（信号与信息处理专业论文）电子式电流互感器的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着近年来电力传输容量的不断增长和电网电压的提高，传统电磁式电 流互感器已暴露出致命弱点。电子式电流互感器( e l e c t r o n i cc u r r e n t t r a n s f o r m e r ：e c t ) 贝j j 表现出截然相反的优点：无爆炸危险；无磁饱和；经由 光路输出，无开路导致高压的危险；不易受电磁干扰；可以直接输出数字信 号等。故用e c t 取代电磁式电流互感器已成为必然趋势。e c t 已经得到了各 国研究者与业内人士的极大关注。 基于这样的背景，本论文介绍了e c t 的基本理论与设计原理，对e c t 一次传感元件、滤波器、积分器的性能进行了理论分析；提出了实现对e c t 输出特性实现温度补偿与非线性补偿的数字信号处理方案并对其进行了理论 论证与实施；提出了可对e c t 进行现场校准的技术方案，实现了对e c t 进 行现场校准的功能。采用本文方案研制了一台e c t 样机并通过了国家电流互 感器检测中心的型式试验。该结果表明，本论文提出的各个数字信号处理方 案及现场校准方案是合理的、可行的。 关键词： 电子式电流互感器；r o g o w s k i 线圈；温度补偿；非线性补偿；现 场校准技术 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ep o w e rt r a n s m i s s i o nc a p a c i t ya n d 鲥dv o l t a g e s ，t h e t r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i cc u r r e n tt r a n s d u c e rh a ss h o w ni t sw e a k n e s s e l e c t r o n i c c u r r e n tt r a n s f o r m e r ss h o wt h e i ro p p o s i t ea d v a n t a g e s ：n od a n g e ro fe x p l o s i o n ；n o m a g n e t i cs a t u r a t i o n ；n od a n g e ro fh i g hv o l t a g ev i ao p t i c a lp a t ho u t p u ti nc a s eo f o p e nc i r c u i t ；n o ts e n s i t i v et oe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ；d i r e c to u t p u to fd i g i t a l s i g n a l s s oi ti st h et r e n do fe c tt or e p l a c ee l e c t r o m a g n e t i cc u r r e n tt r a n s d u c e n e c t sh a v ew i ng r e a ta t t e n t i o nf r o mr e s e a r c h e r sa n dp r o f e s s i o n a l sa l lo v e rt h e w o r l d u n d e rs u c hc i r c u m s t a n c e s ，i nt h i sp a p e r , t h eb a s i cp r i n c i p l eo fe c t sa n dt h e d e s i g nt h e o r yi si n t r o d u c e d t h ep e r f o r m a n c e so fl i n e a rs e n s i n ge l e m e n t ，f i l t e r ， i n t e g r a t o ra r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d ；t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gs c h e m e so n t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o na n d n o n l i n e a r c o m p e n s a t i o n o fe c t s o u t p u t c h a r a c t e r i s t i c sa r ed i s c u s s e d ；a nm e t h o du s e df o rf i e l da d j u s t m e n tt oe c t si s p r o p o s e dt oc a r r yo u ta d j u s t m e n to fe c t i nt h eg r i df i e l d a ne c tp r o t o t y p ei s d e v e l o p e db a s e do