（电力电子与电力传动专业论文）数字式光电流电压互感器的设计.pdf

东南人学 l ! ； i 学位论文 a b s t r a c t t h e v o l t a g eo f e l e c t r i cp o w e r e q u i p m e n t sb e c o m e sh i g h e ra n dh i g h e r t r a d i t i o n a le l e c t r i c i t yt r a n s f o r m e r s ，w i t hw e a k n e s s e so ni n s t a n t a n e o u sr e s o u r c er e s p o n s e o fe l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c ec 0 1 2n ol o n g e rm e e tn e e d so fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m o p t i c a le l e c t r i c i t yt r a n s f o r m e r sc a no v e r c o m et h ew e a k n e s s e s ，a n ds e e sa no p t i m i s t i c p r o s p e c t i v e i nt h e p a p e r , t h e o r y a n d t e c h n o l o g y o fv a r i o u s o p t i c a l e l e c t r i c i t y t r a n s f o r m e ra r e r e s e a r c h e d ，a n das e to fd i g i t a lo p t i c a lc u r r e n t v o l t a g et r a n s f o r m e r si sd e s i g n e d t h em t r a n s f o r m e r s m a i n l y i n c l u d e st h r e e u n i t s ：h i 曲一v o l t a g es a m p l i n gu n i t ，o p t i c a l f i b e r t r a n s m i t t i n gu n i ta n dl o w - v o l t a g ed i g i t - p r o c e s s i n gu n i t t h eh i g h v o l t a g es a m p l i n gu n i ti n c l u d e sp o w e rs u p p l yc i r c u i t ，c u r r e n ts a m p l i n gc o i l ， c a p a c i t a n c ev o l t a g e d i v i d e ra n dc o n c e n t r a t o r ，t h eu n i t se n s u r e ss t a b l ep o w e rs u p p l y ， a n do v e r c o m e st h ew e a k n e s s e s ，s u c ha sm a g n e t i cs a t u r a t e ，i r o nm a g n e t i ch a r m o n i c v i b r a t i o n ，s m a l l e rd y n a m i cr a n g e ，n a r r o w e rf r e q u e n c y b a n d ，a n de t c t h eu n i ti sa b l et oi m p r o v et h ea b i l i t yo fd i v i d i n gr m i oo fc a p a c i t a n c ev o l t a g e - d i v i d e r ，t o r e a l i z el o w e rp o w e r c o n s u m p t i o no f c o n c e n t r a t o ra n d m o v ea c c u r a t ea dc o n v e r s i o n i no p t i c a lt r a n s m i t t i n gu n i t ，o p t i c a l e l e c t r i cc o n v e a e rw i t hi d e a lc o u p l ep e r f o r m a n c ea n d s o u n dt r a n s m i t t i n ga b i l i t yi s d e v e l o p e db a s eo nf e a t u r e so fo p