（电力系统及其自动化专业论文）混合式光电电流互感器（hoct）的研究.pdf

a b s t r a c t an e wd e s i g no fe l e c t r i c c u r r e n tt r a n s f o r m e rb a s e do no p t i c a l - f i b r et r a n s m i t t e r a n dd i g i t a lm e a s u r i n gt e c h n i q u ei sp r o p o s e da n dd e m o n s t r a t e de x p e r i m e n t a l l y i t s a l s on a m e dt h eh y b r i do p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r ( h o c d t h ec u r r e n ts e n s o ri sar o g o w s k ic o i l so rac o n v e n t i o n a lc ta n dt h e r ei sa d e g r e eo fe l e c t r i c a li n s u l a t i o ni n h e r e n t a s o p t i c a l f i b r ei su s e df o rc o n n e c t i o n s b e t w e e nt h eh i g hl i n ep o t e n t i a l ( h p ) a n dt h el o we a r t hp o t e n t i a l ( l p ) ，a l s od i g i t a l s i g n a l sa r et r a n s m i t e db yt w op i e c e so f o p t i c f i b e n t h ee a r t hp o t e n t i a ls e c t i o ni sar e c o n s t r u c t i o na n dp r o c e s s i n gu n i t , a l s o c o n t r o l l st h eh i g hp o t e n t i a l sa n a l o g u e d i g i t a lc o n v e r s i o n ( a d c ) i th a sa ni n t e r f a c e t ot h ep ci s ab u s a st h ed a t ai sr e a d y ，i ti sr e a da n ds t o r e di nt h ep cr a m m e m o r y , a n dt h ep cw i l ld i s p l a yt h ew a v eo ft h em e a s u r e dc u r r e n ta n dt h e r e c o r d e dr e s u l t sw i l lb ea n a l y z e db yc o m p u t i n gr m s ，t h de t c t h e r ei sa l s oa r t a n a l o gs e c t i o n w i t l lw h i c ht h ea n a l o gr e p l i c ao ft h eh ps i g n a li sa l s oa v a i l a b l ea t t h e lp t h ep r o t o t y p eh o c tw i t ht h ee a r t hs e c t i o nc o n t r o l l i n ga dc o n v e r s i o nh a s b e e nd e s i g n e da n dc o n s t r u c t e d t h ep r i n c i p l ea n dt e c h n o l o g yo fh o c tw i l lb e i n t r o d u c e di nd e t a i l i tu s e st h ef e a t u r e so fs y n c h r o n i z a t i o ns a m p l i n gt e c h n o l o g y a n dd i f f e r sf r o mt h ec o n v e n t i o n a lh o c t sw i mt h eh i 曲l i n ep o t e n t i a lc o n t r o l l i n g s a m p l i n g t h ep r i n c i p l eo fr o g o w s k ic o i l si si l l u s t r a t e