nt h es c h e m e sr e p o r t e di nt h i sp a p e r t h et e s tr e p o r tg i v e nb y t h en a t i o n a lc u r r e n tt r a n s d u c e re x a m i n a t i o nc e n t e r ( n c t e c ) s h o w st h a tt h e p r o t o t y p ee c tc a nf u l f i l la l lt h er e q u i r e m e n t so f i e c sa n dn a t i o n a ls t a n d a r d s t h er e s u l t p r o v e dt h a t t h e d i g i t a lp r o c e s s s c h e m e sa n dt h ef i e l da d j u s t m e n t s c h e m er e p o r t e di nt h i sd i s s e r t a t i o na n du s e di nt h ep r o t o t y p ea r er e a s o n a b l ea n d f e a s i b l e k e y w o r d s ： e c t ；r o g o w s k ic o i l ；t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ；n o n l i n e a r c o m p e n s a t i o n ：f i e l da d j u s t m e n tt e c h n o l o g y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ：型 e t 期：伽缉多月心e l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 电流互感器概述 第1 章绪论 在高压供电系统中，线路中电流大大小小相差悬殊，从几安到几万安都 有。为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流，另外线路上的电压都 比较高如直接测量是非常危险的。电流互感器( c u r r e n tt r a n s f o r m e r ：c t ) 就起 到变流和电气隔离作用。 较早前，显示仪表大部分是指针式的电流电压表，所以电流互感器的二 次电流大多数是安培级的( 如5 a 等) 。现在的电量测量大多数字化，而计算 机的采样的信号一般为毫安级( 0 5 v 、4 2 0 m a 等) 。为了适应数字化测量， 必需发展新型的电流互感器。电流互感器大致可分为两类，测量用电流互感 器和保护用电流互感器【。 测量用电流互感器主要与测量仪表配合，在线路正常工作状态下，用来 测量高压线路中的电流。测量用电流互感器主要要求：l 、绝缘可靠；2 、足 够高的测量精度；3 、当被测线路发生故障出现的大电流时互感器应在适当的 量程内饱和( 如5 0 0 的额定电流) 以保护测量仪表【2 j 。 保护用电流互感器主要与继电装置配合，在线路发生短路过载等故障时， 向继电装置提供信号切断故障电路，以保护供电系统的安全。保护用微型电 流互感器的工作条件与测量用互感器完全不同，保护用互感器只是在比正常 电流大几倍几十倍的电流时才开始有效的工作。保护用互感器主要要求：l 、 绝缘可靠；2 、足够大的准确限值系数；3 、足够的热稳定性和动稳定性【3 】。 保护用互感器在额定负荷下能够满足准确级的要求最大一次电流叫额定 准确限值一次电流。准确限值系数就是额定准确限值一次电流与额定一次电 流比。当一次电流足够大时铁芯就会饱和起不到反映一次电流的作用，准确 限值系数就是表示这种特性。保护用互感器准确等级5 p 、1 0 p ，表示在额定 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 准确限值一次电流时的允许误差5 、1 0 。线路发生故障时的冲击电流产生 热和电磁力，保护用电流互感器必须承受。二次绕组短路情况下，电流互感 器在一秒内能承受而无损伤的一次电流有效值，称额定短时热电流。二次绕 组短路情况下，电流互感器能承受而无损伤的一次电流峰值，称额定动稳定 电流【4 】。 1 2 电子式电流互感器的研制背景 随着近年来电力传输容量的不断增长和电网电压的提高，目前普遍用于 l l o k v 以上变电站的油浸电磁式电流互感器已暴露出许多内在的致命弱点 【5 】：由爆炸引起灾难性事故的潜在危险；大故障电流导致铁芯磁饱和从而无 法记录故障电流的实际大小及变化过程；铁磁共振效应；铁芯大电感导致相 位滞后并使频响受限无法记录故障电流高频分量，不利于故障分析；输出端 开路时导致高压危险；体积重量均大；不易与数字控制设备连接等。 电子式电流互感器( e l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r ：e c t ) 是国际上于二十 世纪八十年代开始研制的新一代互感器，其测量原理与传统电磁式互感器相 比有本质的区别，它是集光学、特种光学材料、光通讯、电磁学、高压、绝 缘、电子和计算机技术为一体的高科技产品，为高压、超高压输变电系统的 电气测量和电气保护提供了更为先进更为可靠的安全装置；是高压、超高压 输变电系统由传统控制向电子、数字控制转变的重要手段，符合世界电力电 流测量设备的发展方向，是电磁原理互感器的理想更新换代产品。