t i c a lf i b e r , a n de n s u r e s d i s t u r b a n c e r e s i s t a n c ea b i l i t y s i g n a lp o l ei ss t u f f e db yi n s o l a t e dm a t e r i a li no r d e rt o r e s i s te x t r e m ee n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ea n dt op r e v e n tm o i s t u r e i n l o w v o l t a g ed i g i t p r o c e s s i n g u n i t ，am i c r o p r o c e s s o r w i t hi d e a p e r f o r m a n c e i s d e v e l o p e d b a s eo ns o p h i s t i c a t e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fc o n c e n t r a t o r t h eu n i ti sa b l e t or e a l i z ed a t ac o n c e n t r a t i o n ，p r o t o c o lc o n v e r s i o n ，a n dn o - s e a lc o n n e c t i o nb e t w e e n e q u i p m e n t s t h ed e v i c eh a sb e e nt e s tb ya u t h o r i z e di n s t i t u t e s t o ep e r f o r m a n c eo ft h ed e v i c em e e t s r e l e v a n ts t a n d a r d s i nt h et e s t ，t h ed i g i t a lc u r r e n t v o l t a g et r a n s f o r m e r se q u i p sf o l l o w i n g a d v a n t a g e s ：m o r ei n s u l a t e d ，s m a l l e ri nc u b i c ，l o w e rc o s t t h e d e v i c ec a nm e e tt h et r e n d o f a u t o i m m u n i z a t i o n i n t e g r a t i z a t i o na n dd i g i t a l i z a t i o nf o r e l e c t r i cp o w e r e q u i p m e n t s k e yw o r d s ：d i g i t a lo p t i c a lc u r r e n t v o l t a g et r a n s f o r m e r s p o w e rs u p p l yc i r c u i t ，c u r r e n t s a m p l i n gc o i l ，c a p a c i t a n c ev o l t a g ed i v i d e r ，c o n c e n t r a t o r u 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 虢秘 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：氢亟垒导师签名：盔冀复日期：j 。舻尹，厂 研究生签名： 氢望垒导师签名：差i 冀望日期：j n 舻尹，j ， 第章绪论 第一章绪论 电流、电压互感器是电力系统中进行电流电压采集的重要设备。其作用是按一 定的比例关系将输电线路上的高电压和大电流数值降到可以用仪表直接测量的标 准数值，以便于用仪表直接进行测量”。互感器除用作测量外，还可作为各种继电保 护的电源。 1 1 电力互感器的发展 目前，电磁式互感器得到了比较充分的发展，其中铁芯式电流互感器以干式、 油浸式和气体绝缘式多种结构适应了电力建设的发展需求。然而随着电力传输容量 的不断增长，电网电压等级的不断提高及保护要求的不断完善，传统的电力互感器 已逐渐暴露出与之不相适应的弱点，其固有的体积大、磁饱和、铁磁谐振、动态范 围小、使用频带窄等弱点，难以满足新一代电力系统自动化、电力数字网等的发展 需要。 随着光电子技术的迅速发展，许多科技发达国家已把目光转向利用光学传感技 术和电子学方法来发展新型的电子式电力互感器，简称光电力互感器。国际电工协 会已发布电子式互感器的标准”+ 。电子式互感器的含义，除了包括光电式的互感器， 还包括其它各种利用电子测试原理的电压、电流传感器。 