di nt h ep a p e ra n dt h ef r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i ca l s oi ss t u d i e d i no r d e rt or e c o n s t r u c t i n gt h ep r i m a r yc u r r e n tw a v e ， a ni n t e g r a t o ri sd e s i g n e d ，s ot h ee q u i v a l e n tc i r c u i t so ft h er o g o w s k ic o i l sa n dt h e c o i l sc o m b i n i n ga ni n t e g r a t o ra r ep r e s e n t e dt o g e t h e r m a n yt e s t sh a v eb e e nm a d e ， a n da se x p e c t e dt h er e s u l t sm e e to u rd e s i g ns p e c i f i c a t i o n a d i g i t a lo p t i c a l f i b r et r a n s m i t i o ns y s t e mi sd e s i g n e da n di n t r o d u c e d ，a n dt h e r e s u l t so f p r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t a lw o r ka r es a t i f y i n g t h eh a r d w a r eo ft h eh o c ts y s t e mb a s e do nt h ep r e v i o u sp r i n c i p l eh a sb e e n a c c o m p l i s h e d m a n yt e c h n i c a la p p o i n t sa r ei l l u m i n a t e di nt h ep a p e r t h ep h o t o t y p e i i o fh o c tw a st e s t e df o ri t sa b i l i t yt om e e t a c c u r a c yr e q u i r e m e n t si n c l u d i n gs a m p l e c o n t r o l l i n g ，a n a l o gr e c o n s t r u c t i n g ，p ca n a l y z i n g ，a n dl i n e a r i t yt e s t s ，f r e q u e n c yt e s t s e t c p r e l i m i n a r yt e s t ss h o w t h a tt h eh o c tm e e t st h ep e r f o r m a n c e s p e c i f i c a t i o n ss e t b y u s k e y w o r d ：c u r r e n tt r a n s f o r m e r , r o g o w s k ic o i l s ，s y n c h r o n i z a t i o ns a m p l i n g , t h eh y b r i do p t i c a lc u r r e n t t r a n s f o r m e r ，o p t i c a l f i b r et r a n s m i t i o n s y s t e m i i i 武汉大学电气工程学院 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的申 茸恐学位的论文是本人在导师的指导下 独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出 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 的法律后果由本人承担。 作者签名 招 哼 日强：一j 年f 玛 t e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文大规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权武汉大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 保密留，在；年解密后适用本授权书。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：，多尹t 嶂 日期：如哆年j - 月，。