目前世界 上仅有极少数国家有相应产品问世并开始小规模进入市场。 与传统的电磁式电流互感器相比，电子式电流互感器则表现出突出的优 点【6 j ；无爆炸危险；无磁饱和；经由光路输出，无开路导致高压的危险；体 小质轻；不易受电磁干扰；它们的突出优点是无磁饱和测量动态范围大，可 以直接输出数字信号以及体积小巧等。故用电子式电流互感器取代电磁式电 流互感器已成为必然趋势，采用r o g o w s k i 线圈作为一次传感元件的电子式电 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 流互感器得到了各国研究者与业内人士的极大关注【7 1 。 1 3 电子式电流互感器分类 1 3 1 无源型e c t 光学玻璃e c t 以前又称为光学玻璃电流互感器b g o c t 。与全光纤型 e c t 相比，光学材料的选择范围宽，稳定性较好，精度较高，受线性双折射 影响较小，但存在加工难度大，传感器易碎，成本高等缺点，且在光反射过 程中引入的反射相移及光学玻璃中的线性双折射均会使线偏光变成随环境因 素变化而改变的椭圆偏振光而影响系统稳定性【8 】。 b g o c t 传感单元由玻璃传感器与偏振器件构成。设计中应考虑的基本 问题是灵敏度、抗干扰能力与稳定性。灵敏度大小取决于光学玻璃v e r d e t 常 数大小与光路环绕母线的次数，故选用大v e r d e t 常数的材料或采用多环光路 可提高灵敏度。抗干扰能力取决于光路闭合程度及反射相移及线性双折射减 小程度1 9 】。稳定性则要靠减小反射相移及线性双折射或补偿其不良影响来实 现。 全光纤e c t 以前又称为光纤电流互感器( f i b e r - o p t i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r ： f o c t ) 。其工作原理主要为法拉第磁光效应和磁致伸缩效应。法拉第磁光效 应f o c t 常采用偏振检测方法，或利用法拉第磁光效应的非互易性采用 s a g n a c 干涉仪实现检测【1 0 】。s a g n a c 干涉仪型f o c t 又可分为环形( 1 0 0 p ) 和 串连式( i n - l i n e ) 两种。光纤内存在的线性双折射对于温度与振动等环境因素变 化十分敏感，是阻碍f o c t 实用化的关键问题。尽管针对偏振检测方案先后 提出了“高圆双折射光纤、“旋制光纤 、“扭转光纤”、“退火光纤”、“几何 结构分离线性双折射”、“相向传输”、“扭转加退火”等多种解决方案，但多 难以实用。随着基于s a g n a c 干涉仪的光纤陀螺技术的实用化，许多研究者已 将兴趣转向基于光纤陀螺技术的光纤电流互感器。利用法拉第磁光效应原理 的纯光学电流互感器受温度、机械振动等因素的影响较大，目前国外虽然已 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 有产品在挂网运行，但仍然不成熟，而且价格昂贵，国内的产品还有很多实 际应用中的关键问题没有得到解决1 1 】。 1 3 2 有源型e c t 有源型e c t ( a c t i v ee c t ：a e c t ) 通常的构成包括高压侧部分，光纤传输 部分和低压侧部分。高压侧的采样线圈对一次电流采样，形成采样信号，经 放大、调制( 直接a d 转换、相位调制、频率调制与脉宽脉位调制等) 后， 经电光转换形成光信号，再经由光纤传递到低压侧，进行逆变换，转成电信 号经适当处理后输出。其中，光纤是联系高、低压侧的介质，并未参与到对 电流的传感过程中去。因而，有源型e c t 实际上是一种光纤传导技术和c t 技术的组合体，属于非功能型光纤传感器的范畴 1 2 】。 1 3 3e c t 暴露的问题 为了使各种名称的e c t 不至于混乱，我国电力企业联合会于2 0 0 7 年1 0 月在珠海召开了电子式电流互感器会议，会议各种名称统一为电子式电流互 感器，简称e c t 。欲使e c t 能够实用，必先保证其具有足够的稳定性与可靠 性。其实用化的主要技术障碍包括r o g o w s k i 线圈结构、积分器的幅频特性与 相频特性对比差角差的影响，滤波器幅频特性与相频特性对比差角差的影响， 温度对精度的影响，器件非线性对精度的影响，高压区电路供能问题，电子 器件抗强电磁干扰的能力、电磁兼容特性。 为保证r o g o w s k i 线圈的温度稳定性，应选用热膨胀系数小的非磁性材料 制作骨架；为保证其测量精度，应使线圈有足够的圆度，并尽可能减小载流 母线偏离线圈圆心的程度；在r o g o w s k i 线圈的圈内绕上一返回匝会很好的解 决外磁场对测量信号的干扰问题；r o g o w s k i 线圈支撑结构的设计则要考虑防 振效果，尽量使载流母线在振动状态下也能保持处于r o g o w s k i 线圈中心位 置。r o g o w s k i 线圈结构与制作工艺曾有新的创意可供借鉴，其与母线的连接 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 方式也有讨论【1 3 】。 