（光学工程专业论文）保护用有源型电子式电流互感器研究.pdf

堕玺堡三塑奎兰堡主堂垡丝塞 摘要 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 ) 是利用电子 和光学技术直接或间接地测量电流的装置。近年来电子式电流互感器研究取 得了可喜的进展。 但电子式电流互感器距离实用化还有很大的距离。将电子式电流互感器 应用于电力系统的微机继电保护也是一个崭新的课题，是对电子式电流互感 器应用的一个扩展。文中对电子式电流互感器的工作原理进行了深入的研究： 深入了解国家标准对电子式电流互感器的设计要求与检测标准：探讨了保护 用电子式电流互感器的设计方案；研究了相应的信号处理电路设计的指导思 想、设计方法：完成了原理性实验电路的设计、制作与调试；并将将样机送 至国家变压器检测中心进行检测。 本文通过试验测试和检测中心检测得到了一些具有实际指导意义的数据 和结论，这对于将电子式电流互感器技术应用于微机继电保护上在理论与工 程实际两方面都有十分重要的意义。 关键词：电子式电流互感器；继电保护；工作原理；设计方案：样机 哈尔滨工稃大学硕士学位论文 a b s t r a c t 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 tf o rs h o r t ，i st h ek i n do fe q u i p m e n t m e a s u r i n gc u r r e n td i r e c t l y o ri n d i r e c t l y b yu t i l i z i n ge l e c t r o n i ca n do p t i c a l t e c h n o l o g y a n dt h er e s e a r c ho ni th a sg o o da c h i e v e m e n ti nr e c e n ty e a r s h o w e v e lt h e r ei ss t i l lal o n gd i s t a n c ef o rt h ee c tt ob ep r a c t i c a l i ti san e w t h e m et h a ta p p l y i n gt h ee c ti nm i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o ni np o w e r s y s t e m ， w h i c hi sa l s ot h ee x t e n s i o no ft h ee c ta p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ew o r k i n g p r i n c i p l eo ft h ee c ti sr e s e a r c h e dd e e p l y a n dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n d d e t e c t i n gc d t e r i o no ft h en a t i o n a lc r i t e r i o nt oe c t a l ei n q u i r e d m e a n w h i l e ，t h e d e s i g ns c h e m eo ft h ep r o t e c t i n ge c t i sd i s c u s s e d ，a n dt h ed i r e c t i n gi d e aa n d d e s i g n i n gm e t h o do fi t sc o r r e s p o n d i n gs i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t f i n a l l y , t h e e x p e r i m e n t a lc i r c u i t sd e s i g n i n g ，m a n u f a c t u r i n ga n dd e b u g g i n gp r o c e s s e sa l e c o m p l e t e d ，a n dt h e nt h ed e v i c es a m p l eh a sb e e ns e n tt ot h en a t i o n a lt r a n s f o r m e r d e t e c t i n gc e n t e r s o m ed a t aa n dc o n c l u s i o n 、析t l lp r a c t i c a ld i r e c t i n gm e a n i n gh a v eb e e no b t a i n e d b ye x p e r i m e n t a lt e s t i n ga n dd e t e c t i n g ，w h i c hh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a