日 剔磁轹协沈甭 醐狰，钆月厂日 l 1 武汉大学硕士论文第一章绪论 1 1问题的提出 第一章绪论 电力系统安全、稳定运行和电力市场交易的先决条件是精确、可靠地测量 电力系统的参数【1 】【”。电流的测量是实现系统控制、测量、保护和收费计量的 基础。传统的电流测量方法，是通过电磁感应原理构成的电流互感器( c t ) 将电 流变换为5 a 或1 a 实现的。这是为满足过去电磁式继电保护和控制装置、电 动式量测和计量仪表的输入要求而设计的，其主要优点在于简单、可靠性高、 输出容量大，同时性能比较稳定，适合长期运行，并且有长期运行经验【3 】。但 随着现代电网向大容量、超高压的发展，继电保护、配电设备、测量仪器等自 动化程度的不断提高，传统电流互感器的局限性也逐渐暴露出来，电磁式式电 流互感器面临的主要问题有【1 , 3 , 4 - 9 ： 绝缘结构复杂、体积大而重且成本高； 铁芯磁饱和及磁滞回线的影响，使得c t 动态响应精度降低、二次侧 暂态输出电流严重畸变，继而引起继电保护装置的误动作； 电缆传输信号易受电磁干扰： 动态测量范围小、频带窄，计量用c t 和保护用c t 必须分开； 输出端不能开路，易燃易爆，安全性能、操作性能也随电压等级的提 高而面临更为严峻挑战； 特别在超高压、特高压系统中，电流互感器的绝缘结构、制造工艺越 来越复杂，体积、重量不断增加，支撑结构也日趋庞大。 随着微电子、计算机和光学技术的广泛应用，电力系统的控制、管理发 生了重大的变化。目前，已在电力系统中广泛应用的以微处理器为基础的数字 保护装置、电网运行监视与控制系统以及发电机励磁控制装置等已基本实现微 机化，设备趋向小型化，仅需3 5 或5 v 的电压信号和pa 或m a 级的电流 就可以了，迫切需要与之接口的外部传感部分小型化和弱电化【1 0 1 ，采用低功 率、紧凑型电流传感技术代替常规c t 技术。将传统的大电流输出变换为数字 装置所要求的电压或电流水平，是电力系统技术创新面临的新任务。这对降低 电力系统建设和运行成本，提高电力系统运行的经济性、可靠性和安全性都具 有重要意义u j 。 武汉大学硕士论文 第一章绪论 光纤传感、传光技术和数字信号处理技术的发展和应用，特别是光纤所具 有的特殊性能，推动了光学技术在电流传感领域的应用研究，光学电流互感器 应运而出，与传统电磁式电流互感器相比，它具有许多特殊的优点【l 1 1 。1 4 】： 优良的绝缘性能，光纤物理介质强抗电磁干扰能力和高绝缘性能，可 以满足在高压环境下工作的要求； 新型的电流传感头不易产生磁饱和现象，也不像通常的电流互感器那 样动态工作范围受铁芯磁饱和效应的限制： 抗电磁干扰性能好，可以在比较宽的频带内，产生高线性度的响应， 动态范围宽、测量精度高、频率响应好： 低压边无开路高压危险，没有因存油而产生的易燃、易爆等危险； 光学传感器一般结构紧凑，体积小、重量轻、价格相对便宜： 适应电力计量和保护数字化、微机化和智能化发展潮流。 利用光纤技术把高电位的电气信号传输到地面( 地电位或低电位) 上来， 可以容易地解决绝缘困难问题，高压输电线上的电流测量问题完全可以采用光 纤技术来实现【4 】o 光学技术推动了新的紧凑型电流量测技术的研列1 ，8 】，光学 电流互感器在电力系统中的应用，对提高继电保护可靠性、实现高保真故障录 波和建设全光纤网的现代变电站等各个领域都具有重要意义1 4 j ，其潜在的巨大 的市场也是显而易见的。 1 2国内、外光学电流互感器的研究概况及发展前景 国际上，对可用于电力工业的光学电流测量装置的科学研究及应用开发早 在2 0 多年前就已开始，某些光学电流互感器现已接近实用。这些电流互感器 在技术性能和经济上可与传统的电磁感应铁芯式电流互感器相比，在有些方面 更为优越。不像通常电流互感器那样动态工作范围受铁芯磁饱和效应的限制， 它们具有高的测量精度、大的动态电流范围和宽的频率特性，能满足表计和继 电保护的要求，也可用于高电磁噪声的环境中，提供模拟、数字信号输出，装 置结构紧凑、体积小、重量轻、价格便宜、适用性广l “。 当然光学电流量测系统也面临许多难题，如加工问题、传感头的温度、振 动问题、电源问题，以及长期工作的稳定性、可靠性问题都需要实践的检验1 4 j 。 武汉大学硕士论文第一章绪论 在此情形下，加快对光学电流互感器的研制和实用化开发，无论对促进光学电 流互感器领域的进步，还是对适应我国电力工业的发展要求都具有十分重要的 意义( 4 】。 1 _ 2 1光学电流互感器的研究概况 从广义而言，所谓光学电流互感器是指那些利用光学技术直接或间接地对 电流换能或测量，从而实现对电流传感的装置【4 l 。一般又可分为有源和无源两 类，无源光学电流互感器( o c t ) 采用纯光学传感头作电流传感元件，如现在 研究较多的磁光式电流互感器( m o c t ) 就是利用f a r a d a y 磁光效应，通过测 量围绕被测电流的光学环路内磁场的积累效应( 积分) 的方法检测电流的装置 h ，如图1 1 【1 5 】就是一个基于法拉第( f a r a d a y ) 磁光效应的电流量测系统原 理图。