鐵心線圈式低功耗線圈電流互感器的研究

鐵心線圈式低功耗線圈電流互感器的研究

1次電纜系統(tǒng)的難點(diǎn)隨著電網(wǎng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的測(cè)量方法無法滿足能源系統(tǒng)發(fā)展的要求，主要表現(xiàn)為：傳統(tǒng)電磁式傳感器的固有磁飽和、磁干擾、精度、二次組件數(shù)量和輸出容量的相互制約，不能滿足日益發(fā)展的系統(tǒng)要求。隨著對(duì)能源裝置二相制配的要求越來越高，二次電路越來越獨(dú)立，二次電纜越來越多，連接線越來越復(fù)雜。隨新型互感器技術(shù)的逐步成熟,其替代傳統(tǒng)電磁式互感器作為電廠/站的測(cè)量手段必將成為電力系統(tǒng)未來發(fā)展的趨勢(shì)。2羅柯投資線圈目前智能化電流互感器主要分為低功耗線圈(LPCT),羅柯夫斯基線圈電流互感器(RCT),光學(xué)電流互感器(OCT)、光纖電流互感器(FOCT)。2.1電流傳感轉(zhuǎn)換電路鐵心線圈式低功耗線圈電流互感器作為傳統(tǒng)電磁式電流互感器的一種改良,改善了鐵心的飽和特性,擴(kuò)大了測(cè)量范圍,并且大大降低了功耗。與傳統(tǒng)傳統(tǒng)電磁式電流互感器I/I轉(zhuǎn)換不同,它是通過一個(gè)分流電阻將二次電流轉(zhuǎn)化為電壓輸出實(shí)線了I/V轉(zhuǎn)換。該設(shè)備由于保留的鐵心結(jié)構(gòu)測(cè)量精確度較高,但亦存在磁飽和等鐵心互感器的固有問題。2.2羅柯投資測(cè)量回路羅柯夫斯基線圈互感器是一個(gè)均勻纏繞在非鐵磁性材料上的環(huán)形線圈。輸出信號(hào)是電流對(duì)時(shí)間的微分。通過一個(gè)對(duì)輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行積分的電路,就可以真實(shí)還原輸入電流。一次電流與二次輸出電壓信號(hào)關(guān)系為:u(t)=Mdi(t)dtu(t)=Μdi(t)dt,其中M為測(cè)量線圈與一次回路的互感系數(shù)。由于線圈繞制的工藝限制,嚴(yán)重影響測(cè)量精確度,采用印刷電路板結(jié)構(gòu)羅柯夫斯基線圈互感器能在一定程度上改善該問題。羅柯夫斯基線圈采用磁感測(cè)量電流,為防止一次回路電磁場(chǎng)對(duì)二次回路的干擾,該設(shè)備需采用屏蔽結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn):1)不含鐵磁性材料,無磁滯效應(yīng),幾乎為零的相位誤差;無磁飽和現(xiàn)象,因而測(cè)量范圍可從數(shù)安培到數(shù)百千安的電流。2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,并且和被測(cè)電流之間沒有直接的電路聯(lián)系。3)響應(yīng)頻帶寬0.1Hz-1MHz。缺點(diǎn):1)羅柯夫斯基線圈輸出信號(hào)與其結(jié)構(gòu)有關(guān),溫度變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變化影響其測(cè)量精確度。2)測(cè)量精確度積分電路飽和性及暫態(tài)性的限制。3)高低壓繞緊鄰,絕緣問題突出。4)易受電磁干擾,在運(yùn)行中傳感線圈應(yīng)嚴(yán)格屏蔽。5)無法傳變一次系統(tǒng)中的非周期信號(hào)(衰減的直流分量)。2.3ct供電方案綜上所述,羅柯夫斯基線圈互感器具有可靠性高、測(cè)量頻帶寬、無飽和現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn),但無法保證較高的測(cè)量精度。因此在實(shí)際應(yīng)用中,一般采用RCT+LPCT的形式,其中RCT作為對(duì)可靠性要求較高,精度要求較低的保護(hù)級(jí)信號(hào)輸出,LPCT作為測(cè)量計(jì)量信號(hào)輸出。