t i o ni nt h e a r e a so ft h e o r ya n de n g i n e e r i n gp r a c t i c ef o rt h ee c tt e c h n o l o g ya p p l i e di n m i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：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 ；r e l a yp r o t e c t i o n ；w o r kp r i n c i p l e ； d e s i g nt h e m e ；d e v i c es a m p l e 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 献的引用己在文中指出，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已 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) ： 日期：加年 宰只5i e t ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 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 1 l o k v 以上变电站的油浸电磁式电流互感器( c u r r e n tt r a n s f o r m e r ：c t ) 已暴 露出下述内在的致命弱点： ( 1 ) 由爆炸引起的灾难性事故的潜在危险； ( 2 ) 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； ( 3 ) 铁芯共振效应； ( 4 ) 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： ( 5 ) 输出端开路导致高压； ( 6 ) 体积大、重量大、价格昂贵； ( 7 ) 精度限于3 ； ( 8 ) 易受电磁干扰影响。 ( 9 ) 不易与数字设备连接。 与其相比，光学电流互感器( o p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r ：o c t ) 则 表现出截然相反的优点： ( 1 ) 不含油，没有爆炸危险： ( 2 ) 不含铁芯，没有铁磁共振、磁饱和及大电感引起的滞后现象： ( 3 ) 绝缘性能好，用来做传感材料的光学玻璃、传输信号的光纤都是良 好的绝缘材料： ( 4 ) 无开路导致高压的危险； ( 5 ) 动态范围大，可在相当宽的电流范围内保持良好的线性特性： 哈尔滨1 榉大学硕士学位论文 ( 6 ) 测量频带宽，由于光通过传感器部分只需要微秒级时间，因而频带 宽度完全由信号处理部分电子线路响应速度决定： ( 7 ) 受电磁干扰影响小； ( 8 ) 体积小、重量轻、结构简单，易于与数字设备连接等。 故用光学电流互感器取代电磁式电流互感器已成为必然趋势，因而得到 了各国研究者与业内人士的极大关注。 1 ：1 光学电流互感器的分类 光学电流互感器( o p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r ：o c t ) 是由连接到传输 系统和二次转换器的一个或多个电流传感器组成，其二次转换器的输出实质 上正比于一次电流，且相位偏差在联结方向正确时为己知相位角的装雹。由 于其中某些类型要利用光学器件对电流传感、几乎全部利用光纤传输信号。 按照高压区工作单元是否需要供电，o c t 通常可分为有源型和无源型两大类： 按照传感机理和传感头的具体结构，o c t 又可分全光纤型、光学玻璃型、混 合型( 利用传统c t 二次输出线圈采样或用r o g o w s k i 线圈取样) 、磁场传感器 型和其它传感机理型。有源型o c t 仍以电磁感应为其工作原理，以各种采 样线圈为其一次传感元件。大多数无源型o c t 则是以法拉第效应为工作原理， 以光纤或光学玻璃电流传感头为其一次传感元件。 1 2 有源型光学电流互感器 有源型光学电流互感器( a c t i v eo c t ：a o 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“1 、相位调制。”、频率调制“1 与脉宽 脉位调制”1 等) 后，经电光转换形成光信号，再经由光纤传递到低压侧，进 哈尔滨一j ：穰火学硕士学位论文 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，a o 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。 在a o c t 中，有多种元件可用于电流采样，包括特别设计的小信号电流互 感器、r o g o w s k i 线圈等。其中r o g o w s k i 线圈于1 9 1 2 年首次被用于磁场的测 量。当时由于其输出电压和功率过小，以至于不能驱动测量设备而不能用于 电流测量”1 。