与传统的电力互感器相比，光电力互感器具有以下的一些优点”： 1 ) 数字技术，保证了互感器的高精度 数字化的传输，简化了互感器二次设备的接口，避免了信号在传输、储存和处理 中的附加误差，提高了系统的可靠性。这个特性在强电磁环境中保证信号的精确性 和可靠性很重要。 2 ) 光技术的运用，提高了互感器的可靠性 光信号对电磁噪声不敏感，采用光纤传输采集信号有效的降低了噪声对信号的 干扰，一次设备与二次设备通过光纤传输信号，提高了互感器的可靠性。 3 ) 光电力互感器具有无磁饱和、无铁磁振荡、频带响应宽、电流精度高、瞬时 特性好等优点。 4 ) 光电力互感器重量轻，综合造价低 由于无铁芯，绝缘系统简单，对绝缘等级要求的降低，直接导致了互感器造价降 低、重量降低、体积减小。价格低廉的光缆光纤的使用，使光电互感器的综合成本 大大降低。在高电压及超电压中，光电互感器的经济性在这一点上体现的最明显。 5 ) 在数字式光电流电压互感器中没有绝缘油，这就消除了由于油的泄露或变质 对互感器检修带来的不便，更为重要重要的是从根本上消除了爆炸的危险。 6 ) 相对于传统的电流和电压互感器，光电互感器的主要功耗是在就地装置处理 单元的电子回路和激光发生器回路，装置的整体功耗很低。 以上这些优点为光电力互感器代替传统的电力互感器提供了良好的条件。 东| ；人学坝 。学位论文 1 2 光电力互感器对变电站自动化的影响 1 ) 光电互感器简化了继保设各 目前电力系统中广泛应用以微机为基础的数字式保护，不需要大功率驱动， 只需弱电信号就可以了。因此，采用光电互感器不必经过电量变送器等设备就可以 将高电压、大电流变换为微机保护所要求的电压电流水平。光电互感器模拟输出 省去了继保的小c t 、p t ，光电互感器数字输出省去了继保的a d 。 2 ) 提高了微机保护的精度和可靠性 光电互感器促进了微机保护的发展，提高了微机保护的精度和可靠性。例如 使纵差保护的可靠性大大提高。 3 ) 使电力系统的故障响应快，灵敏度高 现有的保护装置( 包括微机保护) 由于受传统的互感器性能的限制，其保护原 理基本上是基于工频量进行保护判断的。易受过渡电阻和系统振荡、磁饱和等的 影响，其保护性能难以满足当今电力系统向着超高电压、大容量、远距离方向的 发展要求。利用故障时的瞬时信号量作为保护判断，是微机保护的发展方向。它对 互感器的线性度、动态特性等都有较高的要求，光电互感器能满足这一要求，而 传统互感器则不能。 4 ) 促进变电站自动化的发展 光电互感器与微机保护接口的标准化将大大促进光电互感器和变电站自动化 的发展。 5 ) 满足电力系统精确计量的要求 光电互感器的测量精度高，可以达到0 2 级，测量范围宽；输出数字信号，更 方便与数字电能表接口；可动态显示和存储电能、有功功率、无功功率等参数。光 电互感器更容易满足电力系统精确计量的要求。 6 ) 可方便实现电力系统自动化功能 将电压电流传感器集于同一绝缘结构中，构成组合型光电互感器，大大提高性 价比：光电互感器不仅可以做成独立式的互感器，而且可以装在g i s 、p a s s 等高压 开关和变压器的电流套管中，与其它光纤传感器一起，使一次设备智能化和多功能 化。 7 ) 有利于实现变电站数字化、光纤化和智能化 光电互感器的信号和传输形式都可以采用光缆( 光纤) 实现。而光信号的突出 优点和光纤通信技术的广泛采用使得变电站内部以及和上级站之间的数据传输更 加可靠和迅速。光电互感器与光纤通讯技术和微机楣结合组成光纤局域网应用于电 力系统是变电站自动化的一个重要的发展方向。_ 丌创了未来光纤化变电站的美好前 景。 1 3 国内外光电力互感器的研究概况 在世界范围内对光电式电力互感器的应用研究，从6 0 年代兴起，7 0 年代形成 高潮，但当时仍处于精度低、温度影响没有较好解决的阶段。 2 第一章绪论 进入8 0 年代以来，光电子技术、p c 微机、单片机及数字处理器技术的兴起与 成熟，为研制出高性能的光电式电力互感器奠定了基础。 到2 0 0 0 年为止，a b b 公司已经研制出可用于6 9 k v 到7 6 5 k v 电压等级的光电电 流互感器，测量电流范围为5 2 0 0 0 a ，准确度达到0 2 。同时，他们研制了用 于g s 中的复合电子式电压、电流互感器，电流测量范围为5 2 0 0 0 a ，电压测量范 围为6 9 5 0 0 k v ，准确度都达到o 2 ，电压测量是直接使用电容环测量，不用分 压器。 法国的a l s t o m 公司通过利用f a r a d a y 效应研制出了一套电子式电流互感器，该 没各在一3 0 j o 的范围内准确度达到0 2 。2 0 0 0 年，他们研制的3 6 2 k v 电 子式电流互感器已经开始向l c r a 和c i n e r g y 等美国公司供货。 目前国内外许多科研机构和大专院校的研究人员正致力于光电互感器等新型 互感器的研究。从事这方面的主要研究单位有清华大学、华中科技大学、上海大学、 西安同维公司等。其中，r o g o w s k i 空心线圈结合现代集成电子技术作为电力电流互 感器，以其突出优点，得到了广大研究人员的青睐“，。 