一種電子式互感器的設計

一種電子式互感器的設計

1鐵心磁滯回線問題傳統(tǒng)的電流和電壓測量是基于應用電磁感應原理的電流傳感器（ta）、電壓傳感器（t）和電子壓力分壓器將電壓和電壓轉(zhuǎn)換為0.5a和0.100v。隨著電力系統(tǒng)容量的不斷增大和電網(wǎng)運行電壓等級的提高,傳統(tǒng)的電磁式TA和TV面臨如下一些突出問題:絕緣技術復雜、成本高、體積大而笨重;互感器鐵心在故障狀態(tài)下的飽和限制了TA和TV的動態(tài)響應精度;由于鐵心磁飽和及磁滯回線的影響,TA的暫態(tài)輸出電流嚴重畸變,甚至可能嚴重影響電網(wǎng)的安全運行;TA輸出端不能開路,TV可能產(chǎn)生鐵磁諧振,出現(xiàn)過電壓危及電氣設備的運行安全。另一方面,已在電力系統(tǒng)中廣泛應用的以微處理器為基礎的數(shù)字繼電保護裝置、電網(wǎng)運行監(jiān)視與控制系統(tǒng)以及發(fā)電機勵磁裝置等,不再需要大功率驅(qū)動,僅需±5V的電壓信號和μA或mA級的電流信號就可以了,即系統(tǒng)對互感器的參數(shù)要求發(fā)生了變化,實質(zhì)上需要的是電量傳感器。在這種背景下,新型電壓和電流測量技術的研究成為電力系統(tǒng)中的一個熱點。新型互感器的開發(fā)與電子技術的發(fā)展密切相關,根據(jù)IEC標準,這類依賴于電子技術、光學技術、現(xiàn)代信號處理技術的電壓、電流變送器統(tǒng)稱為電子式電壓互感器(ETV)和電子式電流互感器(ETA)。2電子表達的性能2.1次側(cè)到二次側(cè)的傳輸ETA、ETV的基本組成如圖1所示,圖中所列出的部件并非都是必需的,要根據(jù)所采用的技術確定所需的部件?；舅枷胧菍⒁淮蝹?cè)高電壓、大電流轉(zhuǎn)變成方便傳輸?shù)男盘?一般為數(shù)字信號或頻率變換信號,經(jīng)傳輸系統(tǒng)送到二次側(cè),在二次側(cè)作一定的處理后,再以模擬量或數(shù)字量形式輸出,供測量和保護用。一次電流傳感器可采用光學元件,也可采用空心線圈或負載固定聯(lián)接的鐵心線圈。一次電壓傳感器可采用光學元件,也可采用精密電阻或電容分壓器。一次側(cè)到二次側(cè)的傳輸一般使用光纖,這是因為光纖可以實現(xiàn)高、低壓側(cè)的電氣隔離,又具有很強的抗電磁干擾能力。二次變換器的任務是將信號變換成與被測電流、電壓成比例的信號或放大的、可通信的數(shù)字信號,供測量和保護用。根據(jù)實際需要,二次變換器可以在現(xiàn)場完成,也可以將信號傳輸?shù)娇刂剖液?在控制室完成。2.2無源光電整體傳感關鍵技術根據(jù)傳感頭部分是否需要電源,電子式互感器分為有源型和無源型兩大類。無源型電子式互感器就是傳感器部分沒有電源供電的光電電流、電壓測量裝置。這種互感器利用光學元件作為傳感器,光纖既是信號傳輸通道,有時又直接作為傳感元件。無源型電子式互感器的種類很多,所利用的物理效應也很多。如Pockels效應、Kerr效應、逆壓電效應、磁致伸縮效應、Farady磁光效應、電熱效應等類型。其中利用Pockels效應測量電壓,利用Farady效應測量電流的方法最直接,且裝置最簡單、精度高,所以應用范圍最廣,研究力度也最大,是最具發(fā)展?jié)摿Φ臒o源光電互感器。有源型電子式互感器在一次側(cè)需要電源供電,它是通過一次側(cè)的采樣傳感器對電流、電壓信號取樣,利用有源器件調(diào)制技術,以光纖作為信號通道,把一次側(cè)轉(zhuǎn)換的光信號傳送到地面進行信號處理,還原得到被測信號。這種互感器的特點是:利用光纖系統(tǒng)提供的高絕緣性、抗電磁干擾強的優(yōu)點,顯著地降低了電流互感器的制造成本,減少了體積和重量,充分發(fā)揮了被電力工業(yè)界廣泛接受的常規(guī)電流測量裝置的優(yōu)勢,同時還避免了光學傳感頭光路的復雜性及對溫度、外界振動敏感等技術難點。