积分器可采用模拟积分器或数字积分器，其性能各有千秋：模拟积分器 实时性能优于数字积分器，抗直流漂移性能也优于数字积分器，但其幅度精 度和相位精度差是一个致命的弱点，而且受温度影响较大【1 4 1 。 滤波器是数据采集电路中必不可少的部分，模拟低通滤波器直接用于 a d c 之前，以降低高频噪声【1 5 】。而较大的温度变化导致了模拟低通滤波器相 频特性以及幅频特性的变化，从而降低了e c t 输出信号的角差、比差精度。 因此解决模拟滤波器的温度特性是e c t 开发过程中关键技术难点之一。 由于测量型e c t 要求精度为千分之二以上，有源型电子器件的线性度很 少达到这个精度，因此必须对器件的非线性特性进行非线性补偿，以达到高 精度e c t 的要求。 由于e c t 的高压侧和低压侧电路之间必须采用绝缘性能好的光纤连接， 所以高压侧电路供能成了一个重大问题。常见的为e c t 高压侧电路供电技术 有悬浮电源技术、激光供电技术与太阳能电池供电技术。悬浮电源技术需采 用特制的小c t 自一次电流取能，电源电路很难使其在很宽的一次电流范围 内能够正常工作，太阳能电池供电不很方便且供电功率偏小【1 6 】。 电子器件抗强电磁干扰的能力是有限的，在几十万伏的高压交变电磁场 中，没有良好的电磁屏蔽技术，电子器件很难正常工作。 1 4 电子式电流互感器的研究现状 尽管无源型e c t 比有源型有更长的研究历史，但由于有源型e c t 采用 的主要是相对成熟的电子技术，故其有可能先于无源型e c t 实现实用化。 电子式电流互感器已经在国外的集成型智能开关设备中得到了应用，例如 a b b 公司的p a s s ( p l u ga n d s w i t c h s y s t e m ) 系统和三菱公司的 m i t s ( m i t s u b i s h ii n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ys w i t c h g e a r ) 系统就采用了电子式电流 互感器，而且将其集成到了一次高压开关设备中，大大减少了变电站设备的 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 占地面积，增强了设备的可维护性，降低了变电站的运行成本，而且由于 p a s s 和m i t s 采用光纤输出模拟量的采样值，简化了电缆接线，增强了传 输的抗干扰能力【l 引。这种集成了新型c t 、p t 的智能化开关设备已在德国、 瑞典、法国等1 1 0 k v 变电站投入试运行，取得了较好的运行经验 1 9 】。国外正 在进一步研究开发5 0 0 k v 集成型智能开关设备【2 0 】。 国内的运行、科研单位也正在关注这一技术，并已有单位引进这种新型 智能设备投入试运行【2 。国内的一、二次设备生产厂商也在积极地联合开发 具有自主知识产权的高压智能开关设备和与之配套的保护、监控装置1 2 2 1 。现 已有十几个单位研制出了e c t 样机通过了国家检测，也有些公司提供了挂网 样机。作为一次高压设备和二次保护监控设备的接口装置，电子式电流互感 器数字接1 ：3 包括两个模块【2 3 】：分布式高速数据采集模块和过程层通讯模块。 它们对各路模拟量进行采样，并将各路采样数据以串行总线的方式传输到间 隔层的二次设备。该接口装置既是国内一、二次设备厂商之间相互合作的技 术关键，又可以作为引进国外一次设备与国内二次设备之间的接口装置【2 4 】。 我国在2 0 0 7 年已经依据( ( i e c 6 0 0 4 4 8 ：2 0 0 2 ) ) 标准制定出的适应本国情 况的国家技术标准【2 5 】：中华人民共和国国家标准g b t 2 0 8 4 0 8 q 0 0 7 互感 器，第8 部分：电子式电流互感器f 2 6 】，是现阶段e c t 研发的技术依据与法 规性保障。此外，尽管国际电工委员会己颁布的e c t 技术标准中包含了e c t 输出接口的规定，但与其连结设备的接口问题尚未解决，这是阻碍e c t 投入 实用的障碍之一。这方面虽然已有研究报告，但仍需重点研究并尽快建立与 e c t 接1 2 适配的后续设备接口标准【2 7 1 。2 0 0 7 年1 0 月我国电力企业联合会在 珠海也召开了相关会议，讨论了与主控室设备连结的接口问题，但未能达成 一致协议。 1 5 本课题的任务要求与工作安排 由于电子式电流互感器工作于高压交变电磁场中，强烈的电磁干扰给整 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 个系统工作的稳定性带来极大的挑战。而且电子式电流互感器工作于户外环 境，温度变化幅度较大( 从4 0 。c n + 8 0 。c ) 。这种温度变化对模拟电子器件的 影响不可忽略，尤其是对模拟低通滤波器和模拟积分器的影响，一直困扰着 e c t 的发展。另外，高压端电子器件供能也一直困扰着电子式电流互感器的 发展。 