經(jīng)實(shí)際調(diào)研,目前此類產(chǎn)品主要采用專用CT供電或蓄電池供電的形式,其中CT供電方案為利用電源專用CT從一次回路取得感應(yīng)電壓經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓等處理后提供給互感器信號(hào)處理模塊電源,該方案基于電磁感應(yīng)原理不能應(yīng)用于直流輸電系統(tǒng);而且受一次回路電流影響較大。(一次電流過大時(shí),二次回路過電流;一次電流較小時(shí),供電不足)。2.4純光型電流傳感技術(shù)磁光玻璃型(OCT)是目前較為成熟的新型互感器。這方面的研究在國(guó)內(nèi)外歷史悠久,積累了豐富的理論及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。尤其近些年來在磁光材料上的重大突破,使OCT趨于成熟。純光型電流互感器建立在法拉第磁光效應(yīng)基礎(chǔ)上,即將磁光材質(zhì)玻璃(或光纖)置于磁場(chǎng)中,其電子在磁場(chǎng)作用下在垂直于磁場(chǎng)平面內(nèi)做左向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),當(dāng)傳播方向平行于該磁場(chǎng)的直線偏振光穿過此材料時(shí),它的兩個(gè)分量(左旋、右旋圓偏振光)產(chǎn)生相位差,其合成輸出光的偏振面將發(fā)生偏轉(zhuǎn),其偏轉(zhuǎn)角θ和磁場(chǎng)H關(guān)系為:θ=VeHL其中:H為磁場(chǎng)強(qiáng)度;L為帶磁物體長(zhǎng)度;Ve為磁光材料的菲爾德(Verdet)常數(shù)(和磁光材料材質(zhì),入射光波長(zhǎng),環(huán)境溫度有關(guān))。2.4.1抗側(cè)力源內(nèi)溫度特性的對(duì)比對(duì)于特定波長(zhǎng)的入射光,磁光材料的菲爾德(Verdet)常數(shù)(Ve)和材料材質(zhì),環(huán)境溫度有關(guān),按材料的磁化特性劃分,可分為順磁性材料(如FR-5)、鐵磁性材料(如YIG)、抗磁性材料(如ZF-7),其中順磁性材料菲爾德(Verdet)常數(shù)較大,其靈敏較高,在相同磁場(chǎng)下產(chǎn)生的法拉第偏角θ最大,易于測(cè)量,但受外界溫度影響較大,不適于在戶外惡劣的溫度條件下工作;鐵磁性材料次之;抗磁性材料菲爾德(Verdet)常數(shù)的溫度特性則十分穩(wěn)定例如FR-5的“溫漂”僅為±0.5%,但其數(shù)值非常小,在相同磁場(chǎng)下產(chǎn)生的法拉第偏角θ很小,難于測(cè)量,對(duì)抗振動(dòng)和光源穩(wěn)定性提了更為苛刻的要求。由以上分析可以看出,磁光玻璃材質(zhì)的選擇的問題上,其穩(wěn)定性和靈敏性是相矛盾的。由公式θ=VeHL可以看出,磁光玻璃型OCT的靈敏度和菲爾德(Verdet)常數(shù)Ve、磁場(chǎng)對(duì)光路影響長(zhǎng)度L成正比,因此對(duì)于Ve穩(wěn)定在較小數(shù)值的介質(zhì),提高L長(zhǎng)度可以有效的提高測(cè)量精度。目前OCT磁光玻璃傳感器大多采用正方形結(jié)構(gòu)(圖7),該結(jié)構(gòu)利用正交反射原理,即光在正方形的的每個(gè)角經(jīng)過2次45°反射,使偏振光P、S分量間附加相位差相互抵消。但該方案在磁場(chǎng)作用下光路L較短,對(duì)于OCT的靈敏度是不利的。根據(jù)許繼集團(tuán)和西安同維電力調(diào)研結(jié)果,采用抗磁質(zhì)正方形傳感器已獲得較為滿意效果。