1 4 论文的主要内容 课题研究的方向为数字式光电流电压互感器，论文的主要内容如下： 1 对无源光电力互感器和有源光电力互感器进行分析和比较，阐明这两类互感 器的工作原理和设计要求，以及目前在实用过程中存在的问题。 2 课题研制丌发一种数字式光电流电压互感器，提出了一体化的设计方案，可 以提供测量、保护用电流和电压信号。 3 设计系统的高压采样部分：通过对各种供电方法、信号采样方法、a d 转换 方法进行比较，提出了符合课题技术要求的设计方法，研制出一种电流测量准确度 达0 1 级，保护优于5 t p e 2 0 ；电压测量准确度达0 1 级，保护优于3 p 的新型数字式 光电流电压互感器。 4 设计系统的光电传输部分：使光信号在传输过程中有较高的耦合率和较低的 传输损耗，以提高设备的精确度。 5 设计系统低压侧的数据处理部分：结合光电力互感器的技术要求，对低压侧 合并器的软，硬件进行设计。使合并器可以用于接受采集器的数字信号以及来自电 磁式互感器的模拟信号，并将这些信号经数据处理后以3 路符合i e e e 8 0 2 3 规定的 l o o b a s e f x 或1 0 b a s e f l 方式对外提供数据采集信号。 东南人学坝卜学他蹬文 第二章光电力互感器的原理 2 1 无源光电力互感器的原理 l 无源光电流互感器 无源型光电流互感器主要分为全光型电流互感器和磁光型电流互器。 前者是以光纤作为传感头和数据传输的载体，其设备的传感头出光纤绕制而 成：后者是以磁光材料作为传感头，光纤作为数据传输的载体”1 。两者的理论依据基 本相同，下面以磁光式光电流互感器为例来说明这类互感器的主要工作原理。 1 ) 法拉第效应 磁光材料式光电流互感器是利用f a r a d a y 磁光效应测量电流的，f a r a d a y 磁光 效应是指当线偏振光以与磁场平行的方向通过某些光学材料时，由于受磁场作用， 偏振面将发生偏转，其旋转的角度为0 ，则有： 0 = 吖劢， l 式中：v 一光学材料的v e r d e t 常数 h 一磁场强度，它是由导体中流过的待测电流引起的 l 一光线在材料通路中通过的路程 若光路设计为闭合的回路，由安培环路定律可得 曰= y d 爿0 f = v i ( t ) 从上式可知，测得。角度，即可得所测电流。 图2 一l 所示为f a r a d a y 磁光效应的原理图。 图2 一l磁光效应原理豳 2 ) 电流传感头的结构及工作原理 磁光式光电流互感器的传感头的主要由磁光材料、发光二极管( l e d ) 、光电 极管( p i n ) 、起偏器、榆偏器和准直透镜构成。其结构如图2 2 所示： 4 第一尊光b 力且感器的原璀 鬟虫矗t 蔫 剀2 - 2磁光式电流互感器传感头结构 利用恒流源驱动发光二极管( l e d ) ，得到一个恒定的光源：光通过光缆中的一根光 纤从控制室传到高压区，经过准直透镜准直后成为平行光；输出光由偏振片起偏后成 为线偏振光，入射到传感头；光在传感头内绕一周，在磁场作用下，偏振面发生旋转，出 射光经检偏器后，再由透镜耦合进光缆中的另一光纤传输到控制室，被光探测器转换 成电信号。 由于目前尚无高精度的测量偏转面偏转的检测器，通常将线偏振光的偏振面角度 变化的信息转化为光强变化的信息。根据马吕斯定律当线偏振光通过检偏器时，输出 调制光强为： j = i o c o s ( 0 + y ) 式中：，o 入射光经起偏器后的光强 0 一入射检偏器光的偏振面与检偏器透光轴方向的夹角 y 一起偏器和检偏器光轴之间的夹角 当y = 4 时，i 对0 的变化具有最高的敏感性，而且线性度好，这时式( 2 3 ) 变为 2 ，= i o c o s ( 0 十石4 ) = l o ( 1 + s i n 2 0 ) 2 ( 2 4 ) 当0 l 时，则s i n 2 0 * 2 0 ，式( 2 4 ) 可以写为： 1a l o ( 1 + 2 0 ) 1 2 = l o ( 1 + 2 v o 2 设待测电流为：i ( t ) = j o s i n c o ，代入( 2 5 ) 式： ，1 o ( 1 + 2 v j o s i n c o t ) 式中：山一代测电流的幅值 通过光电转换，利用电子电路进行交流与直流分离，有 i a f = 1 0 v j o s i n c or f d c ：i o 最终输出为，= 面i a c = 圭w 。h 珊，= 纸k 为比例系数，这样就测出了被测电流的 大小。 5 东南人学顺1 学位论文 3 ) 技术问题 磁光式光电流互感器在设计时，传感头的结构设计主要考虑以下问题： 线性双折射 所谓线性双折射是指当一束单色光在各向异性的晶体中发生折射时，一股会产生 寻常光和非寻常光两束折射光线。这是由于在各向异性的晶体内不同偏振方向的光具 有不同传播速度引起的。 线性双折射对系统带来极大的危害，其主要表现在：第一，对磁光效应有熄灭作用。 线性双折射灵敏度比线性偏振光测量灵敏度小，这相当于使系统等效v e r d e t 系数变 小。在最不理想的情况下，当两个正交分量的相位差为9 0 。