基于这样的背景，本论文研究了电子式电流互感器样机的设计理论，给 出了一套电子式电流互感器的解决方案，提出与论证了一种独特数字信号处 理方案，实施了样机制作与检测，主要包括以下几部分： 1 、一次传感元件的理论性能分析、一次传感元件的选择及其材料的选取， 介绍了一次传感元件的设计与制作过程； 2 、分析了模拟积分器在e c t 中的作用，提出了一套对模拟积分器进行 温度补偿的实用技术方案，实现了对模拟积分器进行有效的温度补偿； 3 、分析了模拟滤波器在e c t 中的作用以及对e c t 角差、比差的影响， 提出了一套对模拟滤波器进行温度补偿的实用技术方案，实现了对模拟滤波 器进行有效的温度补偿； 4 、对电子式电流互感器系统非线性做了研究，提出一套对e c t 系统进 行非线性补偿的方案，并实现了对e c t 系统进行非线性补偿： 5 、对电子式电流互感器现场校准技术进行了研究，提出了一套现场校准 技术方案，实现了对e c t 进行现场校准； 6 、根据中华人民共和国国家标准g b t2 0 8 4 0 8 _ 0 0 7 互感器，第8 部分：电子式电流互感器对电子式电流互感器样机性能进行测试。 本论文第一章介绍了课题的研究背景和研究内容，第二章详细描述了 e c t 的工作原理以及样机方案，第三章详细分析了一次传感元件的性能，设 计出了高精度的一次传感元件；第四章研究了温度对e c t 的影响，提出了用 于e c t 的温度补偿方案，非线性补偿方案以及现场校准方案；第五章介绍了 e c t 的检测标准，对e c t 样机进行了型式试验，并对部分试验结果进行了分 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 析。本论文设计了电子式电流互感器数据采集系统，光纤通讯系统，数字信 号处理与各种补偿系统；研发出了具有现场校准功能的电子式电流互感器样 机并通过了在国家授权检测单位进行的型式试验。该结果证实表明，本论文 提出的各个方案可有效地解决温度变化对e c t 输出信号的角差、比差精度的 影响的一系列问题。 1 6e c t 技术前景展望 有源型e c t 避免了无源型e c t 传感器性能易受温度变化影响、实施补 偿困难等技术难点，有着体积小、灵敏度高、频带宽、电子( 包括单片机、 d s p 等) 技术相对成熟、研发与制造成本相对低廉等优点。因此，吸引了许 多研发者投入此方向工作口酊。随着研究的深入，在解决了高压区供电、电磁 屏蔽、温度稳定性等技术问题之后，已经先于无源型e c t 成为电力系统中关 注的产品，以后一定能与传统c t 并驾齐驱甚至替代传统c t 的产品。可以预 见新型的集成智能化开关设备会在将来的新站建设和老站改造中发挥相当的 优势，使得变电站自动化系统更易于维护，提高其运行的可靠性，减少用户 的建设投资。另外，对于e c t 优越性的宣传、提高电力行业有关人员对e c t 技术的了解与认同程度也是实现e c t 实用化必须解决的问题之一 2 9 】 3 0 1 。由 于e c t 技术具有传统c t 无法比拟的内在优点，加之e c t 技术的日趋成熟、 技术法规环境的建立、业内人士认同程度的提高，因此e c t 必然具有美好的 实用化前景。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章e c t 技术理论研究 2 1 电子式电流互感器工作原理 电子式电流互感器是国际上于二十世纪八十年代开始研制的新一代电流 互感器【3 l 】。它的一次传感元件一般是线圈结构传感器，光学玻璃传感器或光 纤传感器之一，一次传感元件的输出信号经过数据采集后，通过绝缘材料光 纤传输到控制室进行信号处理。电子式电流互感器的测量原理与传统电磁式 互感器相比有本质的区别，它是集光学、特种光学材料、光通讯、电磁学、 高压、绝缘、电子和计算机技术为一体的高科技产品。 2 2 本论文采用的解决方案 本论文研究的电子式电流互感器是有源型e c t ，即在高压区需要提供低 压直流电源为有关电子器件供能、利用电子器件对一次电流采样、处理，再 将信号通过光纤传至低压区的e c t 。它避免了全光型e c t 传感头易受温度 变化影响的缺点及光路设计中的技术难点。早期的有源型e c t 是基于传统 电流互感器( t a ) 发展的，它既利用了光纤的高绝缘性的优点，使电流互感 器的制造成本、体积和重量显著降低，又充分发挥了电力系统广泛接收的传 统t a 测量装置的优势，具有很强的实用性。但由于t a 传感机理的限制，这 种e c t 仍存在着传统电流互感器难以克服的缺点，如铁磁饱和问题【3 引。本文 介绍的混合型e c t 由于采用新的传感机理，从根本上解决传统电磁式t a 所 存在的问题，且其受温度和环境的影响较小，更易满足现场要求。 本论文研究的电子式电流互感器原理图如图2 1 ，从互感器总体系统框图 来分，可以把整个系统划分为五个主要部分：一次传感元件；高压侧数据采 集电路；光纤传输；激光供能；低压侧数据处理电路。被测电流i 通过一次 传感元件，在传感器输出端感应产生电势e ，该信号经过放大滤波，并经a d 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 转化成数字信号以后，经过e o 调制成光信号，通过光纤传输到低压侧，再 经过o e 转换后，将数字信号直接送到单片机进行数据处理，然后对信号进 行d a 转换，还原成模拟电压信号，最后经过放大供测量用。下面分别从这 几个部分来介绍。 l 待测高压电流 上 i传感器 上 l数据采集 i 输出检测信号 t 数模转换 t 数据处理 图2 1 电子式电流互感器总体系统原理框图 2 2 1 一次传感元件的选择 一次传感元件为线圈结构，也就是把导线均匀的绕在骨架上( 图2 2 ) ， 该e c t 包含有测量信号和保护两路信号。