1 9 9 2 年p o w e re l e c t r o n i cm e a s u r e m e n tl t d 首次研制出了商 用的宽带r o g o w s k i 线圈“1 。r o g o w s k i 线圈因其频率响应好、准确度高、结 构简单且成本低廉而被公认为是较理想的母线电流采样元件。 r o g o w s k i 线圈是将导线均匀绕制在非磁性材料骨架上的空心线圈，如图 1 1 所示。若线圈匝数为，其截面为长口宽h 的长方形，载有待测电流，( ，) 的母线尺寸( 截面大小) 可忽略不计，则在空心线圈输出端的开路输出电压 y ( n 为”1 ： w ，= 掣# f o h w i n 争掣= 一 警 m ， 幽1 1 空心线圈结构图 式中m 为互感系数，霄、，为线圈的外圈和内圈半径。由( 1 ) 式可知，r o g o w s k i 线圈的作用是将被测的电流量j ( f ) 转换为与之成微分关系的电压量v ( t ) ，且 3 啐 哈尔滨工程大学硕士学位论文 输出电压的大小范围可由调节m 的大小进行控制。 欲使a o 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罗氏( r o g o w s k i ) 线圈结构、抗电磁干扰能力、电磁兼 容特性、采样线性与精度等性能的保证及稳定问题；高、低压侧电子线路( 含 电光一光电转换) 及光纤传输系统的温度稳定性问题；为高压侧电子线路供 电问题。 为保证罗氏线圈的温度稳定性，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”1 ；在罗氏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“1 ：罗氏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罗氏线圈中心位置。罗氏线圈结 构与制作工艺曾有新的创意可供借鉴“”，其与母线的连接方式也有讨论“。 对电流采样信号可有多种调制方式，其特性各有千秋：直接a d 转换效 果较好，但技术相对复杂，成本相对较高；调相、调频与脉宽脉位调制技术 相对简单，成本相对较低，但由于需用的元件如压电晶体( 调相) 、振荡电容 器( 调频) 等对温度的敏感性导致系统温度稳定性不很理想。欲扩大调相a o c t 的动态范围，可采用相位压缩技术“”，对调频a o c t 可采用两个锁相环v - f 转换电路实现对称温度补偿。电网频率波动引起采样同步误差的补偿技术 则解决了a o c t 采样过程中采用数字技术的一个障碍“。 电光转换电路中光源输出功率对温度十分敏感且处于户外使用环境，加 之光纤传输损耗会随温度改变，导致传输致低压侧的光功率会随季节不同在 很宽的范围内波动。放光电转换器件灵敏度要留有余量，且数字解调应选择 适当的判决电平。 常见的为a o c t 高压侧电路供电技术有悬浮电源技术“”“1 、激光供电技术 “1 与太阳能电池供电技术一。其中悬浮电源技术比较接近实用，但需采用特 4 哈尔滨工挥大学硕+ 学位论文 制小c t 自一次电流取能，电源电路需采取必要的措施使其在很宽的一次电流 范围内能够正常工作，且需采取适当的措施防止电压电流浪涌损毁电路，并 应考虑电磁屏蔽等问题以满足电磁兼容要求；激光供电优点明显但成本昂贵 导致难以采用；太阳能电池供电不很方便且供电功率偏小。 1 3 无源型光学电流互感器 1 3 1 光学玻璃电流互感器 光学玻璃电流互感器( b u l kg l a s so p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r ：b g o c t ) 与全光纤型o 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，传感头易碎，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。 1 3 1 1 传感单元设计 b g o c t 传感单元由玻璃传感头与偏振器件构成。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 减小程度陋“。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。 1 3 。1 。2 反射相移对b g o c t 性能影响及对策 反射相移对系统灵敏度、稳定性及抗外电磁场干扰能力影响的研究结果 表明，若将总反射相移控制在0 2 4 r a d ( 约为1 4 。) 以内则传感头的灵敏度将 哈尔滨j 明鼙大学硕士学位论文 不低于理想模型灵敏度理论预期值的9 0 1 。反射相移还会影响传感头抗外 场干扰能力，因此有必要采取措施抑制或设法减小反射相移，或是采取必要 的补偿措施“3 1 。利用估算传感头反射相移大小的方法可对反射相移进行实验 研究“。 b g o c t 光源的驱动电流与环境温度改变，都会造成光源峰值波长移动。 由于反射相移具有色散特性，会使灵敏度随光源波长的变化而改变。