2.4.2偏振面為vein的偏振方向,其強(qiáng)度控制的過程就如圖7所示,當(dāng)一次側(cè)通電電流為I,距其距離為d的地方磁場(chǎng)為:H=12πdΗ=12πd,光源經(jīng)起偏器后,形成的線性偏振光在通過磁光介質(zhì)(磁光玻璃或光纖)時(shí),在該磁場(chǎng)的作用下偏振面偏轉(zhuǎn)θ=VeIN。偏轉(zhuǎn)后的偏振光通過檢偏器的部分滿足馬呂斯定律II0=E2E20=cos2(α+θ)ΙΙ0=E2E02=cos2(α+θ),其中E為偏振光振幅,α為偏振光偏振方向與檢偏方向夾角。因此只需測(cè)量檢偏后的光強(qiáng)即可計(jì)算出法拉第轉(zhuǎn)角θ該原理互感器直接測(cè)量偏振光震動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)角度,也稱偏振調(diào)制OCT。2.4.3接頭加工工藝磁光玻璃本身材質(zhì)本身因素(如玻璃制造時(shí)不同部位冷卻不均勻,介質(zhì)不同部位分布不均勻,膨脹系數(shù)不均勻)會(huì)使玻璃介質(zhì)內(nèi)部折射率的變化,且其菲爾德(Verdet)常數(shù)Ve受溫度影響大等因素則是磁光玻璃探頭主要誤差。目前通過褪火(將磁光玻璃加熱至800°C后慢慢冷卻)——回火調(diào)制,改良磁光玻璃配方等措施已能獲得光學(xué)性能穩(wěn)定的玻璃介質(zhì),目前國(guó)際主要供貨商的磁光玻璃的溫度特性一般控制在0.3%～1%范圍內(nèi)。特別需要指出西安同維電力公司通過對(duì)材料配方、熔煉溫度、熔煉時(shí)間、攪拌時(shí)間、攪拌速率、退火溫度等參數(shù)的調(diào)制,研制出TW863D型磁光玻璃的菲爾德(Verdet)常數(shù)Ve在-40～8℃時(shí)隨溫度變化只有近0.01%(如圖8所示),對(duì)應(yīng)力及溫度場(chǎng)反應(yīng)遲鈍,光線在其中傳播時(shí),溫度在-40℃～65℃之間,光線偏移量在光接收處只有0.2mm,接收光強(qiáng)基本上不發(fā)生變化,而且試驗(yàn)重復(fù)性及穩(wěn)定性極好。2.5兩束線偏振光的產(chǎn)生光纖型光學(xué)電流互感器(FOCT)目前較成熟的的技術(shù)為相位調(diào)制技術(shù),該技術(shù)基于塞格奈克效應(yīng)(Segnac)原理,即將法拉第磁光效應(yīng)產(chǎn)生的偏振轉(zhuǎn)角調(diào)制轉(zhuǎn)化為相位差的形式。光纖電流互感器由于保偏光纖本身折射率不均,線性偏振光在內(nèi)為傳播并非為線性偏振模式,而是雙折射成沿快慢軸方向震動(dòng)的o、e光合成后以線-橢圓-圓-線的模式傳播,并且受外界因素干擾大,誤差大。為了將測(cè)量誤差控制到最小,采用反射式“相位調(diào)制”技術(shù)是利用來回相同光路抵消光路給測(cè)量帶來的誤差的較好方法。光路主要由低相干光源、光探測(cè)器、保偏光纖耦合器、光纖起偏器、光纖相位調(diào)制器、保偏光纖延遲線、光纖波片和傳感光纖組成。該結(jié)構(gòu)的本質(zhì)是利用兩束光干涉的原理測(cè)量電流.如圖10所示由光源發(fā)出的光經(jīng)過保偏光纖耦合器后由光纖起偏器起偏變成線性偏振光。在保偏光纖的光軸上的光能保持這種偏振狀態(tài),然后經(jīng)過一個(gè)45°融接點(diǎn)進(jìn)入第二段保偏光纖并發(fā)生雙折射,成為等分的兩束偏振光。這兩個(gè)分量成為分別在兩個(gè)光軸互相垂直(X和Y軸)線偏振光,分別沿保偏光纖的X軸和Y軸傳輸。在相位調(diào)制器處受到相位調(diào)制.而后這兩束光經(jīng)過λ4λ4波片(偏振光與玻片光軸夾角45°的情況下,波片內(nèi)o光、e光振幅相等且相位差為π2π2,合成后變成圓偏振光)分別轉(zhuǎn)變成為左旋和右旋的圓偏振光.并進(jìn)入傳感光纖。由于被測(cè)電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)和在傳感光纖中的法拉第磁光效應(yīng),電磁場(chǎng)使與其同相的右旋光速度變化較快,與其反向的左旋光變化較慢,這兩束網(wǎng)偏振光的相位會(huì)發(fā)生變化(Δθ=2VNI),并以不同的速度傳輸,在反射膜端面處反射后,兩束網(wǎng)偏振光的偏振模式互換(即左旋光變?yōu)橛倚?