有源電子式互感器的特點決定了它在實用化道路上的優(yōu)勢,本文介紹的就是這種傳光型有源電子式互感器。3樣機組成和系統(tǒng)原理數(shù)字調(diào)制式電流互感器概念的提出已近半個世紀了,但受元器件的限制一直沒有發(fā)展起來。近年來ABB公司、德國RITZ公司都有一些不同類型電子式電流互感器和電子式電壓互感器產(chǎn)品的報道。我們研制了220kV/1250A系統(tǒng)的有源電子式電流/電壓互感器,樣機總體結(jié)構(gòu)如圖2所示?；ジ衅飨到y(tǒng)由電流測量單元和電壓測量單元兩部分組成。前者采用羅柯夫斯基線圈作為電流傳感器,有源電子器件實現(xiàn)信號的數(shù)字調(diào)制;后者采用電容分壓器作為電壓傳感器。高壓端電子線路電源由一個輔助電源感應線圈直接從母線上獲取。羅氏線圈和電源感應線圈安裝在母線上。高壓端信號調(diào)制和電源調(diào)理電路板置于一個鐵磁屏蔽盒中。電流信號在高壓端經(jīng)A/D變換、E/O變換后調(diào)制成光信號,通過光纖傳送到低電位端。根據(jù)需要,可以將信號繼續(xù)用光纖傳送到遠方的控制室,也可以就地經(jīng)O/E、D/A變換,放大成模擬電流信號。母線電壓經(jīng)電容分壓器變換成低壓信號后,調(diào)制成光信號,經(jīng)光纖傳送到控制室,也可以就地經(jīng)校準、溫度補償后,給出模擬電壓信號。一個陶瓷套管既用作高壓部分元件的絕緣支撐,同時又是傳輸電流信號的光纖和電容分壓器的通道。3.1光電傳感技術在有源電子式互感器中,作為一次電流采樣傳感頭的元件有很多種,有傳統(tǒng)的電磁式電流互感器、特別設計的小信號電流互感器、分流電阻器、羅柯夫斯基線圈等。其中羅柯夫斯基線圈以其良好的頻率響應、高的測量準確度和結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等特性而成為首選。所以基于羅柯夫斯基線圈的有源ETA也就成為最具發(fā)展?jié)摿Φ墓怆娀ジ衅鳟a(chǎn)品,它既可以用作封閉電器GIS、插接式組合電器PASS中的電流測量設備,又可用于敞開式獨立有源ETA。羅柯夫斯基線圈是將導線均勻地繞在一個非磁性材料的骨架上制作而成的空心線圈,如圖3所示。載流導線從線圈中心穿過,當導線上有電流通過時,在線圈的兩端將會產(chǎn)生一個感應電勢e,其大小為e(t)=-Mdi/dt(1)式中M——羅氏線圈的互感被測電流信號可由下式表示i(t)=?1M∫e(t)dti(t)=-1Μ∫e(t)dt(2)由式(2)可見,要得到被測電流信號,必須對線圈的輸出電壓信號進行積分,這可以通過兩種途徑實現(xiàn):采用模擬積分器或采用數(shù)字積分?？傊?通過后續(xù)電路及相關的信號處理,我們可以獲得被測電流信號。在中低壓配電領域,精密電阻分壓器、電容分壓器已經(jīng)使用得比較多。使用這種電壓傳感器技術,大大簡化了高壓傳感部分的設計,同時使用光纖傳輸信號,保留了光纖良好的電氣隔離作用,因此在本文的設計中采用了電容分壓器作為電壓取樣元件。3.2通過數(shù)字信號進行擴寬和轉(zhuǎn)換來保護電流、電壓信號信號處理過程如下:電流信號在高壓側(cè)經(jīng)取樣后,變成數(shù)字信號,經(jīng)過適當?shù)墓β史糯?驅(qū)動發(fā)光二極管變成光信號,用光纖送到互感器下側(cè)低電壓端。電壓信號經(jīng)分壓器取樣后,變成數(shù)字信號,同樣經(jīng)過適當?shù)墓β史糯?驅(qū)動發(fā)光二極管,也變成光信號。在互感器本體低電位側(cè),已變成光信號的電流、電壓信號經(jīng)過光纖傳送到變電站控制室。在控制室經(jīng)O/E變換后,經(jīng)過適當調(diào)理,信號再送入工控機中進行信號解調(diào)和處理,解調(diào)后的模擬信號可供計量和保護用。