系統(tǒng)電壓等級的不斷升高,傳輸?shù)碾娏θ萘吭絹碓酱?傳統(tǒng)的CT因其傳感機(jī)理呈現(xiàn)出自身不可克服的問題。更重要的是,目前用于變電站的監(jiān)視、控制、保護(hù)包括故障錄波、安全控制裝置等,雖然已實(shí)現(xiàn)了微機(jī)數(shù)字化,但由于提供一次部分信息的互感器輸出為大電流(1A或5A),不能提供與數(shù)字系統(tǒng)相匹配的數(shù)字信號輸出,使得站內(nèi)二次聯(lián)線復(fù)雜,微機(jī)裝置固有的高可靠性被錯(cuò)綜復(fù)雜的二次聯(lián)線所抵消。而電子式互感器能夠直接提供數(shù)字信號給計(jì)量、保護(hù)裝置,簡化二次設(shè)備,提高整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和可靠性。這一技術(shù)上的創(chuàng)新將有助于二次設(shè)備的系統(tǒng)集成,加速整個(gè)變電站的數(shù)字化和信息化進(jìn)程,并引發(fā)電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置和保護(hù)方式的重大變革。根據(jù)IEC60044-8,從測量原理分類,電子式電流互感器包含了光學(xué)電流互感器、空芯電流互感器(又稱為Rogowski線圈)及低功率型電流互感器3種。從應(yīng)用的電壓等級分類,可分成中壓(10~35kV)、高壓(110kV及以上)、超高壓(500kV及以上)等?，F(xiàn)階段實(shí)用化的高壓電子式電流互感器,又稱為有源電子式電流互感器,主要是以空芯線圈為保護(hù)通道傳感單元,低功率鐵芯線圈為測量通道傳感單元。高壓側(cè)的供能方法一般采取復(fù)合供能的方式:一次被測電流較大時(shí),采用高壓側(cè)輔助CT給高壓側(cè)的調(diào)制電路供電,一次電流較小時(shí),CT供能切換成激光供能,即低壓側(cè)的半導(dǎo)體激光器通過供能光纖給高壓側(cè)的調(diào)制電路供電。調(diào)制電路將高壓側(cè)的含有被測電流信息的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,并將測量和保護(hù)通道的信號復(fù)合成一路后,驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管,通過信號傳輸光纖以光脈沖的形式傳輸至低壓側(cè)的合并單元。主要介紹有源電子式電流互感器涉及到的關(guān)鍵技術(shù):空芯線圈、暫態(tài)特性、高壓側(cè)供能及可靠性設(shè)計(jì)等。1空芯電流傳感頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)互感器的繞制方法不同,為了獲得高測量準(zhǔn)確度,空芯線圈繞制時(shí)必須遵循以下原則:二次繞組在一定大小的截面均勻的非鐵磁材料骨架上均勻分布;每一匝繞組的形狀完全相同;每一匝繞組所在平面垂直于線圈包絡(luò)線在該點(diǎn)的切線方向。否則將引入較大的測量誤差。實(shí)際制作時(shí),由于是半手工繞制,往往不能完全滿足上述要求,使得空芯電流互感器批量生產(chǎn)時(shí)的性能分散性較大,一般空芯線圈的設(shè)計(jì)精度最高可達(dá)到0.1%,實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常為1%~3%。且容易受到溫度的影響而產(chǎn)生漂移。由于IEC標(biāo)準(zhǔn)中對傳感單元在額定電流時(shí)的二次輸出是有明確數(shù)值要求的,所有輸出偏離值都被計(jì)入測量誤差,為了解決空芯電流互感器實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的分散性,以至于在IEC60044-8中不得不特別允許采用一個(gè)標(biāo)記為Ra的電阻來調(diào)整二次輸出的大小。生產(chǎn)工藝是阻礙空芯電流互感器產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)關(guān)鍵問題,必須探索新的空芯線圈傳感頭結(jié)構(gòu),從原理上發(fā)掘解決這一問題的根本方法。研究人員通過采用印刷電路板技術(shù)設(shè)計(jì)了多種空芯線圈的新結(jié)構(gòu),見圖1和圖2。該新結(jié)構(gòu)大大提高了測量準(zhǔn)確度,已報(bào)道的最高準(zhǔn)確度可以達(dá)到0.2S級,使得空芯線圈可以用于計(jì)量,同時(shí)測量的穩(wěn)定性也大為提高。2暫態(tài)誤差的影響在電壓等級高(220kV以上)的電網(wǎng)中,由于系統(tǒng)容量大,一次回路時(shí)間常數(shù)T1較大(如60~100mS),短路電流暫態(tài)過程較長,如4~5T1,繼電保護(hù)裝置啟動(dòng)將發(fā)生在短路電流的暫態(tài)過程中,為了保證保護(hù)裝置的正確動(dòng)作,要求互感器以較小的失真將一次故障電流變換為二次暫態(tài)輸出信號,互感器在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)的暫態(tài)誤差不能超過規(guī)定限值?