测量信号要求精度高，工作电流范 围为额定电流的百分之五到百分之一百二十。保护信号要求精度较低，但工 作电流范围很大，一般为几十倍额定电压。经过特殊处理的铁芯线圈，磁滞 效应小，在小电流情况下精度非常高，可以达到万分之一，但由于在电流较 大时，铁芯线圈存在磁饱和现象，其输入输出已不是线性关系，因此对于保 护信号的测量，铁芯线圈已无能为力。r o g o w s k i 线圈是一种较成熟的测量元 件，以前广泛地应用在电力系统的高电压领域，它实际上是一种具有特殊结 构的空心线圈，可根据被测电流的变化，感应出被测电流的变化，其特点在 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 于被测电流大到几乎不受限制，反映速度快，可以测量前沿上升时间为纳秒 级的电流，且精确度可高达千分之二，但对于小电流的测量，其精度远远不 够【3 3 - 3 4 1 。从测量大电流的观点来看，r o g o w s k i 线圈是一种较理想的传感元件， 由于它不和被测电路直接接触，可以方便地对高压回路进行隔离测量，因此 可以将其作为传感元件，用于电子式电流互感器。综上所述，本论文研制的 电子式电流互感器采用经过特殊处理的小功率高精度铁芯线圈作为测量信号 的传感器，r o g o w s k i 线圈作为保护信号的传感器。 图2 2 线圈结构图 2 2 2 高压端数据采集电路设计 根据上节讨论的结果，本样机系统( 下文简称“系统 ) 的高端数据采集 电路，采用扬长避短的方案：用高精度铁芯线圈作为计量信号的传感器，这 样既保证计量信号的精度，又把铁芯线圈磁饱和的缺陷转化为应用点，铁芯 线圈磁饱和的特性可以确保电子线路在大电流冲击时不会永久损坏；用空心 线圈作为保护信号的传感器，在高压电力系统正常工作状态下，其输出保护 信号极小。当高压电力系统工作异常时，电流有可能达到几倍额定电流甚至 几十倍额定电流。此时，铁芯线圈已经磁饱和，其输入输出已不再是线性关 系，输出信号已经失去测量的意义，因此也不会输出大信号以致损坏后续电 路。由于空心线圈不存在磁饱和的现象，而且在大电流时工作在其线性区， 所以可以较准确的测量出此时的信号。 高压端系统原理框图如图2 3 所示，对于计量信号，被测电流通过铁芯 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 线圈传感器，在线圈输出端产生电势e ，该信号经放大滤波处理后得到一个 幅度适当的电压信号，经过滤波器后进行模数转换，得到一系列数字信号。 对于保护信号，在高压电力系统正常工作状态下，被测电流由于大功率 电力负载接入与断开会突然变大或变小，而空心线圈输出信号是被测电流的 微分，此时会输出较大的信号，如果直接把该微分信号输出用于控制高压电 力开关，则会使控制系统误认为系统故障，进行过流保护，这会引起电力开 关误动作。为了避免电力开关误动作， 本系统中先通过模拟积分器进行处理， 滤波器后再转换成数字信号。 就要对空心线圈输出信号进行处理。 然后将积分器输出信号经过模拟低通 m c u ( 完成转化 数字信号功能) 温度传感器 。 生成数据帧 稳压电路 u f 卜 激光供能器 输出 t _ 光纤输声少。 j 图2 - 3 高压端系统原理框图 在该系统中，在把计量信号和保护信号分两个通道分别处理的同时，为 了对传感器和电子线路进行温度补偿，也采集高压区的温度信号。为了节省 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 生产材料和安装方便，把所有信号合并到一个信道里利用帧传输模式传输。 每一帧数据包含帧头、计量数据、保护数据、温度数据和校验数据【3 5 1 。 在保护信号的处理中，积分器的选择是相当关键的问题。数字积分器和 模拟积分器各有优缺点：模拟积分器幅度和相位精度很难控制，直流漂移的 问题比较好解决；数字积分器幅度和相位精度很好控制，长期工作时，直流 漂移问题基本上不能解决。因此，用模拟积分器抑制直流漂移，完成积分运 算，然后用数字信号处理的方式来补偿模拟积分器的不足之处是一种可能的 克服模拟积分器带来的问题的方法。因此在高压端电路设计时采用了模拟积 分器。 2 2 3 信号传输系统设计 为了解决绝缘问题，高压区和低压区的信号采用光纤传输。由于光纤具 有抗电磁干扰的能力，可减小信号传输的误码率。高端部分将信号经过e o 转换利用光纤传输，从而大大降低了电力系统中的电磁干扰对测量装置的影 f l 向 3 6 。 1 曼 电 光 曼 电 斯 彻 光 l 斯驱 转 i 转 特 码 - 口、 码 特动 - - - _ 换 光 码 电 器 _ 缆 i 编路 码 p i 器 o l z 、一器 、_ 一 i i 图2 4 光纤通信系统原理框图 在光通讯中，普遍采用曼彻斯特码传输数据3 7 1 。光纤传输系统主要是由 光发射机光缆和光接收机组成。其中，光发射机由曼彻斯特码编码器、驱动 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电路和电光转换器( l d ) 组成；光接收机由光电转换器( p i n ) 和曼彻斯特 码解码器组成，如图2 4 。高压端采集的每一帧数据经过曼彻斯特码编码器编 码后，再经过驱动电路进入电光转换器( l d ) ，通过光缆到达光电转换器 ( p i n ) ，再通过曼彻斯特码解码器后供低压端信号处理系统使用。 