（电气工程专业论文）电子式电力互感器的相关理论与实验研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 ( 随着电力系统容量的日益扩大和电压运行等级的不断提高，传统韵电磁式互感器呈 现出越来越多的弱点，难以满足电网向自动化、数字化方向发展的需要。在这种情况下， 基于电子计算机技术、光学传感技术的新一代电子式互感器成为人们研究的热点。在对 现有的几种电子式互感器方案分析的基础上3 来文提出了基于r 。g 。w s 垴线圈的电子式 电流互感器( e c t ) 和基于精密电容分压技术的电子式电压互感器( e v t ) 。结合应用 开发，完成了电流，电压组合型有源电子式至壁璺登垫。围绕电孟益互感嚣实用化研究主 题，从电路方案选择、误差模型参数分析、系统电磁兼容与可靠性、误差校正方法等方 面进行了研究和分析。 作为一次电流和电压取样元件的r o g o w s k i 线圈和电容分压器，其精度直接影响到 e c t e v t 系统的精度，所以本文在对它们用于电力系统电流、电压取样进行了理论上 的可行性论证后，重点讨论了影响测量误差的因素，提出了提高测量精度的措施和实用 化设计原则。基于电容分压技术的e v t 在电力系统暂态 ：况下的响应比较特殊，文中 分析了两种重要的暂态响应，即一次侧短路和俘获电荷现象。 信号处理系统是电子式互感器实现的基础，在对比分析了各种数字调制技术后，本 文提出了采用电压，频率变换方式来调制信号，调制后的信号经光纤从高电位端传送到低 电位端并进一步送到控制室，用计算机实现信号解调。该系统具有绝缘性能良好、抗 电磁干扰性强的优点。 e c t 高压端电子线路供电问题是有源电子式互感器研究中的关键技术之一。论文提 出可以采用光纤将地面激光源提供的能量传送到高电位端和直接从母线电流中取电源 两种供能方案，并结合样机给出了具体的从母线取电源的自具型电源实施方案。 由于e c l 讵v t 处于电磁干扰的恶劣环境f ，本文对其可靠性和电磁兼容性进行了 研究，建立了e c l 厄v t 可靠性结构模型和数学模型，采用元件记数法和可靠性模型相 结合的方法对e c l i 厄v t 的可靠性进行了评估，提出了提高可靠性的措施。在电磁兼容 方面，对e c t 悒v t 工作环境下电磁干扰源的特点和传播途径进行了分析，并提出了行 之有效的抑制电磁干扰的措施。 为了进一步提高系统的测量精度，本文还研究了采用以小波变换为 具的软件校止 华中科技大学博士学位论文 误差的方法。仿真计算表明采用小波变换技术可以有效校正系统误差，提高测量精度。 本文最后结合理论分析和实验研究，给出了2 2 0 k v 电压等级的电流电压混合型电子式 、 互感器样机，并给出了部分样机实验结果。p 。1 7 关键词：电子式电流电压互感罗柯夫斯基线萄。电容分压藉7 光纤可靠性 电磁兼容、，小波变换? 误差校正 i i 、 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t c u r r e n t 锄dv o l t a g em e a s u r e m e n tp l a ya t l i m p o r t a n tr o l e i n m e t e n g ，c o n 仃o la n d p r o t e c t i o no f e l e c 打i cp o w e rs y s t e m r e c e m l y ，w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ec 印a b i l i t y 蜘dv o l t a g 毒 o ft r a n s m j s s i o n1 i n e s ，c o n v e n t j o n a l f b e s t a t l d i n gc u r r e n t 仃卸s f o r f n e r s ( c t s ) a n dp o t e n t i a i t 咖s f o n l l e r s ( p t s ) h a v es e v e r a l d m w b a c l c sa t e h v ( e x 仃a h i 曲v 0 1 t a g e ) 鞠dp a n i c u l a r l y u h v ( u l t 糟- h i g i lv o l t a g e ) l e v e l s t h e s ei n c l u d eh i 曲c o s t 拍dac a t 咖h j cf a i l u r eo ft h e i n s u j a t i o ns 廿1 i c t u r e ；c r ss a 恤t i o ne 丘b c ta n dp 下sf 色仃0 m a g n e t i cr e s o n a n c ee 疗b c t ，e ta 1 j n t h j s c 如e ，c o n s i d e r a b l e j m e r e s th a sb e e n p a j d t ot h ee l e c t r o n j c t 糟i l s d u c e r s ，i n c l u d i n g e l e c t m n i cc u r r e n t 廿锄s d u c e r ( e c t ) a n de l e c t m n j cv o l t a g et r a l l s f o m e r ( e v t ) ，b a s e do n c o m p u t e r 柚do p t i c a lt e c h n o l o g yb e do nt h e 锄a l y s i so fs e v e r a lf u n d 帅e n t a l l yd i f l 色r e n t 印p r o a c h e so f e c ta 1 1 de v t ac o m b i n e da c t j v ec u n - e n ta n dv 0 1 t a g em e a s u 陀m e n tm o d ew i t h r o g o w s k i c o i la n da c c u r a t ec 印a c i t o rv o l t a g ed i v i d e ri s p u tf o n v a r d t h j sd i s s e r t a t i o n i s d e v o t e dt oc o r r e l a t i v er e s e a r c ho nt 1 1 i st o p i cf 吣ms e v e r a l p e c t s ，i n c l u d i n gc i r c u i ts c h e m e ， e r r o rm o d e la n de r r o ri n f l u e n c ef h c t d r s ，s y s t e mr e l i a b i i t ya n de m c ，p o w e rs u p p l y 锄d 啪r c a l j b r a t j o n 1 nt h i sc o m b i n e de l e c t r o n i cm e 鹅u r e m e n ts y s t e m ，ar 0 9 0 w s k jc o 训a 1 1 da 1 1a c c u r a t e c a p a c i t o rv o l t a g ed i v i d e ra r eu s e da st h ec u r r 它n ta n dv o l t a g es e n s o r st e s p e “v e l y t h e i r a c c u r a c ya f r b c t st h ew h o l es y s t e md i r e c t l y a f t e rd e m o n s m n i n gt h e i rv a i i d i t yo ns e n s i n g c u n t n t 柚dv o l t a g ei np o w e r s y s t e mi nm e o r y ，m h i nf k t o r sa f r e c t i n gm e 私u 佗m e n ta c c 岫c y a r ed i s c u 骆e d 柚dc o r 糟s p o n d i n gm e a s u r e st om i n i m i z ee r r o r sa r ep u tf o r w 盯d t h es p e c i “ 仃彻s i e n t 化s p o n o f e v ti np o w e rs y s t e mi sd i s c u s s 酣a l s o s i g n a ip r o c e s s i n gi s 鲫i m p o r t 卸tp a r to ft h ee c t ，e v ts y s t e m ad 幢i t a lt e c h n i q u e ， v o l t a g et o 疗q u e n c yt r a l l s f o 肿( f ) ，i sa d o p t 酣t om o d u l a t es i g n a l s t h ee n c o d e ds i g r i a l l s t 啪s m i n e db yo p t i c a if i b c r 矗d mh i g h - v o l 协g ep a r tt og m u n d e dp a r t 卸dt h e nt ot l l ec e n t e r c o n t m lr o o mf b rd e m o d u l a t j o nb yc o m p u t e lb y 廿l i sd e s i g n ，t h es y s t e mj ss 廿d n gr e s i s t a n tt o e 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 p o w e rs u p p l yf o rt h o s ea c t i v ee l e c n d n i ce l e m e n t sa tt h e