时，输出光就会变成圆偏振 光，这时测量的灵敏度将下降为零；第二，破坏了系统的线性性质。当系统不存在线性 双折射和系统偏振光的偏振面旋转角较小时，系统的输入和输出之间是线性关系。但线 性双折射存在时使系统的输入和输出之间存在很复杂的非线性关系；第三，线性双折射 效应与光线变形、光纤的内部应力、光源的波长、环境温度、弯曲、扭转等备因素有 关。所以，系统的输出将会受到这些因素的影响，使系统的测量灵敏度下降，从而消灭系 统的鲁棒性”1 。 现代智能化信息处理技术为消除光线性双折射提供了可能，利用人工神经网络补 偿光纤的线性双折射效应，利用小波变换进行信号处理，都可提高光电互感器性能”1 。 线偏振光在两种不同接口上发生全反射时，光向量相互垂直的两个分量之间产 生的相位差即“全反射相位差”，影响测量准确度。可采用几何的相位补偿法，如图2 3 所示，让光在改变光路方向时经过两次全反射，将相位差抵消m 。 书畦 幽2 - 3全反射光路图 温度，应力对互感器的影响：用刚性的热良导体材料封闭传感头，其对外界温度的 变化能起到均匀的作用：在良导体壳与磁性材料之问采用与磁性材料热膨胀系数相近 的材料作为过渡介质，可避免外壳与磁性材料传感头膨胀系数不一样而带来的应力问 题，又可降低传感头与外界的热量交换速度。同时选择适当的基准面，采用柔性的固定 方法，消除固定形变应力。 经过对多种磁光材料的实验、分析和比较，通常选用温度特性好，v e r d e t 系数较高 的z f 6 重铅玻璃作为传感头的磁光材料“0 3 。 2 无源光电压互感器 无源光电压互感器分为基于p o c k e l s 电光效应的光学电压互感器、全光学电压互 感器和集成光学电压互感器。下面以基于p o c k e l s 效应的光学电压互感器为例来介绍 无源光电压互感器的原理。 1 ) p o c k e l s 效应3 p o c k e l s 效应的基本原理是：一束线偏振光通过有电场作用的p o c k e l s 晶体时，其 折射率会线性的随外电场的变化而变化，使入射光产生双折射，这样入射光变成仞相相 同，振动方向相互垂直的两束光，由于折射率的不同，从晶体中出射的两柬有相位差为 第一审光l u 力互感 的原理 a 妒的偏掭光，此相位差妒与所用的电光材料系数、折射率、光波的波长及所加的电场 强度( 电压) 有关，当光电材料选定，绝缘材料一定时，角度a c , o 只与被测电压v x 有关“。 a c p = 幽f = k a 玩 式中：a 一与晶体物质本身的光电特性及通光长度有关的常数 k 一与外加电压方向有关的常数 e x 夕 自电场 v x 一外加电压 因此，只要测量出相位差口，便可知被测量电压的大小。 2 ) 电压传感头的结构及原理 磁光式光电压互感器的传感头的主要由磁光材料、发光二极管( l e d ) 、光电二极管 ( p i n ) 、起偏器，检偏器和准直透镜构成。其结构如图2 - 4 所示： 躺 蛐 幽2 - 4 磁光式光电压互感器传感头结构 l e d 发出的光经起偏器后成为一线偏振光，在外加电压的作用下，线偏振光经电光 晶体后发生双折射，它们在晶体中的传播速度不同，出射时有一定的相位差。由于对角 度的测量的不准确，所以利用检偏器将相位差为p 出射光变成偏振相同的相干光，产 生相干干涉，从而将相位调制光信号变成振幅调制光信号，将相位差测量变为光强的 测量，最后获得所需测量的电压值”“。 式为 设分解出的两束光的光强分别为p x 、n ，由马吕斯定律知： p x = 1 2 p o ( 1 s i n 2 a 妒) p y = 1 2 p o ( i s i n 2 a g ，) 式中：p o 一光源发出的光强度 4 口一两折射光的相位差 由于妒很小，故s i n 2 妒。2 妒，结合( 2 8 ) 、( 2 9 ) 式可得测量电压的最终表达 东南凡学倾l 学位| 仑卫 式( 2 1o ) 表明，只需测量出光纤互感器的两束光p x 、p y 的强度，或相对强度，通过 定标求得比例系数k ，就可测得被测电压的大小。 3 ) 技术问题 光电压互感器在运用中需要解决的问题主要是稳定性的问题，而温度对稳定性 的影响最大。其影响表现在：第一，晶体内部温度不均匀引起的弹光效应；s f 6 气体对 晶体施加的应力随环境温度的变化而变化；晶体加工过程中产生的残余应力，这些应 力综合作用使晶体产生与温度有关的应力双折射；第二，晶体的温度变化，会产生晶体 的热光效应，使晶体的折射率发生变化，从而影响传感器的稳定性；第三，两个9 0 。的 棱镜构成的延迟器工作的稳定性也受到温度的影响”。 通常可以采用改进互感器的结构，束缓解外界环境温度变化对互感器的影响：对 棱镜采用保护措施来避免s f 6 对其产生的压力影响；在晶体的制造过程中，采用多次 提拉来尽可能的避免残余应力，还可以利用软件设计来减小温度对互感器稳定性的影 响。 由于是电场测量的方式，电压互感器传感头放置位置将影响电压信号的获得。 可将电压传感器放置于顶部，于高压紧密相连，这样可提高灵敏度和线性度，同时降低 绝缘体热胀冷缩引起的电场误差；对临近电场的影响可以在软件中加以修f ”。 