而有源o c t ，又称混合式光电电流互感器( h o c t ) 是采用传统电流互 感器、霍尔传感器、r o g o w s k i 线圈或光学装置作为一次转换部分，利用光纤 作为一次转换器和二次转换器之问的传输系统，并装有电子器件，用做测量信 号的传输和放大，具有模拟量输出、数字量输出和光信号输出等功能的电流量 测系统【1 6 】【1 7 】【1 8 】，如图l 一2 是一个基于a d c 采样的h o c t 原理图。 耐e 图1 - - 1m o c t 量测系统图 一、m o c t 研究概述 图i 一2h o c t 量测系统 最早的m o c t 研究在1 9 6 0 年代就已开始，最近2 0 年研究则在世界范围 内开展起来。如美国五大电气公司在1 9 8 2 年左右就成立了各自的光纤电流互 武汉大学硕士论文第一章绪论 感器专题研究小组，主要研究块状结构m o c t 为主，在1 9 8 6 1 9 8 8 年1 6 1 k v 独立式光纤电流互感器研制成功并实现挂网运行【7 】，到2 0 0 0 年北美n x t p h a s e 公司已生产出多个等级的m o c t ，电压等级覆盖6 9 k v 一7 6 5 k v ，在2 3 0 k v 的 线路上进行的试验表明具有较高的精度0 3 ( 1 9 - 2 1 1 。a b b 的t & d 公司1 9 9 1 年 开发出用于计量和继电保护用的3 4 5 k v 电站的光纤电流测量系统，在运行四 个月后与标准c t 比较，误差仅为0 4 【2 2 】。日本也于1 9 8 1 年起组织五大电气 公司对光纤电流互感器理论、材料、性能等进行了研究【2 ”。德国著名的专业 互感器公司融t z 公司、法国的通用电气等均相继开发出无源及有源式o c t l 2 2 1 。 我国较早研究o c t 的单位主要有：华中科技大学、清华大学、西安交通 大学以及沈阳互感器厂等，其中研究绝大部分仅限于实验室探索阶段瞄】，如 清华大学对全光纤m o c t 进行了较为深入的研究：华中科技大学则在块状 m o c t 方面做了大量研究工作。虽然国际上已有多个成功的范例，但我国的 m o c t 情况并不理想，除了1 9 9 3 年底和1 9 9 8 年华中科技大学和合作单位开 发出的m o c t 两次挂网运行外，未见有其他长期挂网运行的报道。如清华大 学和电力部电科院研究出的1 1 0k v 样机，未长期挂网运行；沈阳变压器研究 所和几个单位共同研制的2 2 0 k v 样机在现场运行不到一年时间也退出了运行 【2 2 】。 光纤线性双折射、外部扰动、器件噪声、光源输出功率波动、光波长的变 化等等都将影响量测m o c t 的量测精度和灵敏性 2 3 彩】。从我国第一台o c t 挂 网运行数据可以看出，在小电流时，o c t 输出读数波动较大，线性度较差， 准确度也超出计量要求【5 】。 到了9 0 年代，除了采用磁光效应进行电流测量，有学者开始应用其他物 理效应进行电流测量，如电热效应、铁氧体磁畴效应、磁流体热透镜耦合光磁 效应等，但这些传感器的研究主要还处于实验室阶段，并且也面临着众多的困 难【1 6 】。 二、h o c t 研究概述 在m o c t 研究的同时，h o c t 的研究也得到了各国的重视，h o c t 既利 用了光纤系统提供的高绝缘性的优点，又充分发挥了已被电力工业界广泛接受 的、常规的电流测量装置的优势，同时还避免了由光纤线性双折射产生的全光 纤电流传感元件所遇到的难题。作为新型电流互感器h o c t 与m o c t 相比， 4 武汉大学硕士论文第一章绪论 其研制周期更短、开发成本更低，便于批量化生产，可望首先在g i s 中获得 成功应用l 2 6 。 h o c t 作为光学电流量测领域的研究方向之一，研究开发异常活跃，其代 表了一定时期内光学电流互感器研究接近实际应用的一面1 4 】。1 9 9 2 年至1 9 9 7 年，a b b 公司研制的激光供能的电子式电流互感器从3 5 0 k v 到5 0 0 k v 等级都 已进行了现场试运行，获得了大量的现场运行经验，整套系统测量精度达到 0 2 ，保护通道准确度达到1 【5 】，到目前为止已有5 0 多套设备在世界范围 内进行现场运行。西门子公司也有其混合式光电电流测量系统投入运行， 我国南方的天广直流输电工程天生桥换流站即应用了西门子公司的h o c t ，该 系统采用了激光源提供电能，具有直流分流器和r o g o w s k i 线圈双重电流传感 器，大大简化了电流量测系统的设计【l “。英国l i v e r p o o l 大学研制成功的h o c t 具有稳态和暂态两个输入通道，稳态通道可测0 4 k a ，暂态通道可达 1 1 l k a 【2 7 】。 