h i g h v o l t a g ep a r t i sak e y t e c h n i q 眦i na c t i v ee c t ，e v ts y s t e m 1 w om e t h o d sf 研p o w e rs u p p l ya r ep r o p o s e d ：o n ei s s e n d i n ge n e r 科p m d u c e db yl 豁e rf m mg r o u n dt ot h eh i g h v 0 1 t a g ep a nb yo p t i c a l 矗b e lt h e o t h e ri s o b t a i n i n ge n e 唱yf r o mt h ep o w e rl j n eb ys o m es p e c ia l l yd e s i g n e dc i r c u i t ，c a l l e d s e l p r o v i d i n gp o w e rs u p p l y b yd e s i g n i n gac o n t r o l i e di m p e d a n c ec i r c u i t ，t h i sd i s s e r t a t i o n l i l 华中科技大学博士学位论文 r e a l i z e st h es e l f - p r o v i d j n gp o w e rs u p p i ys c h e m e 打o m t t l ep o w e ri i n e i no r d e rt o i n v e s t i g a t et l er e l i a b i i i t y 锄de m c c h a r a c t e r i s t i co fe c 丁，e v ts y s t e m ，8 r e l j a b i l i t ym o d e lj ss e tu p e v a l u a t i o no nt h er e l i a b i l i t yw i t l lc o m b i n e do fe l e m e n tc o u n t i n gi s p r o c e e d e d ，a n ds o m em e a s u r e s t oi m p r o v er e l l a b i i i t yo f e q u i p m e ma r ep r e s e m e d a tt h es a m ej t i m e ，m ef b 咖r ea 1 1 da c c e s so fe l e c 仃o m a g n e t i ci n t e m r e n c ea r ea i l a l y z e d ，t 1 1 ec o r r e s p o n d i n g m e a s u r e st os u p p r e s st h ei n t e b r e n c e 盯ep r o p o s e d a ne r r o rc a l j b m t i o nm e m o d b ys o 丘w a r eb a s e do nw a v e l e t 钉彻s f o n t li sp r o p o s e d d i g i t a l s m u la t j o ni sc a 州酣o u tb yma t 】a bs o 仃w a r ep a c k a g ef o rs i 印a lr e n o i s e 锄ds o m es p e c ia l e r r o re l i m i n a t i o n t h es i m u i a t i o ns h a w st h a ti ti se f i b c t i v et oi m p r o v es y s t e mm e 罄u r e m e n t a c c u m c yb yw a v e l e tt r 锄s f o m b 鲢e d0 nt h et h e o r e t i c a l 柚a l y s i sa 1 1 de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，a c o m b i n e de c t ，e v ts 锄p l ei si n 仃o d u c e da n dp a n e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eg i v e n t h es 姗p l e i sr e a d yf o rf i e l dt e s t ，a n dt h ep e r f b 丌l n a n c eo f f i e l dt e s ti st h en e mr e s e a r c hc o n t e n t k e yw o r d s ：e c l 厄、亿r o g o w s k ic o i i ，c 印a c i t o rv o i t a g ed i v i d e lo p t i c a i 矗b e lr e l i a b i l 咄 e m c ，w a v e l e tt r a n s f b 瑚，e h d rc a l i b r a t i o n 华中科技大学博士学位论文 1 绪论 摘要：本章介绍了国内外电子式电力互感器的研究现状，分析了各种方案的特点及存在 的技术难点和问题，在此基础上提出了本课题的研究内容，最后给出了论文的整体结构 和章节安排。 