2 2 有源光电力互感器的原理 1 有源光电流互感器 1 ) 工作原理 有源光电流互感器一般采用r o g o w s k i 线圈”或铁芯线圈作为电流传感器，其工作 原理仍基于电磁感应原理。 图2 - 5 为有源光电电流互感器的结构示意图 幽2 - 5有源光电流互感器结构幽 感应被测电流的r o g o w s k i 线圈若匝数n 、密度u0 及截面积s 均匀，r o g o w s k i 线圈 输出的感应电动势与被测电流有如下关系： e ( r ) = 一掣= 一。n s 霉= 一m 堕d t d td td t 一一“ 默一丹一肘一丹 上狱黼上撕 第一章光f u 力且感器的原理 v 1 = 一上l ( f ) 加= 一m i r c j 、 式中：m - 等 由( 2 11 ) 式可知被测电流i 在r o g o w s k i 线圈感应上的电势与被测电流是积分关 系，因而先经积分器得到比例与i 的电压信号，如式( 2 1 2 ) ；再由发射电路变成频率调 制的光脉冲信号，驱动发光二极管( l e d ) 发光，经光纤传到低压侧并经接受电路光电二 极管( p i n ) 转变为电信号，然后解调还原成被测电流信号。 2 ) 技术问题 r o g o w s k i 线圈的测量误差直接影响整个互感器的测量误差。因此有必要分析其误 差来源，从而采取一定的措施来减小整个系统的测量误差。造成r o g o w s k i 线圈误差除 线圈本身参数以外，还有以下一些因素： 外界电磁场的干扰：靠近被测载流导体的一些导体、导线等都会发生激发磁场， 这对于r o g o w s k i 线圈产生很大的干扰。 高频分量的影响：r o g o w s k i 线圈测量的电流含有较多的高频分量时，线圈的自 感和杂敞电容在一定的高频下产生谐振，使输出电压过大，甚至完全失去对称性，给测 量带来严重误差。杂散电容会使一部分二次电流流失而导致信号畸变，高频分量还会 影响积分器的工作稳定性。这时可以用适当的网络结构来抑制谐振。在制作过程中要 提高线圈制作的工艺水平，以使线圈的杂散电容和自感的影响降到最低。 r o g o w s k i 线圈绕组沿螺旋式前进方向形成一个闭合回路，它会受到外界磁场的 影响而感应一部分不需要的电压，从而会影响输出电压的精确度。这些外界磁场干扰 来自附近的一些电流回路、变压器的一些漏磁及一些磁性介质的引入所引起的场域变 化等。可以在绕制线圈时，在线圈内部的骨架上，串联一个中心回环，其绕制方向与螺 旋前进方向相反，绕组的出口与入口在同一端。如图2 - 6 所示。这样，电压误差信号能 较好的抵消，在一定程度上抑制了外界干扰”。 幽2 - 6r o g o w s k i 线圈的绕制 r o g o w s k i 线圈的性能还受到温度、相邻导线的电流、一次导线的位置等影响。 因此，对线圈的选择应对线圈的各方面参数加以注意。 2 有源光电压互感器 1 ) 工作原理 有源光电压互感器是以分压器为传感头部件的电力互感器。通常可以用电容分压 器来实现分压，它具有绝缘结构简单、体积小及暂态响应好等优点。 图2 7 所示为有源光电压互感器原理图 9 东南大学坝i 学位论文 赢爆母鲢 灌 倮泸 图2 7育游光电压互感器原理剀 被测高电压经分压器分压后，经信号预处理、a d 转换及l e d 转换，以数字光信号 的形式送至控制室，控制室的p i n 及信号处理电路对其进行光电变换及相应的信号处 理，便可输出所需的电信号。 由柱状电容环实现电容分压时，其电容环的等效电容为：c ：2h e 0er b l n ( d d ) 式中：b 为电容环长度：d 为电容环的直径：d 为导电杆的直径。 2 ) 技术问题 在电力系统短路后，若电容环的等效接地电容上积聚的电荷在重合闸时还未完 全释放，将在系统工作电压上迭加一个误差分量，严重时将影响到测量的正确性以及 继电保护的f 确动作，且工作时等效接地电容也会因温度等因素的影响而变得不稳 定。可以对电容分压的基本结构加以改进，在等效接地电容上并联一个小电阻以消除 上述影响”。 从上面的分析可知，无源光电流、电压互感器存在一些目前还难以突破的技术问 题，如磁光式电流互感器的光学系统磁光效应随环境因素而变化；在传感头的设计中 主要需解决线性双折射的问题，这些是光电流互感器实用化的关键。光电压互感器所 具有的电光效应易受弹光效应、热光效应的干扰。另外，温度的变化对传感器的光学 晶体和光纤性能都有很大的影响，这严重影响了传感器的稳定性。目前对光学晶体及 相关光学组件的粘结工艺、绝缘结构、隔热材料与隔热措施、温度补偿等各方面部需 要进一步的改善。虽然国内外专家针对这些问题都作了很多的研究，提出了很多的建 议，但这些问题并没有得到很好的解决，使其实用化受到限制”“。只要解决好这些技 术问题，它们仍有广泛的发展前景和技术优势。 目前，对有源光电互感器( 又称混合式光电互感器) 的研究越来越多，它有效的避 免了无源光电力互感器对温度敏感的缺点和振动的问题“，在实际中得到了很好的应 用。在设计方面，高压端电子电路的供电问题和如何把高压侧的信号准确的传输到低 压侧的问题以及传感头的工艺设计是设计这类互感器时应该注意的方面。 