光電式電流互感器移除式的研究

光電式電流互感器移除式的研究

目前，傳統(tǒng)的電磁式電流傳感器采用電磁感應原理，電流轉(zhuǎn)換為5a。1a，以滿足電磁繼電壓、電動式測量和測量儀表的輸入要求。其主要優(yōu)點是：簡單、可靠性高、輸出容量大，性能比較穩(wěn)定，適合長期運行，并且有長期運行的經(jīng)驗。然而，隨著電力系統(tǒng)傳輸容量的增加，電壓等級升高，傳統(tǒng)電流互感器的傳感原理出現(xiàn)了以下問題：結構日趨復雜，體積大、造價高；在故障電流下鐵芯易飽和，使二次電流值和波形失真，產(chǎn)生測量誤差；充油易爆炸而導致突然失效；若輸出端開路，產(chǎn)生高電壓對周圍設備和人員存在潛在的威脅，易受電磁干擾。因此，必須研制利用其他傳感原理的新型電流互感器。目前，在電力系統(tǒng)的保護裝置、電網(wǎng)運行監(jiān)視與控制系統(tǒng)等已基本實現(xiàn)微機化，取用功率很小，故利用其他原理實現(xiàn)電流傳感已成為可能。新型電流互感器按高、低壓部分的耦合方式，可分為無線電電磁波耦合式、電容耦合式和光電耦合式。其中，光電式電流互感器OCT(OpticalCurrentTransducer）性能最佳。1無源型pc和同源型pc的比較光電式電流互感器按其傳感原理的不同，可分為無源型OCT和有源型OCT2種。無源型OCT又可分為磁光式電流互感器（MOCT）、全光纖型MOCT以及混合型MOCT3種。1.1材料的光學特性MOCT的基本工作原理是磁光效應（即材料在外加磁場作用下呈現(xiàn)光學各向異性，使通過材料的光波偏振性質(zhì)發(fā)生改變的現(xiàn)象）。磁場作用下材料呈現(xiàn)的光學各向異性有很多種，主要有法拉第（Faraday）磁光效應和磁線偏振雙折射效應。MOCT是利用法拉第磁光效應的原理對電流進行測量。MOCT的優(yōu)點是可以通過選擇高費爾德常數(shù)的塊狀光學材料增加系統(tǒng)的靈敏度，且不受線性雙折射的影響。缺點是體積大、笨重、不易操作、光路不易控制，并且對電子電路的穩(wěn)定性要求較高。1.1.2renttransd中小型光纖的光纖特性全光纖型光電電流互感器AFOCT(AllFiberOpticalCurrentTransducer）是指傳光、傳感部分都是采用光纖，其中光纖一般選用單模光纖。它具有結構簡單、靈敏度可隨光纖長度變化等優(yōu)點，但在實現(xiàn)掛網(wǎng)過程中遇到提高精確度與長期穩(wěn)定性的復雜問題，還需在理論與工藝性能等方面深入研究。1.1.3光學材料的選擇混合型MOCT是指傳光采用光纖、傳感采用磁光材料，一般采用磁光玻璃。其優(yōu)點是光程短而簡單，只需要一小塊塊狀光學材料，可選用高費爾德常數(shù)的光學材料、減小磁間隙提高靈敏度，且易對現(xiàn)有電流互感器進行更新改進。缺點是絕緣性差、有磁飽和效應、對附近導線比較敏感，磁場在空隙處不均勻會導致設備的靈敏度依賴于傳感元件位置。1.1.4傳統(tǒng)電流傳感技術在多光路誤差測量原理下的問題無源型OCT較之傳統(tǒng)電流互感器有以下優(yōu)點：a.絕緣性能好，用做傳感材料和傳輸信號的光纖是良好的絕緣材料；b.不含油，沒有爆炸危險；c.受電磁干擾影響?。籨.不含鐵芯，沒有磁共振、磁飽和及大電感引起的滯后現(xiàn)象；e.無開路導致高壓的危險；f.體積小、重量輕、結構簡單；g.測量頻帶寬，由于光通過傳感器部分只需要微秒級時間，因而頻帶寬度完全由信號處理部分電子線路響應速度決定；h.動態(tài)范圍大，可在相當寬的電流范圍內(nèi)保持良好的線性特性。雖然MOCT已經(jīng)達到實用化的程度，但是要取代傳統(tǒng)的電流互感器還存在4個問題。a.雙折射效應影響。使檢偏器的輸出光強度變化不與被測電流成正比，影響靈敏度和測量精度。b.干擾問題。因采用磁光效應原理，易受導體周圍磁場的影響而產(chǎn)生干擾問題，造成測量誤差。c.溫度影響。MOCT的重要部件是Faraday晶體，其特性隨溫度的變化而變化，會給測量系統(tǒng)帶來一定的誤差。d.振動問題。當測量的光學系統(tǒng)受到電路的開關動作、環(huán)境或人為干擾時，就會產(chǎn)生振動。1.2電子傳感頭的供電電源有源型OCT又稱為電子式光纖電流互感器，與磁光式電流互感器的主要不同之處是它在高電位側的傳感頭采用電子器件，而不是磁光晶體或光纖，因此，高電位側必須有相應的供電電源。根據(jù)傳感頭的采樣方式以及信號調(diào)制方式的不同，有源型OCT可以分為調(diào)幅電子式、壓頻轉(zhuǎn)換采樣式（即VFC式）和AD轉(zhuǎn)換式（即ADC式）3種。1.2.1校正信號的傳遞如圖1所示，電/光（E/O）變換部分和采樣線圈以及校正信號發(fā)生器相接。