对反射 相移色散特性及反射相移与v e r d e t 常数联合色散特性对灵敏度影响的研究 结果表明，反射相移色散特性及v e r d e t 常数色散特性均会对输出曲线的尺度 因子产生明显的影响。因此，有必要对光源采取恒温与恒驱动电流控制，或 是采取其它必要的补偿措施删。 解决反射相移问题的基本方法是使光束在传感头内实现双正交反射1 、 临界角反射1 或保偏反射( 可分别用多层保偏反射膜。“与单层介质保偏反射 膜。“3 实现) 。 1 3 1 3 线性双折射对b g o o t 性能影响及对策 线性双折射以抽样函数的形式影响传感头的尺度因子，同时还会调制入 射起偏角对输出曲线截矩的作用因子；输出曲线的截距随起偏角改变则呈正 弦样变化，当入射起偏角为0 。、4 5 。或9 0 0 时曲线截距为零。“1 。尽管使用交流 计量设备时该截距对输出无实质性影响，但其对尺度因子的影响却会破坏系 统输出的温度与振动稳定性。此外，线性双折射色散对b g o c t 传感头性能也 会产生影响，因此有必要采取措施减小传感头中的线性双折射，或是采取必 要的补偿措施。减小传感头内线性双折射的措施包括对传感头退火，注意 传感头包装支撑结构对传感头施力的均匀性等。 为便于对线性双折射的实验研究，王政平等人报告了用4 波片测量 b g o c t 传感头线性双折射的方法o ，并提出了测量4 波片实际相位延迟角的 6 哈尔滨l ：程人学硕士学位论文 方法。6 1 ，以提高对线性双折射的测量精度。 传感头环境温度变化在传感头内形成的折射率梯度会产生双折射梯 度进而改变输出信号的尺度因子。由于该双折射梯度与传热过程有关， 使其对尺度因子的影响不具有可重复性而严重地破坏传感头的可靠性。 解决该问题的可能的方向之一为设计适当的热缓冲结构延缓传热过程 使传感头内温度变化接近准静态过程以避免形成温度梯度：还应采用均 热结构使传感头内温度场均匀分布。 1 3 1 4 偏振器件对b g o c t 性能影响 超偏器消光比和预偏角误差均可在b g o c t 的输出中引入直流分量，并使 尺度因子发生一定的改变。当最终输出信号用交流电表度量时，输出信号中 引入的直流分量可被交流电表中的自带的隔直电容滤除，尺度因子的改变可 用后续信号处理电路中的放大单元矫正“”3 。用于输出光束检偏的偏振分束器 消光比随温度变化产生较大测量误差的问题可用改进的差除和信号处理方案 补偿1 。 1 3 1 5 工作环境对b g o c t 系统的影响及补偿措施 b g o c t 系统的工作环境的温度、压力、振动等因素通过构成系统的各个 器件及单元的性能改变对系统产生不利影响。提高系统对环境改变的耐受性 能的思路一是改善各器件性能，二是通过信号处理予以适当补偿。 环境温度改变导致的光源发光中心波长发生漂移可通过传感头各光学参 量的色散特性对系统灵敏度产生影响，最终破坏系统的温度稳定性。传感头 哈尔滨工鞋大学硕士学位论文 各光学参量色散对系统综合影响并不是各自影响的简单相加，其中存在联合 效应“”2 7 ”= 1 ”。因此需考虑采取整体补偿措施。 环境温度变化可改变传感头内线性双折射、反射相移及v e r d e t 常数大小 的改变。采用两种磁光材料v e r d e t 常数温度曲线之商对y e r d e t 常数温度特 性对系统的影响有明显的补偿效果。：根据事先测碍v e r d e t 常数或系统输出 的温度特性对系统输出予以补偿也是一种可行的办法，但其自口提是已对传感 头采取必要的传热缓冲与均匀化结构，否则很难获得可重复的输出温度曲 线或数据表。 周期性振动引起的传感头内因弹光效应导致线性双折射的周期性改变、 母线在原来固定位置附近振动及对上行传导光纤( 自光源至起偏器的一段) 的作用使进入起偏器的光强发生波动均会破坏系统输出的稳定性。故须对传 感头采取适当的防振措旖并设法将传感头与母线固定在一起可减小或消除前 两种不利影响：利用长多模光纤的消偏和消相干性能并选用低相干光源可有 效地抑制光纤中的振动噪声；仅使斜向光束耦合进多模光纤的技术也可有效 抑制振动噪声“1 。反射相移对b g o c t 振动稳定性也有影响，故应设法减小 反射相移”“。 b g q c t 信号处理单元的基本功能是检测出法拉第旋转角的大小，补偿光 源光强涨落对输出信号的影响，带通滤波以提高系统输出信噪比，相位调整 以减小输出信号的角差及将输出信号放大到规定的幅值。此外，温度补偿、 振动补偿等也都是信号处理单元应具备的重要功能。对经典的单探头方案、 差除和方案及及改进的差除和三种基本检测方案的分析结果表明，改进的差 除和方案噪声最小“。 小电流测量信号会被噪声严重干扰甚至淹没。由于b g o c t 内部的噪声基 本上与被测电流信号所在的频段相重叠，因此无法用传统的滤波器方法将其 滤除。实践证明，采用自适应信噪分离技术可实现电流信号与固有嗓声的分 哈尔滨： 程大学硕士学位论文 离而提高b g o c t 测量小电流的准确度“。 1 3 2 全光纤电流互感器 全光纤光学电流互感器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 t t r a n s f o r m e r ：f o c t ) 。其工作原理主要为f a r a d a y 效应和磁致伸缩效应。 