第二常数+ 一止光f u 流 b k 且感器的f j 究实现 第三章数字式光电流电压互感器的研究与实现 课题研究一种光电流电压互感器，它是利用r o g o w s k i 线圈的电磁感应原理以及电 容分压器实现的数字式电流电压互感器。 该互感器可实现交直流高电压大电流的转变，并以数字信号的形式通过光纤提供 给保护、测量等相应的装置；设备低压侧由合并器组成，它不仅能接受和处理来自高 压侧的数字信号，而且具有模拟量输入接口，可以把来自其它模拟式互感器的信号转 换成数字信号一并以l o o b a s e f x 或l o b a s e f l 接口输出数据，简化了保护、计量 等功能装置的接线。它涵盖了电磁式互感器的所有应用场合，其中对交直流高压、超 高压以及高精度、瞬时特性要求高的场合尤其适用。 3 1 数字式光电流电压互感器的结构及工作原理 1 硬件结构 课题研制的光电流电压互感器硬件由传感头部件、信号柱、光缆及控制室的合并 器四个部分组成。 图3 - 1 所示为光电力互感器的总体结构图。 台j f 器甲元 ( 0 叫) 传献* 阱f ：线 ( 吲) 帕黼 科耪胶衍喇 太 f3 4 2 d 黼3 1 0 内释1 7 5 光缆 剀3 1光电电流电压互感器结构 号( 嘶s ) 札曲 黼脚 惴 嘿 东南大学坝i 峙? 位论文 传感头部件由保护用r o g o w s k i 线圈、测量用r o g o w s k i 线圈、电容分压器、采集 器、取能线圈、光电转换单元、屏蔽环及铝铸件等构成。 信号柱由环氧树脂胶和硅橡胶复合材料制成，有支柱式和悬挂式两种，用来保护高 压部分和就地装置之间传输数据及能量用的光缆。 光缆提供通讯和向高压部分光电供能组件提供激光能量。此光缆可以在现成的电 缆沟中通过或直接埋入土中。光缆的端头采用连接器与信号杠相连。 合并器出电源模件( p o w e r ) 、数据处理模件( c p j ) 、母板模件( m o t h e r ) 、交流变换 模件( a c ) 、激光电源模件( l a s e r ) 、面板模件( p a n e l ) 组成。 2 工作原理 被测电流、电压以模拟信号的形式传给采集器，采集器将这些信号经过低通滤波 和a d 转换后，提供给c p u 系统。在c p u 中，对采样后的数掘进行打包处理打包后的 数据经过调制之后，以光信号的形式由光纤传输给合并器。合并器主要接受来自采集 器的数字信号，对这些信号进行合并和处理后以光信号的形式对外提供数据。 数字式光电流电压互感器的工作原理如图3 2 所示： 高压部分 信号柱地面都分 幽3 2光电电流电压互感器r 作原理 跳闸出口 信号等 3 2 数字式光电流电压互感器高压侧设计 高压侧传感器用了两个r o g o w s k 线圈分别为保护和测量提供电流采样信号。电 容分压器置于高压侧，可以由此得到输出电压，为测量提供电压信号。采集单元放置于 传感头的内部，对模拟量的输入进行采样及模数转换，取能线圈可从高压侧取得能量 为高压设备提供能源。外置两个屏蔽环，用束屏蔽外界的干扰。 图3 3 为传感器结构示意图 第二常数。一式光u i ；f c l 乜撤互感端的砌f 究实脱 又- ：。t 掣凡址浏 幽3 - 3传感器结构 采集器单元 ( o e s c ) 母m i f i ，嚣 托晾 k 牲 3 2 1 传感器供电方案的设计 高压侧有电子电路，因此必须有相应的电源提供给电子线路。 一般主要采用的供电方式有：1 ) 高压电容供电；2 ) 悬浮式供电；3 ) 激光电源供 电。 1 高压电容供电 在高压母线与地之间连接高压电容分压器，从高压母线上取得能量，经过整流、 滤波、稳压后，向高压部分电路供电。电路原理图如图3 - 4 所示。其中，c 为高压电 容分压器，r l 为稳压电路等效电阻，r l 为负载电阻。 高压电容供电的弊端在于，一旦电力系统中出现故障，出于线路电压骤降，就不 能正常供电。因而，存在着供电的不可靠性。 幽3 - 4高乐电容供电原理 1 3 r 、 ： 桶 娑 越 东南火学坝i 学位论艾 2 悬浮式供电 悬浮式供电是采用二个环形带铁芯的感应线圈完成从母线上提取电能的供电 方式。其戴维南等效电路如图3 5 所示 图3 - 5悬浮式供电戴维南等效电路 出上图可知：6l = ；j 坠 z o + z l 1 l 虹 当满足z o = l ( 一三一) 时，即可输出所需的恒定电压u l 。 0l z l 在只考虑幅值的情况下( 这种考虑与实际较接近) ，从等效电路中可以分析出， 当i 1 ，即出 1 r c 时，上：式为 u o ( s ) 矾f s l _ 1 r c s 即u 0 ( f ) - 志j 狮f f ) 击代l 。 在本系统中，u o f f ) 即为r o g o w s k i 线圈输出的电压p ( f ) ，故u o 【t ) ：一( m r c ) i ( t ) 在具有同样的r c 值时，无源积分器只有在缈 1 r c 时才有近似的积分关系。在最 不利的情况下( 即输入电压为脉冲函数) 积分器的相对误差上限为e = t 尺c ，一 般取时间常数r 1 0 0 t 方能保证精度。