在信號處理單元中,瞬態(tài)信號測量即用于保護電流、電壓信號的測量,必須考慮信號處理單元的響應速度及頻帶寬度。例如220kV系統(tǒng)暫態(tài)恢復電壓的最高固有主頻為10kHz,如按1/10區(qū)間取樣,則E/O變換的工作主頻帶寬必須大于200kHz,在O/E變換中,則需采用快速光電二極管。3.3次側(cè)電路的設計提出一次側(cè)電子線路供電問題是有源ETA中的一個關鍵技術,一次側(cè)電源要給傳感元件信號處理部分提供穩(wěn)定的電源。有兩種思路解決這個問題,一是從地面二次側(cè)將能量傳送到一次側(cè)提供電源,二是直接從二次側(cè)的母線上取電源。由于一次、二次側(cè)之間要實現(xiàn)完全隔離,所以要將二次側(cè)的能量送到一次側(cè),最好的辦法是通過光電轉(zhuǎn)換,用光纖來傳送。光電能量轉(zhuǎn)換一般用大功率半導體激光二極管來完成。激光二極管作為光源提供驅(qū)動光電池的光功率,根據(jù)系統(tǒng)總功率需要選用合適的光功率和輸出效率的二極管。從光纖傳輸來的能量直接耦合到一次側(cè)的光電轉(zhuǎn)換器,通常是在光電池中,將光能轉(zhuǎn)換成電能,已經(jīng)有作為光電轉(zhuǎn)換的商業(yè)化的電二極管陣列可供選擇。采用地面供能的方法,優(yōu)點是電源穩(wěn)定、可靠性好、不受母線電流的影響。但是這個供能方案一般能提供的功率比較小,通常在mW級甚至在μW級。有時這種供能方案無法提供足夠的能量給一次側(cè)。另外,大功率、高效率的激光二極管、光電轉(zhuǎn)換器件比較昂貴,在使用壽命方面也沒有嚴格考核的報道。由于母線電流變化范圍很大,以額定電流為1250A的ETA為例,母線穩(wěn)態(tài)電流可以在5%～120%IN(額定電流)內(nèi)變化,即在62.5～1500A的范圍內(nèi)變化;短路故障情況下,母線暫態(tài)電流可以達到20IN,甚至更高。在這些情況下都要求能提供一次側(cè)電子線路所需要的穩(wěn)定電源。鑒于上述要求,提出了從母線上直接取電源的自具型電源方案,設計工作主要集中在從一個大范圍內(nèi)變化的電流源中取出一個具有一定功率穩(wěn)定輸出的電壓源。自具型電源的原理圖如圖4所示,在這里我們采用一個環(huán)形帶鐵心的感應線圈完成從母線上提取電能的功能。由圖4可見UL=IZ0Z1Z0+Z1UL=ΙΖ0Ζ1Ζ0+Ζ1(3)當滿足Z0=1/(IUL?1Z1)Ζ0=1/(ΙUL-1Ζ1)時,即可輸出所需的恒定電壓UL。因此問題可以轉(zhuǎn)化為設計一個電源感應線圈的負荷阻抗可控電路,當母線電流較小時,等效阻抗較大;當母線電流較大時,等效阻抗較小。合理設計可控阻抗電路,可以實現(xiàn)在大范圍母線電流下提供穩(wěn)定饋電電源的目的。4系統(tǒng)的基本性能測試4.1電流和電壓輸出測量系統(tǒng)電流單元的線性度試驗及比差試驗結(jié)果如圖5和圖6所示。在圖5中,橫坐標為一次側(cè)電流,用0.1級標準電流互感器測量,縱坐標為ETA二次側(cè)與被測電流成比例的電壓輸出信號,用六位半數(shù)字電壓表測量。多次試驗結(jié)果表明,ETA具有良好的線性度和穩(wěn)定性,其線性度在0.3%以內(nèi),其比差滿足0.5級電流互感器的要求。4.2系統(tǒng)試驗結(jié)果電壓單元的線性度試驗和電壓比差曲線如圖7和圖8所示。在圖7中,橫坐標為一次電壓,用0.1級標準電壓互感器測量,縱坐標為ETV二次電壓輸出信號,用六位半數(shù)字電壓表測量。在圖8中橫坐標為一次電壓與額定電壓比值,縱坐標為電壓測量的相對誤差。多次試驗結(jié)果表明,ETV具有良好的線性度和穩(wěn)定性,其比差滿足0.5級電壓互感器的要求。另外,系統(tǒng)通過了460kV、1min工頻耐壓試驗和局部放電試驗。其他的一些試驗如EMC試驗、ETA的短時電流試驗、ETV的暫態(tài)