右旋光變?yōu)樽笮?,然后再次穿過傳感光纖,使法拉第效應(yīng)產(chǎn)生的相位加倍(ΔΦ=4NⅣ)。在兩束圓偏振光再次通過λ4λ4波片(圓偏振光可視為兩束振幅相同,振動(dòng)方向相互垂直,相位相差±π2±π2的線性偏振光的合成光。當(dāng)圓偏振光通過λ4λ4波片時(shí),兩束光相位差被附加了π2π2差值后變?yōu)棣谢?,其合成光為線性偏振光?；謴?fù)成為線偏振光,并且原來沿保偏光纖X軸傳播的光變?yōu)檠乇Ｆ饫wY軸傳播.原來沿保偏光纖Y軸傳播的光變?yōu)檠乇Ｆ饫wX軸傳播。兩束線性偏振光由于振動(dòng)方向垂直,在傳播過程中不會(huì)發(fā)生干涉,當(dāng)其通過光纖起偏器時(shí),由于起偏器的檢偏作用,兩束光成為頻率相同,振動(dòng)方向一致,相位差恒定的線性偏振光并發(fā)生干涉加強(qiáng)(波峰疊加)或干涉相消(波峰、谷疊加),ΔΦ對(duì)其影響表現(xiàn)為光強(qiáng)的變化。信號(hào)處理單元會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相位差ΔΦF=-ΔΦ,并通過相位調(diào)制器(如在光纖上附著壓電感應(yīng)材質(zhì)PZT薄膜,其在電場(chǎng)作用下體積變化利用光纖光彈效應(yīng)改變光纖折射率進(jìn)而改變通過線性偏振光的相位)將計(jì)算誤差反饋到光路中,使整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)閉環(huán)回路。即:Iout=12KLI0[1+cos(ΔΦ+ΔΦF)]Ιout=12ΚLΙ0[1+cos(ΔΦ+ΔΦF)]其中:Iout為光路輸出光強(qiáng);ΔΦ=4NⅣ為兩路相干偏振光相位差;KL為光路損耗;I0為光源輸出光強(qiáng);通過測(cè)量相干的兩束偏振光的非互易位相差.就可以間接地測(cè)量出導(dǎo)線中的電流值。傳感材料采用低雙折射單模光纖,菲爾德(Verdet)常數(shù)的溫度系數(shù)小,幾乎不受溫度影響,但缺點(diǎn)是菲爾德(Verdet)常數(shù)非常小,比一般磁光玻璃還要低接近2～3個(gè)數(shù)量級(jí),因此多數(shù)光纖結(jié)構(gòu)傳感頭采取多圈數(shù)繞制的方法增加靈敏度,但光程的增加必然使線性雙折射影響增大,而線性雙折射與振動(dòng)、環(huán)境溫度相關(guān)。因此,溫度應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力及振動(dòng)引起的應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力雙折射,使得測(cè)量光纖中的偏振光特性發(fā)生改變引起的隨機(jī)測(cè)量誤差等是光纖電流互感器在今后研究的主要課題之一。信號(hào)處理部分采取受調(diào)制的圓偏振光干涉原理,對(duì)光源波長(zhǎng)敏感,一般要求光源有溫控措施。由于光纖圈數(shù)較多,大電流測(cè)量存在非線性問題,因此多采用閉環(huán)測(cè)量方法,提高了動(dòng)態(tài)范圍,但由于增加了光學(xué)相位調(diào)制器,增加了系統(tǒng)復(fù)雜性,暫態(tài)響應(yīng)速度取決于相位調(diào)制器調(diào)制信號(hào)的控制策略。3電、電、磁等幾種常用機(jī)關(guān)綜上所述,目前主要電子電流式互感器總體分為L(zhǎng)PCT/RCT、OCT、FOCT三類,綜合其技術(shù)特點(diǎn)、價(jià)格成本等因素,結(jié)合工程實(shí)際可得出如下結(jié)論:1)傳統(tǒng)電流互感器,技術(shù)成熟,價(jià)格較低,但已