1 1 课题背景 我国电力工业在“九五”期间已进入高速发展时期，各大电网的装机容 量以每年1 0 一2 0 的速度递增。一方面，电网的正常工作电流和短路电流 都越来越大，另一方面，电网运行的电压等级也越来越高。我国电网的最高 电压等级已达5 0 0 k v ，下一个电压等级也许是7 5 0 k v 或1 0 0 0 k v 【2 | o 电网向大 容量、超高压方向发展是电力工业发展的必然趋势。 电力互感器，包括电压互感器和电流互感器，是电力系统中进行电能计 量和获取继电保护信号的重要设备，其精度和可靠性与电力系统的安全性和 经济运行密切相关。然而传统的电磁式电力互感器在电网向大容量、超高压 发展过程中面临着严峻的考验，暴露出一系列严重的问题：绝缘结构越来越 复杂，造价也随着电压等级的升高而呈指数增加：动态测量范围小、频带窄； 大部分依赖绝缘油做主绝缘，因而易燃易爆。电压互感器存在铁磁谐振的可 能性，容易引起过电压：电流互感器存在磁饱和问题，在大容量系统中变得 非常突出。大容量、超高压系统的短路电流不仅数值很大，而且含有很大的 非周期分量。过大的短路电流引起电流互感器铁芯过度饱和，励磁电流成几 十倍甚至几百倍的增大，会引起电流互感器二次电流数值和波形的严重失真， 继而引起系统保护的误动作。另外，传统互感器1 0 0 v 或5 a 的输出信号不能 直接与计算机相连。上述问题说明，传统的电磁式互感器已经难以满足现代 电力系统的在线检测、高精度故障诊断、计算机控制与管理等发展需要，寻 求更理想的新型电力互感器已势在必行。 新型互感器的开发与电子技术的发展密切相关，我们把依赖电子元件取 样、处理乃至输出信号的电压传感变送器、电流传感变送器称为电子式电压 华中科技大学博士学位论文 互感器( e v t ) 和电子式电流互感器( e c t ) ，统称为电子式互感器。目前国 际电工委员会己有相应的国际标准：i e c 标准，i e c6 0 0 4 4 7 ，电子式电压 互感器( 草案) ，i e c6 0 0 4 4 8 ，电子式电流变换器( 草案) 。多年来电子 式互感器在电力系统中的应用受到需要大功率驱动的传统电磁型继电保护装 置和二次测量及其它自动装置的制约，而随着微机保护技术和现代测量装置 的发展，这些设备不再需要大功率驱动，这种技术进步为电子式互感器在电 力系统的应用扫除了障碍。同时，计算机技术、现代传感技术、新材料科学 等的发展，为成熟的开发电子式互感器提供了基础。 1 2e c t e v t 研究的必要性和可能性 e c t 、e v t 与传统的电磁式互感器相比，具有以下优点： 1 绝缘结构简单，体积小，重量轻。因无铁芯、绝缘油等，一般电子式 互感器的重量只有电磁式互感器重量的l 1 0 ，便于运输和安装。 2 采用光纤或其它加强绝缘方式实现高电压回路与二次低压回路在电 气上的完全隔离，消除这些回路不希望有的相互影响，保护了二次设备和工 作人员的安全。 3 带负载能力强，对于接入有任意输入阻抗，以模拟或数字形式输入信 息的负载可具有任意需要的独立输出。 4 由于传感和信号处理部分外形小和重量轻，可以装入成套电器或成套 配电装置中，适应电力设备向集成化方向发展的趋势。 5 不存在磁饱和与铁磁谐振问题，能在很大的电流与电压变化范围内， 以高速动作、准确、抗干扰的宽频带性能来测量电流、电压。 6 适应了电力系统数字化、智能化和网络化的需要。电子式互感器可以 根据需要输出低压模拟量和数字量，可直接用于微机保护和电子式计量设备， 而且能实现在线检测和故障诊断，在变电站综合自动化中具有明显的优势。 从二十世纪六十年代末最初的e c t 报道至今1 34 矗6 1 ，已有三十多年的 历史，电子式互感器的研究已有一些成功的经验【7 8 】。特别是近十年来，美 国、法国、同本等技术发达国家陆续公布了他们研制的各种光学电力互感器 华中科技大学博士学位论文 及其运行数据，并打出了产品广告。a b b 公司1 9 8 6 年首次将光电互感器在 t e l l i l e s s e ev a l l e ya u t h o r i t y 电网试运行。经过十余年的探索，到1 9 9 7 年该公 司已有6 0 余套光电互感器分别在美国、加拿大、德国和智利电网试运行【9 1 。 法国g e ca l s t o m 公司对光电互感器的研究也走过了十几年的研究历程， 现在已有从1 2 3 k v 到7 6 5 k v 不同电压等级的样机分别在法国、比利时、荷兰、 美国和加拿大电网试运行【l 。日本东京电力株式会社己研制出当前电压等级 最高达l 0 0 0 k v 的光电互感器原理样机。我国对光电互感器的研究始于上个 世纪八十年代，先后有清华大学、华中理工大学( 华中科技大学) 、电子部 2 6 所、北京电科院、上海互感器厂、沈变互感器厂等多家大学、科研院所和 企业开展这项研究工作。