f a r a d a y 效应f o c t 常采用偏振检测方法，或利用f a r a d a y 效应的非互易性采 用s a g n a c 干涉仪实现检测。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 - 1 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 实用化要的关键问题。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“”1 ， 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s a g n a cf o u r 。 1 3 ，2 1f o c t 传感头的改进 对f o c t 的性能改进工作主要是围绕解决线性双折射影响进行。其中重要 的方法是在传感光纤环路中设法引入或增大圆双折射“侧。用神经网络方法 对线性双折射影响进行补偿的方法则是一种新的思路“。对于 4 波片不完 备性引起的尺度因子误差可将两个波片的光轴预景成4 5 。角予以解决。采 用外s a g n a cf o c t 方案则可提高系统灵敏度阳1 。一种独特的传感头精细设计 对解决线性双折射问题证明是有效的。该设计将传感光纤退火并置于线圈形 熔硅制成的毛细管中，再将该毛细管埋藏于充有硅酮的环形室中，以此来实 现一种对温度与振动均不敏感的、对f a r a d a y 效应具有内在温度补偿功能的 s a g n a cf o c t 。其研究结果表明：光纤双折射的温度依赖性可用来平衡f a r a d a y 哈尔滨工程大学硕士学位论文 效应的温度依赖性；在一3 5 8 5 。c 的范围内，其温度不敏感度在0 2 以内； 在l o g j e 速度5 0 0 h z 频率振动条件下输出信号中仍未见振动干扰“”。对f o c t 中由耦合器所引起的附加偏振问题可通过提高光源波长的稳定性或者提高耦 合器的带宽并采用特殊的数据处理方法消除其影响“”。 1 3 2 2v e r d e t 常数波动的补偿方案 v e r d e t 常数的大小会随温度变化而改变，并且是波长的函数。因此对 v e r d e t 常数温度特性进行补偿并采取措施稳定工作波长是解决v e r d e t 常数 随环境因素波动问题的基本思路。r o s e 等人对6 3 6 i 3 2 0 n m 范围内退火光纤 的v e r d e t 值进行了测量，为了解v e r d e t 常数的波长依赖性提供了实验依据 ”。采用闭环反馈技术的设计m 或平衡测试技术的设计“对v e r d e t 常数变化 引起的f o c t 性能漂移的补偿是有效的。 1 ，3 2 3 信号处理技术 信号处理单元的重要功能是补偿诸如光强涨落、相位飘移、信噪比降低 等影响f o c t 性能的各种有害效应，提高系统稳定性与信噪比。 采用f 弦波调制l d 的外差检测方法是消除由光源及光路损耗引起的光 强涨落对f o c t 影响的方法之一”3 。采用双渥拉斯顿棱镜的信号检测与处理方 法可解决采用扭转光纤的f o c t 因温度变化等因素引起的偏振相位漂移问题 1 。采用基于小波变换的带通滤波器1 、基于频域窄带加窗理论的信号处理 技术3 或带有双t 型选频网络的光检测放大电路可提高f o c t 的信噪比。 1 3 ，2 4 标定技术 标定技术对于o c t 的研究、开发与生产都十分重要，但以往对此报告不 多。最近b l a k e 在实验室条件下对f o c t 在1 3 6 0 0 a 范围内的精确标定技术 1 0 呤尔滨一i j 程大学硕士学位论文 进行了研究，使标定误差在1 i o o a 的范围内降到0 0 0 1 1 。 1 3 ，2 5 采用其它原理的f o o t 就一般性而言，儿是可以检测由电流引起的物理效应的装置都可用于对 电流的间接检测。因此客观上存在相当多的检测电流的方法。近期见诸报道 的有用直接测量在铁氧铁片上磁畴壁位置的方法测量电流的传感器。“、利用 法布墨一珀罗干涉仪检测磁致伸缩产生的位移的f o c t 1 、利用光纤微弯产生 光强损耗效应的f o c t “”3 、利用磁致伸缩材料和光纤光栅构成的f o c t ”等。 由于其中多数距离实用尚远而未形成f o c t 研究的主流。 1 4 光学电流互感器技术前景展望 尽管无源型o c t 比有源型有更长的研究历史，但由于有源型o 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实现实用化。依据 i e c 6 0 0 4 4 - 8 标准制定出的适应本国情况的国家技术标准是o c t 研发的技术依 据与法规性保障。我国制定0 c t 技术标准的工作目前正紧张进行。此外，尽 管国际电工委员会已颁布的o c t 技术标准中包含了o 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o 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o c t 接口适配的 后续设备接口标准。虽然国外有源型与无源型o c t 均已见产品宣传，但尚未 见大规模投入使用的报道。为了实用，现有o c t 的温度与振动稳定性仍有待 于进一步提高。