在这么大的积分常数下，信号衰减严重。 有源电子积分器则无这样的限制，其时间常数可等效为( a o + 1 ) r c ，a o 为运放 丌环放大倍数。由于积分时问常数比普通的r c 积分增加了a o 倍，故积分相对误差 比普通的r c 减小了a o 倍，同时输出电压也增大了a o 倍，精度与输出电压的矛盾 也得以解决。理想的电子积分器在选择器件时尽可能的使用输入失调电压小的高性 能运放，并在积分电容两端并联大阻值的反馈电组，使电路对直流是一个死循环的 负反馈系统，较好的抑制了电流的漂移、温度的漂移，从而大大的减小了输入失调 东南人学坝卜学位论殳 电压的影响。同时，r 的引入也起到保护积分器的作用，使其能承受一定的过电压。 另外，在分合操作或系统发生短路故障时会在初级网路中产生陡峭的电流波形，使 r o g o w s k i 线圈出线端产生高电压。为此，应在r o g o w s kj 线圈的出线端和积分器之间 加一个反向的二极管束保护积分器及后面的电路。 从理论上讲，r o g o w s k i 线圈有良好的线性度，又不会饱和和磁滞现象，应该是良 好的瞬时电流传感器。但在实际应用中，考虑到系统短路电流的波形，要达到标准规 定的误差要求，必须解决r o g o w s k i 线圈的结构问题、屏蔽问题、积分性能问题及两 者的配合问题。 经过试验，光电互感器采用的r o g o w s k i 线圈一积分器组在直流分量1 0 0 ，一次 回路时间常数7 7 m s ，第一个关一合保持准确限制时间1 2 0 m s ，电流瞬时峰值为b o n a ， 对称短路电流为3 2 7 k a ，( 经4 5 0 m s 后) 第二个关一合保持准确限制时间6 0 m s ，电流 瞬时峰值为8 9 k a ，对称短路电流为3 1 8 k a 时的重合闸时的最大瞬时误差为1 7 ( 第 一个关合) 和2 9 ( 第二个关合) ，大大低于标准规定的l o 。 3 2 3 电容分压器的设计 通常的分压器有电阻分压器、集中式电容分压器、分部式电容分压器。 电阻分压器有体积小、重量轻、传输频带宽、无谐振等优点。但其本身也存在 一些问题，如由于温升而引起的电阻不稳定，与各个组件无法消除的寄生电容等问 题。 集中式电容分压器通过合理的结构使得其高压等效电容值受周围接地物的影 响小。但在目前电压等级较高时，它的体积很大，而且x 十f , j 造工艺提出了很大的要 求。 课题最终选定了分布式电容分压器。传统的电容分压器制造工艺简单、技术成 熟、造价低廉。随着新的绝缘材料的诞生，如异丙基联苯( i p b ) ，环氧树脂，s f 6 ，硅橡 胶等的应用 2 7 , 2 s l 使重量大大降低，并能实现少油甚至无油。 电容分压器的准确度主要取决于电容分压比的稳定。因此，在电容器的设计中 特别要注意影响电容分压比的以下两个问题： 1 ) 电容分压器置于室外，大范围的温度变化会影响电容器的分压比 在设计中采用了以下方法来降低温度对电容分压器分压比的影响： 高压臂电容和低压臂电容采用同一介质材料制成，以保证电压测量温度线性 度，从而减少温度对分压比的影响。 软件上把温度作为系统中一个重要的参数与电压信号进行信息融合，以消除 温度对系统的影响。 设计电容分压器的结构来消除温度变化的影响，如图3 一l o 所示： 图3 一l o 中u 1 为一次侧电压信号，u 2 为二次侧电压信号： 整个分压器由m + 胛个介质、尺寸、容值及温度系数一致的电容c i 组成，则有： c i = c i mc 2 = n c i 在一般情况下有： k ：堕：旦：j 一 【，ic 1 + c 2 m 托+ 1 辩三章数一止光i u 流f u 眶且感器的研究，批观 当受到温度影响每个电容变化为a c i + a 时，则有 m 熹：篆舞：击 由上式( 3 2 3 ) 、( 3 2 4 ) 可以看出足= 足”，说明采用此结构的电容分压器只要c i 的温度系数等参数的一致，在理论上可咀完全消除温度对电容分压器分压比的影 响。 、v - n 剧3 1 0电容分乐器的构成 2 ) 电容互感器受杂散电容的影响。杂散电容的来源主要有两个方面：一是接地 物对电容的影响，如图3 一l l ( a ) 所示电路中c 1 c 4 ：另一个是电容串对导线的电容， 如图3 一u ( b ) 所示电路中c l 。 对比接地电容对电容串的影响，导线电容的影响要小的多。因此，在实际中要重 点考虑接地电容对电容器分压比的影响。通过利用a n s y s 软件建立计算模型，可以 知道当接地物离电容分压器的距离越远，影响则越小1 。 c a 上 ( a ) 只考虑对地电容( b ) 只考虑导线电弈 恻3 - 1 1电容串的等值电路幽 2 l 毗丁 课题将采样电容放置在互感器的项部加以屏蔽，同时采用降低本体高度，用浸 渍绝缘介质的方法以减少杂散对电容器分压比的影响。 电容分压器的设计为：在8 0 1 2 0 额定电压时的线性度优于0 j 。在1 9 0 额 定电压时不饱和。输出电压( 峰值) 在1 9 倍设备额定电压时接近( 又不超过) 1 0 v 。 3 2 4 采集器的设计 采集