我国对于h o c t 的研究相对还十分落后，虽然也有不少单位进行这方面 的研究 2 8 3 3 j ，但大多功能单一、结构复杂，到目前为止还未有我国自行开发研 制的混合式光电电流互感器可以成功挂网运行的，市场化的进程就更加缓慢 了。在国外大电力公司相继推出h o c t 时，在我国进行混合式光电电流互感 器( h o c t ) 方面的研究是具有十分重要的意义的。 1 2 2 光学电流互感器的发展前景 1 9 9 4 年国际电气与电子工程师协会( i e e e ) 下属新技术工作组和光纤传 感工作组对光纤互感器的发展趋势做了评价，认为o c t 的发展必将是高可靠 性、高精度、大动态范围的，将广泛地应用到电力和其他领域中。国际电工委 员会( i e c ) 于1 9 9 9 年出台了“电子式电流互感器”的标准草案【i7 ”j ，为开 发利用混合式光电电流互感器提供了标准依据。目前，国外已有将光电互感器 应用于继电保护和故障测距系统、电力系统计量等领域中【3 4 ”j ，研究已经转向 了对一些个别困难的解决，如何解决m o c t 的线性双折射问题田2 5 ，3 8 - 4 1 灵 敏度问题成了发展新型o c t 的一项重要任务【7j 。光纤光栅、高速a d 转换器、 虚拟仪器、g p s 等技术与混合式光电电流互感器( h o c t ) 相结合，成了混合 式光电电流互感器发展的新趁势【1 6 1 。新型的h o c t 不但具有电流测量功能， 武汉大学硕士论文第一章绪论 同时也将温度、绝缘性能、气体密度等一系列系统参数集为一体，将控制、测 量、保护和收费计量集为一体f 4 2 1 。 1 3 本论文h o c t 的原理技术与方案 从二十世纪七十年代开始，h o c t 得到广泛研究，其基本原理大多采用了 电感的或电子的电流传感头( 如电流互感器、r o g o w s k i 线圈等) ，结合光纤进 行信号传输。通用的h o c t 调制方案主要有v f c t 4 3 埘】和a d c 2 7 4 5 m 1 变换两种。 v f c 采用压频变换，将输入模拟量变化成为脉冲频率随输入模拟量幅值大小变 化的脉冲量，对脉冲定时计数来实现模数转换。v f c 由于其简易的接口特性、 高的抗干扰性能而得到较广的应用，但也存在功耗大、采样速率低、温度漂移 大等缺点 2 7 , 4 9 ，特别不适于分时对多个模拟量进行转换的场合应用。 采用a d c 变换则能较好地解决这些问题，1 9 9 0 年代以来采用a d c 技术 的h o c t 不断被研制出来。如a b b 公司、a l s t o m 公司等已经有较为成熟 的h o c t 投入运行。与v f c 变换不同，a d c 的采样工作需要外围电路控制， 目前通常所用的方法是在高端采用硬件或c p u 控制a d c 采样，然后通过光 纤将采样结果以异步 2 7 , 3 3 , 4 7 1 或同步 2 6 2 8 l 的方式传送到低端，这样信号的取样频 率和取样时刻都由高端电路决定而与低端电路无关，不但增加高端电路的复杂 度和功耗，降低电磁兼容性能，在进行数据分析时也存在许多不便。其中我们 前期研究也采用了这种单路的非同步采样方式，参考文献 4 2 】提供了详细的原 理方案，该方案只有一路电流分析，适合于高压在线检测等领域的应用。 在实际的电力系统中，我们不仅要知道所感兴趣的每一路信号值的大小， 而且要知道信号彼此之间的相互关系，如本系统中a 、b 、c - - 相电流间的相 互关系，高端电路控$ g a d c 采样的方式是很难满足要求的，有论文采用软件 插值法来解决，这一方面增加了软件的处理量，特别在较高采样频率时，同时 也会因插值而降低整个测试系统精度。 为了使各相的高端a d c 采样同步起来，本文提出由低端控制器通过光纤 对高端a d c 进行采样控制，实现各相串行a d c 同时采集数据，同时为满足 数据信息的完备性，通过多路开关使得多个模拟输入对时间轴时分复用，将单 片单路a d c 数据采集系统扩展成分时采集多个信号的多路数据采集系统。图 1 3 是本系统的单相控制原理图。光纤f 传输控制器对a d c 的控制时序信号， 6 武汉大学硕士论文 第一章绪论 光纤e 传输a d c 输出的采样数据。 a ：高端电源； b ：信号调理及a d 采样： c ：控制器控制部分，实现 时序波形发生功能； d ：控制器接收部分，具有 模拟输出、i s a 接口、 p c 机处理等功能； e ：传a d c 采样数据的光 纤； f ：传a d c 控制时序的光 纤； 图1 - - 3e 1 0 c t 原理圈 h o c t 单相工作原理是：高端采集板( 图中h p ) 上的电流传感元件( r c ) 将载流导体上的大电流信号变换为小电压信号输出，经过信号调理电路传送到 a d c ( 图中b ) ，a d c 在光纤f 传送上来的控制时序下对模拟信号进行同时采 样( 控制时序由l p 侧c 单元产生) ，转换成数字信号后输出驱动发光二极管 l e d ，l e d 输出的光信号通过光纤e 传送到低端，低端控制器( 图中d ) 解 调此光信号间接测得载流导体中的一次电流，实现模拟量输出和数字量存储、 p c 机波形显示分析等功能。