对于o c t 优越性的宣传、提高电力行业有关人员对o c t 技术 的了解与认同程度也是实现o c t 实用化必须解决的问题之一。由于o c t 技术 具有传统c t 无法比拟的内在优点，加之o c t 技术的同趋成熟、技术法规环境 的建立、业内人士认同程度的提高，因此o c t 必然具有十分美好的实用化前 景。 i l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 5 保护用有源型电子式电流互感器的研究意义 由以上介绍可知，电子式电流互感器晌度与其它类型的电流互感器有很 多的优势，更易于实用化。将电子式电流互感器应用于电力系统的微机继电 保护是对电子式电流互感器应用的拓展。本文对应用于微机继电保护的电子 式电流互感器原理进行了深入地研究，提出了一套合理的设计方案，设计， 制作出了样机，并最终将样机送至国家检测中心检测。得到了一些非常宝贵 的具有实际指导意义的数据和结论，对整个电子式电流互感器行业的发展起 到了一定的推动作用。 哈尔滨】：程大学硕士学位论文 第2 章有源型电子式电流互感器技术理论研究 2 1 有源型电子式电流互感器工作原理 有源型电子式互感器也属于混合型o c t ，混合型o c t 是利用有源器件调 制技术，以光纤作为信号的传输媒质，把高压侧转换的光信号传输到接收端 进行信号处理，得到被测电流信息的装置，其中光纤仅作为信号的传输装嚣， 不用作传感器件。它避免了全光型o 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。早期的混合型o 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，这种混合型的0 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。本文介绍的混合型o 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。 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，其特点在于被测电流几乎不受限制，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0 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敏感元件，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，用于混合型光电电流互感器。 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，如图2 1 所示。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问变化的磁场环 链，这个磁场将在线圈中感应产生电势e q ) ，电压e ( f ) 与电流的变化率 d i ( t ) d t 成正比。当互感系数m 己知，感应电势8 0 ) 为 p ( ，) = 一m d i d t ( 2 1 ) 哈尔滨一l 程大学硕士学位论文 卜l a l h - 了 图2 1 空心线圈结构图 图2 2 电子式电流互感器高压侧系统框幽 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 ( 0 与被测 电流变化的关系。 哈尔滨：i ：程入学硕士学位论文 基于r o g o w s k i 线圈传感的混合型电流互感器系统框图如图2 2 和图2 ，3 所示。 供 电 电 源 陟 io e ， i 放大滤波整形 士 f n 转换 上 放大滤波 上 积分调相 上 保护端口 图2 3 电子式电流互感互感器低压侧系统框| 璺| 如图2 2 所示，被测电流f 通过r o g o w s k i 线圈时，在线圈出线端感应产 生电势e ，该信号经过放大滤波，并经v f 转化成频率信号以后，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，将频率信号利 用f v 还原成模拟电流信号，最后经过放大积分调相供保护用。 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r o g o w s k i 线圈i 高压侧信号处理电路；太阳能供电系统；光纤传 输部分和低压侧信号处理电路。下面分别从这几个部分来介绍。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 一次传感元件工作原理【i o l 【 一次传感元件也即r o g o w s k i 线圈，用r o g o w s k i 线圈测量电流的原理如 图2 4 所示。陔绕组均匀绕在一个非磁性骨架上。 根据全电流定律 则： 所以： 图2 4r o g o w s k i 线圈原理图 矗h d l ：l j h ：三 2 z r b ；。