在信号传输系统的发射机中，曼彻斯特码编码器由高速单片机实现。电 光转换器由封装在f c 接头里的半导体激光二极管实现。其对脉冲的响应时 间小于4 n s ，工作电流小于5 m a 。半导体激光二极管封装在f c 接头里，所 以对电磁干扰和环境因素具有很强的抗干扰能力，外界光强的变化也不会对 传输的光脉冲信号波形造成影响。由于发射机是半导体激光二极管，因此驱 动电路是恒流源电路【3 8 】。 在信号传输系统的接收机中，由于采用了数字的传输方式，光电管对输 入光脉冲的响应速度直接制约着通信速率。实验证明，采用普通光电二极管 作为光电转换器件，其对方波的响应只能达到几十千赫兹。为了提高传输速 率，提高系统的实时性，本系统采用了p i n 光电二极管作为光电转换器件。 它具有十分宽的响应范围。曼彻斯特码解码器仍然由高速单片机实现【3 9 1 。 2 2 4 低压端电路工作原理 低压端电路的目的就是要把经过光纤从高端传输下来的数字调制信号解 调出来，并分别对计量信号和保护信号进行处理。为了便于国家检测，最后 要经过适当的处理再还原成模拟信号，提供满足实际需要的计量信号和保护 信号。 低压侧电路主要由解帧系统、计量信号处理电路、保护信号处理电路和 校准系统四部分构成( 如图2 。5 所示) 。其中计量信号处理部分由恢复计量信 号、传感器温度补偿、滤波器温度补偿、器件非线性补偿、模数转换和滤波 放大组成；保护信号处理由恢复保护信号、传感器温度补偿、积分器温度补 偿、滤波器温度补偿、器件非线性补偿、模数转换和滤波放大组成。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 解帧系统把每一帧数据分解开，并提供该帧数据的错误标志。 计量信号处理系统中，恢复计量信号部分根据数据的错误标志，进行以 下处理：( 1 ) 计量数据正确，则直接输出；( 2 ) 计量数据错误能进行恢复， 则把计量数据恢复后输出；( 3 ) 计量数据错误而且不能进行恢复，则进行计 量数据补充。因为电子式电流互感器是实时系统，不能等到下一帧计量数据， 所以该帧计量数据用上一帧计量数据代替。把得到的计量数据进行温度补偿 和器件非线性补偿后再进行数模转换，然后滤波放大后输出。 保护信号处理系统中，由于传感器是r o g o w s k i 线圈，信号处理中存在积 分器，所以保护信号的数字信号处理中要有积分器的温度补偿，其余的部分 和计量信号基本类似。 信号输入 i 恢复计量信号 卜一解帧卜-叫 恢复保护信号 上 + 传感器避度补偿卜 。l 传感器温度补偿i r i 上 参 滤波器温度补偿 数 积分器温度补偿 较 上 准 系 h 卜 滤波器温度补偿 器件非线性补偿一 统 j l 器件非线性补偿 数模转换器 数模转换器 i 滤波放大 i i滤波放大l 上 一 输出接口 图2 5 低压端系统原理框图 参数校准系统中存储有用于器件非线性补、温度补偿与校准所需的各种 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 参数。为了实现现场校准的功能，该系统中所有参数数据都能现场修改调试。 2 2 5 高压端电路供能解决方案 为了解决绝缘问题，高压区电路供能可采用的方案有：悬浮电源供叫1 6 j ， 太阳能供电，激光供能等方案。 悬浮电源是一种新型的电子式电流互感器供电电源。这种电源通过传统 的c t 从高压母线电流取能，经过滤波后，采用脉宽控制可控硅的导通角， 得到稳定的直流电源。从另一意义上简单的说悬浮电源就是一个电流电压转 换器，它把传统的c t 输出的电流型功率信号转换为满足电路工作需要的稳 定电压。通过反复试验，这种方案出现了诸多问题：当母线电流过大或发生 快速变化时，可控硅会烧毁；而在电流较小时有没有足够的输出功率【4 0 j 。 太阳能供电是一种环保能源，但受到电流互感器工作环境的限制，在连 绵阴雨天气的地区则不能工作。 最后只有激光供能是一种比较理想的选择，图2 6 是激光供能的原理图， 包括低压端、光缆、低压端三部分。图中，电源经过恒流源后输入到高功率 半导体激光器中，激光器输出大概1 w 的光能，把该光能耦合到光纤中，经 过通信光缆传输到高压区，经过高功率高效率的光电转换器后，输出直流电 源，经过稳压后供高压区电子线路使用。 图2 6 激光供能系统原理框图 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 6 电磁干扰解决方案 电子式电流互感器的高压端工作在高压交变电磁场中，抗电磁干扰性能 解决的好坏直接影响着电子式电流互感器能否正常工作。 首先是对一次传感元件的电磁屏蔽与保护。该层屏蔽既要屏蔽掉外来电 磁场对一次传感元件的干扰，又要尽可能减小对检测信号的影响，因为一次 传感元件也是用电磁互感原理来检测信号的。 其次是对高压区电路的屏蔽保护，该层屏蔽要确保极小信号的电子线路 在高压交变电磁场中正常工作。 系统的保护从下面三个方面进行：一、强电场屏蔽；二、强磁场屏蔽： 在大于1 1 0 千伏的强大电场中，每厘米范围内的电势差也可能达到几百 伏，而未加保护的普通电子线路中的元器件只能承受几十伏的冲击，因此电 磁场屏蔽是必不可少的。电屏蔽的原理是在保证良好接地的条件下，将干扰 源所产生的干扰终止于由良导体制成的屏蔽体。根据电场理论电场中接地金 属腔体内部的电势恒定，金属体是等势体。