其中华中科技大学与广东供电部门合作，联合开发 1 1 0 k v 、2 2 0 k v 光电式互感器，已有样机在现场试运行的报道n 14 1 。 目前，虽然有各种类型的e c t 、e v t 样机在现场运行的报道，但一般都 是与传统测量装置并联运行【1 51 6 1 ”，真正能够实用、长期单独可靠运行的例 子尚未见报道。在e c t 、e v t 运行的若干年限里( 一般是1 0 年) ，其运行 情况一般能满足实际测量要求的需要，但这段时间后的追踪报道尚未见到 【1 8 】。然而，电子式互感器以其优越的特性以及明显的经济效益和社会效益， 对于保证日益庞大和复杂的电力系统安全可靠运行，并提高其自动化程度具 有深远的意义，正因为如此，国外许多技术发达国家都投入了大量的人力、 物力和财力从事这项研究工作，我国在这方面起步较晚，与国外先进水平还 有一定的差距，随着我国加入w 1 o 的日益l | 缶近，我们也必须加快步伐，尽 快开发出拥有自主知识产权的电子式互感器产品。借鉴国内外在e c t 、e v t 研究中已取得的经验，广泛消化和吸取已有的研究成果，研制适合我国国情 的面向高压、超高压系统的实用化e c t 、e v t 是我们追求的目标。 1 3 电子式互感器的基本构成 e c t 、e v t 的基本组成框图见图1 一l ，图中所列出的部件并非都是必需 的，要根据所采用的技术确定所需的部件。基本思想是将一次侧高电压、大 电流转变成方便传输的信号，一般为数字信号或频率变换信号，经传输系统 华中科技大学博士学位论文 送到二次侧，在二次侧作一定的处理后，可以模拟量形式也可以数字量形式 输出，供测量和保护用。一次侧的电流传感器可采用光学元件，也可以采用 空心线圈或负荷固定连接的铁芯线圈作为电流传感器。一次电压传感器可采 用光学元件，或采用精密电阻或电容分压器。一次到二次( 高压端到低压端) 的传输一般使用光纤，这是因为光纤可以实现高、低压侧的电气隔离，又具 有很强的抗电磁干扰能力。二次变换器的任务是将信号变换成与被测电流、 电压成比例的信号，或放大的、可通讯的数字信号，供测量和保护用。根据 实际需要，二次变换器可以在现场完成，也可以将信号传输到控制室后，在 控制室完成。 图1 1e c t 、e v t 的通用框图 1 4 电子式互感器的实现方案 1 4 1 各种e c t 实现方案 s 】 s 2 二次端子 根据传感器部分是否需要电源，e c t 可分为有源和无源两种类型。无源 型e c t 就是传感器部分没有电源供电的光电电流测量装置。无源型e c t 以 光学元件作为电流传感头，多采用法拉第磁光效应、磁致伸缩效应、自然旋 光效应或光干涉原理来实现电流的测量。 基于磁致伸缩原理的光电电流互感器在一段时间内曾受到相当的重视 ”，但由于该方法受光学元件本身长期性能稳定性和可靠性以及外界干扰等 因素的制约比较严重，工业化应用的进展缓慢。同样原因未能使研究应用得 以深入的还有基于热变效应的温度型光纤电流互感器【2 0 j 。当前，无源电子式 4 华中科技大学博士学位论文 互感器中实用化程度最高，也是人们研究得最多的是基于法拉第磁光效应原 理的光电电流互感器，即磁场与光相互作用所产生的一种效应。无源e c t 的 特点是：整个系统的线性度比较好，灵敏度可以做得较高，绝缘性能好。其 难点是精度和稳定性受温度、振动的影响。基于法拉第效应的e c t 的传感头 可归纳为三种类型：混合式、块状玻璃式及全光纤式，如图1 2 所示。 ：哪2 岛，2 r ， l 磁环2 母线3 输入光纤仁传感头5 一输出光纤 图1 2 几种光学电流传感头结构图 其测量电流的基本原理是：当一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料 时，线偏振光的偏振面将会线性地随着平行于光线方向的磁场大小发生旋转， 通过测量通流导体周围线偏振光偏振面的变化，就可以间接地测量出导体中 的电流值。用算式表示为： 口= ，护d ( 1 1 ) 式中臼为线偏振光偏振面的旋转角度：y 为磁光材料的费尔德( v e r d e t ) 常数； ，为光通过的路径；h 为被测电流在光路上产生的磁场强度。为了使实际测 量电流时不受载流母线位置变化及另外两相电流产生的磁场影响，依安培环 路定律使磁光材料内的光束在被测电流周围形成环路，此时： 口：pf 厅万：订( 1 2 ) 埘 华中科技大学博士学位论文 f 为载流导体中流过的交流电流。由于目前尚无高精确度测量偏振面旋转的 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， 一般用检偏器来实现将角度信息变化为光强信息。调节起偏器和检偏器的偏 振轴夹角为4 5 。以获得最大的测量灵敏度。当有电流通过母线棒时，根据马 吕斯定律且当口很小时有： 尸= 只c o s 2 ( 4 5 。一目) = r ( 1 + s i n 2 口) ，2 ，、 r ( 1 + 2 口) ，2 = r ( 1 + 2 订) ，2 式中只为入射光经过起偏器后的光强；p 为检偏器输出光强。经光电变换、 滤波等环节，式( 1 3 ) 中p 可分解为直流分量= r 2 和交流分量 只，= r v f ，令g = 只。