h ：掣 上刀r 再按电磁感应定律： 哪) = _ 警 妒= 扣搬= 蟛舔= 搿胁= 警，哮 则磁链为： m = 所以感应电势e ( t ) 为： ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 哈尔滨1 ：程犬学硕士学位论文 e ( f ) ：一塑- t o n h i n 墨坐( 2 - 8 )、 国2 丌rd t 式中：，一导线中流过的瞬时电流，a r 一r o g o w s k i 线圈的骨架的任意半径 风真空磁导率；4 _ 7 r 1 0 。h m 一绕组匝数 h 一骨架高度，m r 一一骨架外径，m r 一一骨架内径，n l 绕组互感m 表达式为： m = 。0 瓦n h - 每 ( 2 - e ) r o g o w s k i 线圈的感应电动势便是： 8 ( r ) ：一m d ( 2 1 0 ) 捕三 圈2 5r o g o w s k i 线圈等效电路幽 当一次侧流过方均根值为，。的正弦电流时，r o g o w s k i 线圈的输出电源方 均根值为：e = m m i 。 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2 5 是测 量回路的等效电路图，凡是取信号电阻，甜。是绕组的输出电压，则回路方 程为： 哈尔滨i ：程入学硕十学位论文 f ( r ) = u r o u t 哪，= 寺鲁蝎等鹕。 式中：l 一一绕组自感，h r 。一绕组绕线电阻，q 把e ( f ) ：一m ! ；代入上式，得 一m 丝d t = 三r h 虹d t + j r ：竖r + 甜。h z。 式中三= f _ ( n 2 h 2 r r ) l n ( r 。r ，) ，代入式( 2 1 1 ) 中得 一墅n 堕d t = 监d t + 堕l + 堕l 口o 一鲁堕：堕+盘选)。dntd t 、l 设正= 丽l ，且 ，0 ) = 厶扣“一c o s 耐) 式中： ，。一一次电流交流分量幅值，a z 一一次电流直流分量衰减时间常数，m s 对式( 2 - 1 5 ) 和式( 2 - 1 6 ) 进行拉氏变换： m m 小南+ 主) z 一鲁踯) = s t o m + 扣 1 8 ( 2 1 2 ) ( 2 一1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 一1 5 ) ( 2 一1 6 ) ( 2 一1 7 ) ( 2 一1 8 ) ：立至鎏：三耋查兰翟王兰簦笙兰 刚加一鲁小班( 七) ( 2 - - 1 9 ) ”i 式中：s 一拉氏变换因子 将i ( s ) 代入上式： 心卜缸x c 土南+ 土， = 一鲁lc 蔫南+ 蔫南一 一蕊1 。再1 一击。主+ 矗x 寺c z z o ，一蕊。j 一赢。j + 赢。j 2 2 砭 恐耳 对上式进行拉氏变换，设 彳= 蔫鑫世一南一矗一去 = 一鲁l m ；s ( 耐) + 曰s i n ( o x ) + 啊 ( 2 - - 2 1 ) 从式( 2 - - 2 1 ) 看出，输出电压共包含四个分量，前两个分量是周期性分 量，后两个是非周期性分量。可按以下蘸个表达式： 爪f ) = 一鲁l 彳c 。s ( 甜) + b s i n ( 耐) 】 ( 2 2 2 ) “。：( f ) = 一- 鲁z o ( q , - t t 2 + n - t t i ) ( 2 2 3 ) 若令望笋= o ，可求得非周期性输出电压达到最大值的时间： 哈尔滨：e 程人学硕士学位论文 “2 箍m 一静( 2 - - 2 4 ) 下面我们讨论r o g o w s k i 线圈的稳态特性的误差： 由式( 2 2 2 ) 可表示为： “f ) - 一等l 仃面c 。s ( 耐删 ( 2 2 5 ) 式中：0 = a r c t a n ( b 4 )( 2 - - 2 6 ) 所以r o g o w s k i 线圈的稳态误差为： 占：耸生，( 2 2 7 ) i 式中： k ，一一额定变化，k 。= 一z ，一实际一次侧电流 式( 2 - - 2 6 ) 中的0 就是绕组的相位差。 绕组的暂态特性的影响参数分析如下： 从式( 2 - - 2 3 ) 可以看出，与次电流相比，对直流分量的大小主要取决 于二次侧时间常数。二次回路时间常数l 为： 、t2 2 焘( 2 - - 2 8 ) r ，+ r 。 疋的大小取决于绕组的自感l 、绕组的电阻月：和负荷电阻足。 绕组的自感： 上= n m i = ( 2 h 2 z ) l a ( r a 母) ( 2 - - 2 9 ) 它与绕组的匝数平方成正比，与绕组的高度成反比，还与绕组的内径有 关，即与i n ( r 。r ，) 成币比。 考虑到我们所研究的电子式光电电流互感器的整体结构在体积与重量上 要尽可能的小，因此，绕组电感值较小，时间常数瓦就很小。式( 2 2 3 ) 哈尔滨 ：程大学硕士学位论文 中第一项衰减非常快，只有第二项在起作用，即一次衰减时削常数在起作用， 亦即一次电流成线性变换n - - 次侧。输出电压为： “。= 一百r h 心) ( 2 3 0 ) 从上式可以看出，在数值上输出电压与一次电流成正比。 经试验者证明，由图2 6 可以看出r o g o w s k i 线圈在工频的情况下线性度 良好。 