因此，接地良好及选择良导体做 为屏蔽体是电屏蔽能否起作用的两个关键因素。 磁屏蔽的原理是由屏蔽体对干扰磁场提供低磁阻的磁通路，从而对干扰 磁场进行分流，因而选择钢、铁、硅钢合金等高磁导率的材料，以及屏蔽盒 的设计成为磁屏蔽的两个关键因素。非晶铁磁材料具有较高的磁导率，性价 比大，经试验验证一层非晶材料的屏蔽效果可达到1 5 d b 左右，多层结构可 以达到良好的效果。 电子式电流互感器的低压端虽然工作在机房内，但也要做相应的电磁屏 蔽以符合国家对电器的电磁兼容要求。 2 3 本章小结 本章简单介绍了新型电流互感器电子式电流互感器的工作原理；结 合电力行业的要求，给出了电子式电流互感器的一个解决方案；详细介绍了 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 该解决方案中电子式电流互感器各个部分的工作原理。 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章一次传感元件理论研究与制作 3 1 一次传感元件工作原理 3 1 1 铁芯线圈测量原理分析 将测量导线均匀地绕在截面均匀的铁磁性材料的框架上，则构成了铁芯 线圈，被测电流从线圈中心穿过，由电磁感应原理可知：任何一个随时间变 化的电流f ( f ) 总是伴随着一个随时间变化的磁场环链，这个磁场将在线圈中 感应产生电势p ( f ) ，当线圈输出端所接负载阻抗值较小时，输出电流i o0 ) 与 测量电流f o ) 成正比【4 1 1 。当线圈的变比尼已知，输出电流f 。( f ) 为： f oo ) = 掣 线圈输出电压： “o ) = i o ( t ) r 其中：r 负载阻抗 由式( 3 一1 ) 和式( 3 2 ) 可得到： “o ) = 芈 3 1 2 空心线圈测量原理分析 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) 将测量导线均匀地绕在截面均匀的非磁性材料的框架上，就构成了 r o g o w s k i 线圈。当r o g o w s k i 线圈的结构确定后，就可以通过理论分析计算 出e ( t ) 与被测电流变化的关系。用r o g o w s k i 线圈测量电流的原理如图3 1 所示。该绕组均匀绕在一个非磁性骨架上【4 2 1 。 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 根据全电流定律： 则有： 所以： 图3 1r o g o w s k i 线圈原理图 4 h d l = ， 日：土 2 刀7 - b = l l o h = 筹 印) _ _ 警 妒2 于= 4 恸p 。id s = j 筹p 2 0 万l hh 告 则磁链为： = 所以感应电势g ( f ) 为： 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一等一百p o n hh 每鲁 p 5 ， 式中： ，导线中流过的瞬时电流5 ，i o g o w s k i 线圈的骨架的任意半径； 鳓真空磁导率；4 石1 0 h m ； 绕组匝数； h 骨架高度，m ； r 。骨架外径，m ； r ，骨架内径，m 。 绕组互感m 为： m = 胁尝h 叁 r o g o w s k i 线圈的感应电动势便是： 印) = m 警( 3 - 6 ) 当一次母线流过方均根值为“的正弦电流时，r o g o w s k i 线圈的输出电压 方均根值为： e = 删l n r 2l + 图3 2r o g o w s k i 线圈等效电路图 现在我们分析包括含有暂态分量的一次电流时的输出电压。图3 2 是测 2 l 哈尔溟：i 程大掌坝t 学位论文 量回路的等效电路图，r 。是取样电阻，u o u t 是绕组的输出电压，则回路方程 为： f ( f ) 2 百u o u t ( 3 - 7 ) m ) = 去誓鸠等饥埘 b 8 ， 式中： 三绕组自感； r 。绕组绕线电阻。 把 砸) _ - m 鲁 代入上式，得： 一m 生d t 去r 丝d t 岖等r 帆埘 ( 3 - 9 ) 口“、。 式中： l = n o i = ( t o n 2 h 1 2 r c ) l n ( r a l r ) 代入式( 3 7 ) 中得： 一鲁警=duou_lt+堕+鱼(3-10)dt ll衍 “ 设 一譬婴：冬+ ( 笔墨) nd tm、l 。“i ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 去毖 = 一 乏 j 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式中： 。一次电流交流分量幅值； r l 一次电流直流分量衰减时间常数。 对式( 3 1 1 ) 和式( 3 1 2 ) 进行拉氏变换： m m ( 一南+ 士) y l r bs l ( s ) = s t o , , t ( 卅去( 趴 删一令螂( 主， l ； 式中： s 拉氏变换因子。 由式( 3 - 1 3 ) 和式( 3 1 4 ) 得： 一鲁州主m 南+ 主， = 一鲁“麓南+ 鑫南 ( 3 - 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 - 1 5 ) 一丽1 主1 一去走+ 去- s - ：- f ( 3 - 1 6 ) 一