，则： g = 舡 ( 1 1 4 ) 女为比例系数，与所采用的电路有关。可见g 与被测电流成线性关系，这样 就可以利用偏光干涉原理来实现对电流信号的测量。 全光纤型o c t 中传感与传光部分均采用光纤，光纤环绕在导体上，光路 从光纤中通过，灵敏度由光纤环绕圈数决定，法拉第效应在环绕光纤的导体 中产生。它具有光路结构简单，便于加工，灵敏度可按光纤长度进行调节等 优点。全光纤型光电互感器的技术难点是传感光纤绕成环行会引起线性双折 射，这样会降低传感器的精度，同时使信号输出随温度的变化而失真。因此， 研究全光纤型光电互感器需要克服光纤内线性双折射问题1 2 l 弘矧。 混合型o c t 中导体由一导磁回路环绕，磁环中镶嵌法拉第旋光探头。这 种光电互感器其法拉第旋光器件路径短而且简单，设备尺寸小，气隙较大， 有利于系统成型化。在另方面，这种o c t 的测量结果受周围电流的影响， 气隙的磁场分布不均匀，测试结果取决于传感器的位置。 块状玻璃型0 c t 中光源经调制与极化变成线偏振光，然后通过光纤引入 到一块有法拉第效应的玻璃材料上，光在其内多次反射并被电流产生的同方 向的磁场调制，然后通过另一条光纤输入到光电探测器中，经电子电路处理 完成信号的探测。选取传感头的材料时要考虑光学特性，运行范围，稳定性 等多方因素。选取费尔德常数大，温度系数小的磁光玻璃材料，可以提高这 种传感器的灵敏度和温度稳定性。z f 6 重铅玻璃是种比较好的磁光材料【川。 6 华中科技大学博士学位论文 在传感头的结构设计上主要考虑两个问题：一是线偏振光在两种不同截面上 发生全反射时，电矢量相互垂直的两个分量之间产生相位差，即所谓的“全 反射相位差”，影响测量精度；二是温度、应力等环境因素对互感器的影响。 对这两个问题，经过大量的研究工作，人们已经提出了一些解决措施1 2 5 ”1 2 ”。 在以上几种无源型光电电流互感器中，人们对全光纤型o c t 的优点及存 在的问题已经有了正确的认识，进行了较深入的研究，并尝试了许多方法， 解决光纤内双折射给互感器带来的不良影响，尽管3 m 公司声称已经研制成 功了无双折射的保偏光纤，但到目前为止还没有见到真正商品化的全光纤 o c t 。块状玻璃型0 c t 经过仔细的设计和精密加工，用高v e r d e t 常数、温 度特性良好的磁光材料，并利用几何相位补偿技术抵消全反射相位差，同时 在光路结构上作进一步的改进，争取使环境影响降为最低，从而具有重量轻、 灵敏度高、价格低、性能稳定的特点，因此它是无源型光电电流互感器实用 化的首选产品。 从以上分析可见，外界扰动和环境温度变化是影响无源型e c t 测量误差 的主要原因。为了解决这个问题，国内外学者从两个方面作了很多努力，一 方面提出很多措施来提高温度稳定性、减小外界扰动的影响，例如恒温控制 法、电路补偿法、双光路法等，目前仍有许多学者在作这方面的工作”j 。 另一方面，有学者从另一个途径出发，即用其它的传感器作传感元件，而光 纤仅用来传输信号，从而从根本上避开了传感头的温度稳定性问题和对振动 的敏感性问题，这就是有源e c t 【3 03 ”。它是通过一次侧的采样传感器对电流 信号取样，利用有源器件调制技术，以光纤作为信号通道，把高压侧转换的 光信号传送到地面进行信号处理，还原得到被测信号。高压侧电子器件的电 源来源于光电方式、母线电流供电方式或太阳能电池供电方式等。这种互感 器的特点是：既利用了光纤系统提供的高绝缘性、抗电磁干扰强的优点，显 著地降低了电流互感器的制造成本、体积和重量，又充分发挥了被电力工业 界广泛接受的常规电流测量装置的优势，同时还避免了传感头光路的复杂性 及全光纤传感头线性双折射、块状玻璃全反射相位差等技术难点。图1 3 所 示为从母线上取电源的有源e c t 原理图。 作为一次电流采样传感头的元件有很多种，有传统的电磁式电流互感器、 华中科技大学博士学位论文 图1 - 3 有源e c t 原理图 特别设计的小信号电流互感器、分流电阻器、罗柯夫斯基( r o g o w s k i ) 线圈 等。其中基于r o g o w s k i 线圈的有源e c t 是最具发展潜力的光电互感器产品， 它既可以用作封闭电器g i s 、插接式组合电器p a s s ( p l u g 锄ds 州t c hs y s t e m ) 中的电流测量设备，又可以用作敞开式独立的有源e c t 。r o g o w s “线圈是将 导线均匀地绕在一个非磁性材料的骨架上制作而成的空心线圈，载流导线从 线圈中心穿过，当导线上有电流通过时，在线圈的两端将会产生一个感应电 势e ，其大小为： p = 一 肼，d ，( 1 5 ) 式中m 为罗氏线圈的互感。由上式可见，通过后续电路及相关的信号处理， 我们可以获得被测电流信号。 r 0 9 0 w s k i 线圈测量电流的历史由来已久，它一直是高压实验室测量冲击 大电流的重要手段1 3 2 强3 4 1 。随着计算机技术的发展和普及，继电保护和测量 走上微机化的道路已是不可逆转的潮流，设备不再需要大功率驱动，这样 来，低功率输出、结构简单、线性度良好的罗氏线圈在许多场合下可以作为 传统的电磁式电流互感器的替代品，在电力系统的应用也越来越广泛。