e 崮 脚 帮 辑 2 0 0 4 0 06 0 0 母线电流( ) 闰2 6r o g o w s k i 线圈线性度实验曲线 8 0 0 2 3 高压侧信号处理电路工作原理 本设计采用的高端信号处理电路与近年来多数研究单位所采用的结构基 本类似，均是采用先对r o g o w s k i 线圈的传感信号进行处理，再将该信号转换 成频率信号后再经过e o 调制成光信号，通过光纤传输到低压侧。不同点在 于信号的具体处理方法上，这里是把保护信号和计量信号分两个通道分别处 理，一路( 保护信号) 信号以v f c 转换成频率信号而另一路( 测量信号) 采 用a d 数字化。系统框图如图2 7 ( 保护部分) 所示。这样处理的原因在于： a d 的数据转换方式虽然精度比较高，但是速度比较慢、数据处理复杂、要 用比较多的元器件，功耗大。考虑到保护线路对精度的要求相对于测量线路 来浣比较低，而对反应速度要求高。故保护线路单独用v f c 作为信号转换器 姗喜；啪咖埘姗的。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 件就能满足系统要求。 母线电流l 太刚能电池板 图2 7 高压侧电路框图 如图所示，被测电流，通过r o g o w s k i 线圈时，在线圈出线端产生电势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。此信号经v f 转换， 得到的频率，频率信号再经过e 0 调制成光信号通过光纤传送到低端处理电 路。 2 4 太阳能供电系统工作原理2 】 从图2 7 可以看出本设计是采用高压侧供电方式，为高压区电子线路提 供电流的电源完全由太阳能电池来提供。太阳能被称为绿色能源，一次投资 哈尔滨二【：程大学硕士学位论文 长期使用。一般中小型的电子设备( 例如通信基站) 都采用这种方式来供电。 实现太阳能电池供电的方法有很多，更具要求而各有不同。太阳能电池加上 图2 8 太刚能供电系统总体框图 密封铅酸蕾电池相配合就是其中的一种，其耐高温和低温的能力强，还不怕 潮湿。通过适当的技术处理其可靠性和安全性非常的高。 图2 8 为太阳能供电系统总体框图。本太阳能供电系统主要包括太阳能 电池、铅酸蓄电池、稳压电路、充电器、电池电量监测、弱光情况技术处理 等6 个部分。 2 5 光纤传输系统工作原理 光纤具有抗干扰能力强，绝缘性能好的特点，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 响。光纤传输系统主要是由光发射机、光缆及光接收机组成。电光转换由发 光二极管s l e i ) 3 s 4 4 3 实现，其对脉冲的响应时间小于4 n s ，工作电流小于 l o o m a 。由于采用数字调制，对电磁干扰和环境因素具有很强的抗干扰能力， 光强的变化也不会对传输的光脉冲信号波形造成太大的影响。 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 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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，我们 采用了p i n 光电二极管，它具有十分宽的响应范围。 2 6 低压侧电路工作原理 低压侧电路的目的就是要把经过光纤从高端传输下来的频率调制信号解 调出来，通过f v 器件还原成模拟信号，经过适当的处理后，提供满足实际 需要的保护信号。 低压侧电路主要由以下几个部分组成：o e 转换、放大滤波、f v 转换、 积分调相、输出接口等部分。图2 9 给出了低压侧保护部分的电路框图。 l 陇h计量信号处理卜_ 输 出 团书斗懦卜即 接 口 图2 , 9 低压侧电路组成框图 2 7 本章小结 本章介绍了保护型电子式电流互感器的工作原理。把互感器系统分成一 次传感元件r o g o w s k i 线圈、高压侧信号处理电路、太阳能供电系统、光纤传 输部分和低压侧信号处理电路五个部分，并对各个部分的设计原理进行了研 究。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章有源型电子式电流互感器各部分电路设计 3 1r o g o w s ki 线圈的设计与制作 r o g o w s k i 线圈的设计和制作首先要保证二次测量传感元件的测量精度、 温度稳定性及带宽，而这些特性与线圈的骨架、线圈直径的选择和绕制工艺 方法都有着直接的联系，因此这三个方面是r o g o w s k i 线圈设计的关键。 为方便信号处理，首先我们要先从理论上确定罗氏线圈的骨架大小、外 形等参数，由式( 2 2 ) 。( f ) ：一塑：一 u 。n h i n 生塑及选定的参数即可计 d f2 r i m 算出线圈匝数。 r o g o w s k i 线圈的骨架对传感温度特性有决定性的影响，因此我们要选用 受温度影响较小的材料作线圈的骨架，也就是热胀冷缩小的材料。描述圃体 受温度影响体积变化大小的一个参数叫线涨系数。在一个特定的温度下，我 们可以定义线膨胀系数： 口；三旦( 3 一1 ) 口= 一一 l j lj fd 了 式中： ，一一固体材料的长度 丁一一温度 表3 1 中给出了。些常见固体材料的线涨系数，从表中我们可