；诳招揪€圈的電子式電流互感器的暫態(tài)特性一直是該類互感器最突出的優(yōu)點(diǎn)。但是,由空芯線圈的傳感原理決定,必須采用積分器還原被測電流信號,而積分器的時(shí)間常數(shù)有限,以至于系統(tǒng)短路存在非周期分量的時(shí)候,其暫態(tài)誤差特性取決于測量的下限頻率,而不是上限頻率。下限頻率越低,則跟蹤得越好,誤差越小。例如,如果系統(tǒng)短路時(shí)的非周期分量在0.5s內(nèi)能衰減完畢,設(shè)計(jì)的電流互感器的下限頻率必須到2Hz甚至更低,才能更好地跟蹤衰減周期長達(dá)0.5s的非周期分量,暫態(tài)誤差特性將得到保證。所以,測量的下限頻率越低,暫態(tài)特性越好。但分閘后,一次電流為零時(shí),暫態(tài)特性越好的空芯電流互感器,其積分器輸出信號衰減得越慢,如果輸出沒有完全到零時(shí)系統(tǒng)重合閘,則不可避免地帶來測量誤差。因此積分器性能的綜合設(shè)計(jì)和優(yōu)化是直接關(guān)系到空芯電流互感器暫態(tài)特性的關(guān)鍵技術(shù)。西安高壓電器研究所可以進(jìn)行互感器暫態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)。3概述光譜圖像半導(dǎo)體激光器最初在高壓下,空芯電流互感器采用懸浮式電源變換器的供電方式(簡稱小CT方式)從一次導(dǎo)線上取能量。一般情況下,對一次側(cè)的電子電路單元能提供足夠的電能。但當(dāng)一次電流很小,如低至額定電流的5%甚至1%以下時(shí),電源變換器則不足以維持正常的激勵(lì)狀態(tài),無法供出能量,存在著小電流供電死區(qū),可能使電子式互感器無法正常工作。后來發(fā)展為采用低壓側(cè)的半導(dǎo)體激光器通過供能光纖給高壓側(cè)的調(diào)制電路供電,但存在的關(guān)鍵問題是高壓側(cè)工作的電路功耗過大,60mW左右。當(dāng)然功耗可能進(jìn)一步降低,但功耗的降低意味著互感器的性能將會隨之降低,在功耗和性能之間必須尋求一個(gè)最佳的平衡點(diǎn)。一般光電轉(zhuǎn)換的效率較高時(shí)為30%,這就要求光源(半導(dǎo)體激光器)的出纖功率至少達(dá)到180mW以上,而出纖功率在這種數(shù)量級的光源,一般壽命較短,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電力系統(tǒng)對互感器的壽命要求(30年),同時(shí)其成本非常昂貴,這是阻礙電子式電流互感器產(chǎn)業(yè)化的另外一個(gè)關(guān)鍵因素。所以,目前高壓側(cè)的供能方法一般是采取復(fù)合供能的方式:一次電流較大時(shí),采用CT供電方式;一次電流較小時(shí),采用激光供能方式。這種方法可以盡量降低大功率激光器工作的時(shí)間,延長其壽命。但是,也存在兩個(gè)問題:①線路檢修后合閘時(shí),CT供能需要有一個(gè)較長的建立時(shí)間,此時(shí)只能依靠激光供能,但如果此時(shí)激光器失效,將直接導(dǎo)致互感器不能正常工作,所以,一般要求采用兩個(gè)激光器:一用一備,但這進(jìn)一步加大了成本。②CT和激光器的切換控制,必須有一個(gè)合理的控制策略,不能出現(xiàn)供能的“真空”,即一個(gè)切換了,另外一個(gè)還沒有開始供能,所以需要實(shí)現(xiàn)兩種方式切換的預(yù)判。并且,CT供能方式還需要考慮系統(tǒng)短路時(shí),一次短路電流的沖擊可能造成CT的損壞。這些因素的存在將直接導(dǎo)致供能系統(tǒng)比較復(fù)雜,可靠性降低。4器技術(shù)難度分析如前所述,電子式互感器具有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)互感器的諸多特點(diǎn),但由于電子式互感器包含了傳感技術(shù)、電子技術(shù)、高電壓技術(shù)、光電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多學(xué)科交叉領(lǐng)域的知識體系,其整體技術(shù)難度較大。電子式互感器最終能否全面替代傳統(tǒng)互感器,取決于其長期運(yùn)行的可靠性。電子式互感器可靠性設(shè)計(jì)包含以下主要內(nèi)容。4.3次短路時(shí)大電流沖擊采用CT供電或CT復(fù)合型供電的電子式互感器,需要采取保護(hù)措施,使得一次短路時(shí)的大電流沖擊不會對供能CT構(gòu)成損壞。同時(shí),還必須考慮一次短路電流對低功率鐵芯線圈后續(xù)取樣電路的沖擊及較大的di/dt對空芯線圈后續(xù)保護(hù)通道電子電路的沖擊。4.4激光在運(yùn)行維護(hù)中的影響由于采用了大功率激光器供能,必須采取保護(hù)措施,以防大功率激光在運(yùn)行維護(hù)中可能對運(yùn)行維護(hù)人員造成的傷害。推薦的方法:在大功率激光器正常工作時(shí),一旦檢測到電源模塊掉電,立刻停止激光器的工作,以防供能光纖回路出現(xiàn)問題危及人員安全。5設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究電子式互感器是目前被廣泛關(guān)注的新型電力設(shè)備,而其中關(guān)鍵技術(shù)