早在 2 0 世纪8 0 年代，罗氏线圈在中压开关继电保护中的应用研究已经在进行， 在高压开关测量和继电保护中的应用也有报导盼3 6 1 。 德国r i t z 公司有用于g i s 开关柜的用小信号电流互感器作传感元件的 电子式电流互感器o ”，a b b 公司有以r 0 2 0 w s k i 线圈作为电流传感元件、以 电阻分压器作为电压传感元件的1 0 k v 组合式电子互感器。目前国内外尚无 华中科技大学博士学位论文 用于高压领域的混合式e c t 挂网运行的报道。但是有源e c t 的优点决定了 它最可能成为实用化e c t 道路上的佼佼者，因此它也成为本文的研究对象。 1 4 2 各种e v t 实现方案 同e c t 一样，目前研究得较多的e v t 的传感头也多是用光学元件。其 基本原理大体上可以分为两种：基于p o c k e l s 电光效应和基于逆压电效应。 p o c k e l s 效应是指在外加电场作用下透过某些物质( 如电光晶体) 的光会 发生双折射，沿感生主轴方向分解的两束光由于折射率不同导致在晶体内的 传播速度不一样，从而形成了相位差p 例： 伊：竿栉；皿：孥咖u ：孚 ( 1 - 6 ) u 。 以= 南 式中u ，为使得两束光产生石相位所需要施加的电压，称为半波电压；上为光 在晶体内传播的光程；y 为晶体的电光系数；为晶体的寻常折射率；五为 光波长；【，为待测的电压，与妒成正比，上式表明只要测出相位差p 的大 小就可以测定e 或u 。在目前的技术条件下，要对这个相位差进行精确的直 接测量，需要引入精密的光学仪器，不便集成为实用方便的测量设备，而光 强的测量技术非常成熟，故一般都是考虑采用干涉的方法将通过晶体的相位 调制光变成振幅调制光，通过光强的检测来间接达到相位检测的目的，其解 调过程与基于f a r a d y 效应的o c t 的解调过程相似。 具有电光效应的物质很多，但能够稳定的用于高电压测量的电光晶体并 不多。常用的p o c k e l s 晶体主要有铌酸锂( l i n b 0 3 ，简称l n ) 、硅酸铋 ( b i l 2 s i 0 2 0 ，简称b s 0 ) 和锗酸铋( b i 4 g e 3 0 1 2 ，简称b g o ) 。由于b g o 晶 体在电压传感方向的优良性能，如透过率高、无自然双折射和自然旋光性、 不存在热电效应等，使它成为目前电压、电场传感领域最为理想的材料之一 f 3 9 4 0 4 1 1 。 基于电光效应的光纤电压互感器从调制方式上可以分为横向调制式和 9 华中科技大学博士学位论文 纵向调制式，见图1 4 。横向调制式结构中通光方向与电场方向致。横向 调制式的半波电压与晶体的尺寸有关，可以通过减小晶体的厚度，加大晶体 通光方向的长度来减小半波电压，提高灵敏度i l “。这一结构比较简单，对电 极无特殊要求，便于实现批量化。对于不同电压等级的测量，可以通过调整 电极间的距离，改变晶体上的电场强度，达到测量的目的，而不需要改变传 感器的结构和尺寸，因此应用很广【3 9 1 ，其难点是存在自然双折射引起的相位 延迟f 4 引，并且后者随晶体温度的变化而变化，影响传感器工作的稳定性。实 际应用中，为了消除自然双折射引起的附加相位延迟，可采用双晶体法| 4 3 】或 双光路法来实现温度补偿【4 4 1 。 电压 l 通光 f b ) 纵向调制式结构 图1 4 横向调制式与纵向调制式传感头的结构 1 一光纤2 一起偏器3 1 4 波片4 一电光晶体5 检偏器 纵向调制是传光方向与电场方向一致的一种调制方式，如图1 4 ( b ) 所示。 根据两点间电压差就是电场强度沿任意路径的线积分的定义，两电极之间的 电压与电场的分布无关。因此，这种调制方式可排除极间外电场的干扰及杂 散电容的影响，提高测量精度【4 5 l 。此外，纵向调制式的半波电压只与晶体的 电光性能有关，而与晶体的尺寸无关。因此，可以通过增加晶体的长度来提 高系统的灵敏度。a b b 公司和法国g e ca l s t o m 公司研制的光学高压传感 器多用纵向调制式。但是，由于纵向调制式的通光方向与外施电压方向一致， 需要透明电极，因此其制造工艺较为复杂，当测量电压大于晶体的半波电压 时，信号解调也比较困难。 0 华中科技大学博士学位论文 除了上述基于电光效应的光纤电压互感器外，还有一类也是用光学晶体 作传感头，但基于逆压电效应的光纤电压互感器。当压电晶体受到外加电场 作用时，晶体除了产生极化现象外，同时形状也将产生微小变化，即产生应 变，这种现象称为逆压电效应。若将逆压电效应引起的晶体形变转化为光信 号的调制并检测光信号，则可实现电场( 或电压) 的测量。 文献【4 6 】作者研制了一种以压电陶瓷( p z t ) 和单模光纤作为传感头的 f a b r y p e m t 干涉型电压传感器。将单模光纤固绕在压电陶瓷圆柱上( 匝数为 n ) ，被测电压( u ) 施加于圆柱两端，则它的横向应变将引起光纤中传输光 的相位移( p ) ，且有： 口= 点m( 1 7 ) 式中k 为与光波长、光纤及压电陶瓷有关的常数。可见，测量妒即可获得 被测电压u 。用此传感器测量l 7 k v 工频电压的非线性误差为1 0 7 。 文献【4 7 】则利用压电石英的逆压电效应和双模光纤传感头实现了g i s 中 高电压的测量，其传感头如图1 5 所示。