濾波器接收光/電（O/E）變換的輸出，它將工作信號和校正信號分開，工作信號直接連到放大器的輸入，再通過解調(diào)器和負載將電流信號還原，而校正信號則通過校正信號解調(diào)器后連接到影響放大器放大系數(shù)的元件上。這樣校正信號應在頻率、時間或振幅等特征的所有變化范圍之內(nèi)與工作信號區(qū)分開來。如果在任一外部條件下，規(guī)定了一定的放大器放大系數(shù)，那么外部介質(zhì)條件的改變，包括溫度、壓力等因素對工作信號和校正信號的傳遞系數(shù)有同樣的影響。因此，校正信號解調(diào)器的輸出電平與影響放大器放大系數(shù)的變化參數(shù)相應地變化，以保持測量裝置的輸出工作信號保持不變。調(diào)幅電子式電流互感器的主要優(yōu)點是結構比較簡單，相角誤差可以通過調(diào)節(jié)放大電路的內(nèi)部相移而減小。但是，由于光纖傳輸?shù)氖悄M信號，溫度和其他噪聲因素對電路的影響比較大，系統(tǒng)工作不夠穩(wěn)定，因此應用時有一定的困難。1.2.2電脈沖信號轉(zhuǎn)換電路：v/f變換器，包括主VFC有源光電式電流互感器結構如圖2所示。圖中，線電流經(jīng)過采樣線圈后進入電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路，即V/F轉(zhuǎn)換部分，經(jīng)過V/F轉(zhuǎn)換后，電流的變化將被轉(zhuǎn)變成為脈沖頻率的變化，這一電脈沖信號經(jīng)過E/O變換器件變換后，變?yōu)楣饷}沖，經(jīng)過光纖傳到地電位側。地電位側的O/E變換器件將光信號還原成為電信號，經(jīng)過放大器的放大后進入頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路，即F/V轉(zhuǎn)換部分，這樣，母線側的電流信號就可以變成為可以反映在示波器上的模擬信號。另外，也可以將該電信號送入單片機或微機進行信號處理，完成繼電保護、在線檢測等功能。采用V/F變換器的主要優(yōu)點是：結構簡單，相對而言占用的計算機資源比較少；精確度、抗干擾性能比較高；比較適合信號的遠距離傳輸；容易滿足同時傳輸多路信號的要求。1.2.3ad轉(zhuǎn)換器件ADC光電式電流互感器結構如圖3所示。ADC與VFC式結構類似，但它又有2個特點。a.高電位側用AD變換器取代了V/F變換器，低電位側用DA變換器取代了F/V變換器，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號驅(qū)動LED通過光纖將光信號串行傳輸?shù)降碗娢粋龋?jīng)過放大器的放大后，再由DA轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號還原成為模擬信號。目前，集成電路工業(yè)的發(fā)展使得高電位側采用AD轉(zhuǎn)換器件進行采樣成為可能。b.由于AD轉(zhuǎn)換器件對時序的要求，必須在高電位側加上時序控制電路。在目前情況下，光纖的傳輸一般采用多路頻分復用和多路時分復用2種方式，因此為了將多路信號傳輸?shù)降碗娢粋?，必須采?根光纖傳遞信息，一路是時鐘信號，而另一路是數(shù)據(jù)采樣信號。ADC光電式電流互感器的主要優(yōu)點在于:目前的AD變換器的轉(zhuǎn)換精度比較高，可以通過選用合適的AD變換器滿足系統(tǒng)對精度的要求；傳感頭的功耗比較??；接收端的電路相對比較簡單，可以直接和計算機進行數(shù)據(jù)通信。1.2.4高電位側傳感頭電子線路應用難點有源型光電電流互感器的優(yōu)點是：簡單、尺寸小、造價低、精度高，設備安裝、檢修方便，運行安全，有利于變電站綜合自動化水平的提高，測量動態(tài)范圍寬、靈敏度高。因此，在現(xiàn)代電子器件可靠性高、性能穩(wěn)定的條件下易于實現(xiàn)精度高、輸出大的實用性產(chǎn)品。在研制過程中面臨的主要問題是高電位側傳感頭的電源供應問題和電磁兼容問題。由于傳感頭完全采用電子線路，而它的電源供應是通過光電池等O/E轉(zhuǎn)換器件得到的，如果傳感頭電子線路消耗能量過大，則要求能量提供單元提供更高的能量輸出，這將使整個系統(tǒng)的結構復雜化。因此，應該盡量減小電子線路的功率消耗，以有限的能量實現(xiàn)較為完整的功能。此外，由于傳感頭安裝在高壓輸電線路附近，電流流過母線將會引起空間強大的電磁輻射，這些輻射將對傳感頭電子線路產(chǎn)生比較強的電磁干擾，影響系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。因此，對傳感頭采用適當?shù)目垢蓴_措施和電