它将双模光纤依次固绕在四个石英 盘上，并将被测工频电压同时施加于各圆盘的端面。石英圆盘在电压作用下 产生同频振荡并实现对传感光纤的调制。用它对2 2 0 k v 高压母线进行2 4 小 时电压监测，监测结果与常规方法比较，最大偏差为o 3 。这种传感器不需 要光学元件和电光晶体，可以避免若干不利光学效应对传感信号的影响，但 由于需要特种光纤且信号解调较复杂，实用中还受到较大限制。 双模8 篡辩 传感光纤 一 。工一r 一工一工一、 保偏学纤 l i 英电压传感器一 偏心连接器 图1 5 利用压电i i 英和双模光纤 研制的电压传感头 华中科技大学博士学位论文 不论是采用电光晶体还是压电晶体作电压传感头，它们的原理都是依据 晶体在外加电场的作用下产生的电极化效应来实现电压( 或电场) 的测量， 而环境温度及应力等外界作用也将引起晶体的附加极化并形成对电场极化的 干扰，从而成为影响这类e v t 工作稳定性的不利因素。虽然可以采取一些措 施，消除或降低温度或外界应力对光纤电压互感器的影响，但这同时往往使 传感头光路、电路变得非常复杂，对传感头的加工与固化工艺也提出更高要 求。 用精密电容分压器做e v t 的取样元件是近年来出现的技术，首先在插接 式组合电器( p a s s ) 上得以应用【4 8 】。在气体绝缘的母线外围布置电极，形成 柱状同轴电容器c ，作为分压器的高压臂，可以得到足够的测量精度。图1 6 为a b b 的p a s s 中组合电子式电流电压互感器，其中的电压互感器原理图 见图1 7 。考虑到接地电容c e 将会因温度等因素的影响而变得不稳定，选取 一个小电阻r 以屏蔽c e 的影响，则电阻r 上的电压u ，( ，) 为： u 2 ( f ) = 胄c d u l ( ，) ，西 可见，【，( f ) 与系统电压u ( ，) 的时间导数成正比，此后可以在信号过程 处理单元p i s a ( p r o c e s si n t e r f a c ef o rs e n s o r s 蚰da c u a 【o r s ) 中利用微处理器 对d a 转换后的( f ) 进行数字积分以实现信号解调。 在中低压配电领域，精密电阻分压器、电容分压器已经使用得比较多。 使用这种电压传感器技术，大大简化了高压传感部分的设计，同时使用光纤 2 l 图1 6p a s s 中组合电子式 电流电压互感器结构图 1 电流互感器2 电压互感器3 p l s a u 图1 7p a s s 中电容分压式 电压互感器原理图 华中科技大学博士学位论文 传输信号，保留了光纤良好的电气隔离作用，因此，本文欲以此作为突破口， 提出在高压领域用电容分压器作为传感元件，以光纤传输信号，借助电路设 计和软件技术，研究实用化新型e v t 。 1 5 论文的主要工作和章节安排 尽管电子式电力互感器已经问世多年，人们进行了大量的理论分析和实 验研究及样机挂网运行，但到目前为止，国内还没有一种商业化产品投放市 场。这说明e c 耽v t 虽然原理、技术可行，但要在高电压、高电磁干扰、 高温差变化等环境下长期稳定、可靠地运行，还需付出更多的努力。本文在 系统分析了各种e c t 、e v t 方案后，认为有源e c t 、e v t 最有可能最先成 为实用化产品。因此，本文以研究实用化e c t 、e v t 为目的，围绕有源e c t 、 e v t 实用化研究中提出的两个最关键的问题( 即如何选择高电位端的供电电 源问题；怎样达到系统所要求的精确度和可靠性要求) 从电路方案选择、误 差模型参数分析、系统电磁兼容与可靠性分析、误差校正方法等方面展开了 理论与实验研究。 论文各章节的具体安排如下： 第一章综述了国内外在电子式电力互感器方面的研究成果，通过对它们 的原理分析，了解各自存在的技术难点和问题，从而明确了本文的研究方向。 第二章中对罗柯夫斯基线圈测量电流原理进行简单分析后，着重分析了 罗氏线圈在电力系统电流测量中的稳态和暂态性能、电磁参数计算及其对电 流测量误差的影响，并给出了部分测试实验。研究结果表明罗氏线圈是e c t 中一种非常好的电流传感元件。作为实用化研究提出了罗氏线圈的设计原则。 第三章对影响e c t 精度的另一个重要部分一积分器及信号变换系统作 了详细的分析，给出了实用的电路设计及其实验结果。 第四章研究了采用电容分压器作为电压传感元件的e v t 。着重分析了电 容传感单元的误差影响因素及其解决办法，并对e v t 在电力系统暂态工况下 的一次侧短路和俘获电荷问题进行了分析和研究。 第五章分析了系统高电位端自具型电源问题，比较了几种可能的电源实 华中科技大学博士学位论文 现方案，并给出了具体的设计方案和样机参数。 第六章给出了e c t 、e v t 的可靠性模型，对e c t 、e v t 的可靠性指标 进行了预测，提出了提高其可靠性的具体措施。对影响e c t 、e v t 正常工作 的电磁干扰的种类、特点和传播途径进行了分析，在此基础上，给出了相应 的干扰抑制措施。 第七章探讨了用小波理论修正e c t 、e v t 系统误差的软件校正方法，初 步研究表明这种软件校正方法可以大大提高系统的整体精度，以弥补硬件设 计上难以达到的精度要求，为e c t 、e v t 走向实用化