采用线路上安装辅助c t 供能的方式为高端采集 板提供工作电源，图中a 部分为供能装置。 当要求a 、b 、c 三相一起工作时，低端控制器通过6 根光纤分别对各相 a d c 进行控制，控制时序一样即可实现三相a d c 同时采样，当然系统也可扩 展为多于3 相电流同时采样。 采用这种h o c t 方案具有简单的优点：首先，从硬件上实现了各相电流 同时采样，不用软件进行插值，对各相a d c 进行多个通道扩展，则可实时了 解高端运行状态信息：其次，a d c 工作由低端进行控制，可由外部授时时钟 ( 如g p s ) 对采样时刻进行修正，实现在统一的时钟指挥下同时采样；第三， 为各相a d c 在低端控制下跟踪电网频率进行准同步( 等间隔) 采样 4 8 , 4 9 , 5 1 】创 造条件，这对于要求进行电能质量分析的场合( 如谐波分析) 有时是必需的； 第四，高端电流采样的可控性使得最终可简易地将混合式光电电流电压量测 组合在一起，实现电流电压同时测量。 武汉大学硕士论文第一章绪论 1 4 本文的主要工作 本文主要工作就是在国内外现有的研究工作基础上，探讨一种新型的混合 式光电电流互感器( h o c t ) 方案。它将高电压、大电流量测技术、光纤导光 技术、新型的数据采集与复原技术及数字信号处理技术集为一体，是当前光学 电流互感器研究领域的一个重要分支。本文在系统分析的基础上，从整体方案 的确定、技术性能的要求、电路设计及硬件、软件实现等各方面进行理论分析 和实验研究。本文对r o g o w s k i 线圈的电流量测技术、光纤导光技术和数据采 集技术进行深入分析，设计了r o g o w s k i 线圈电流传感头、数字光纤导光系统、 串行多路信号同时同步采集和复原系统以及数字信号处理系统。本文主要工作 包括： 1 ，h o c t 方案的确立，本文在广泛分析目前国内外的光学电流互感器的设计 思想和发展现状的基础上，提出基于地电位控制的可实现多路同时同步采 样的h o c t 设计方案。基于此方案的h o c t ，不但可以在硬件上实现a 、 b 、c 三相a d c 同时采样，而且可进一步扩展采样方式，实现基于统一时 钟g p s 的同时采样和跟踪电网频率的软件准同步采样；不但采集线路电 流信号，而且也采集高端的工作电源电压、环境温度等一系列信息，将测 量与监测集为一体； 2 本文在分析传统电流互感器的基础上，对具有弱电接口的r o g o w s k i 线圈 的量测原理、频率特性及误差特性进行了理论推导和分析；分析了对 r o g o w s k i 线圈输出信号进行积分的有源积分器模型，分析了其误差产生 的根源；为抑制积分误差和低频漂移，引入了新型模拟积分器电路，并对 线圈积分器组合的理想电路模型频率特性进行理论推导和分析； 3 对r o g o w s k i 线圈的量测性能进行了实验研究，其中包括微分输出性能、 加r c 无源积分器和有源积分器后输出的性能及线圈积分器输出与传统电 流互感器输出的对比实验，实验表明r o g o w s k i 线圈的量测线性度和频率 性能优良，线圈积分器组合输出波形良好，可满足测量小到1 a 的电流信 8 武汉大学硕士论文 第一章绪论 号，具有较高的灵敏度( 1 0 6 m v a ) 、谐波量测精度和暂态响应性能 4 在研究光纤导光理论的基础上，设计了应用于h o c t 的高端电路与低端电 路之间数字信号传输的光纤导光系统，对其接口电路和抗干扰性能进行了 详细分析，并完成了实验测试，可以满足h o c t 系统的要求； 5 对h o c t 的硬件电路实现进行了详细分析，将h o c t 方案定位于低端可 控制的同时采样，从硬件上解决了相间同时采样控制、外触发同时采样控 制及准同步采样控制的问题。系统可实现对高端采集板的串行控制和信息 分享，单相采集板具有4 个输入通道，低端具有模拟和数字两种接口，可 与p c 进行实时数据交换；设计了可优化a d c 采样资源配置的模拟切换 开关，实现单路a d c 与光纤分时采集、传送不同类信息( 如电流、电源 电压及工作温度等) 的功能： 6 完成电路板制作、调试，低层程序和必要的计算机分析软件的设计，并进 行了系统的原理性实验研究。p c 机波形显示、模拟量输出、暂态波形记 录等功能工作正常。对采样数据、波形进行处理、分析，精度达到预期指 标。初步实验表明系统的工作达到了设计的预期目标： 7 对本文工作做了总结，并就以后工作进行了展望。 武汉大学硕士论文 第二章r o g o w s k i 线圈的研究 第二章r o g o w s k i 线圈的研究 简单的r o g o w s k i 线圈是一个与传输初级电流的导线发生互感的电感器。 由于线圈的骨架采用的是非磁性材料，在理论上不存在磁滞、饱和和非线性问 题，具有良好的隔离性能( 与被测电流回路没有直接电路连接) 和超高的响应 速率，在电力系统量测领域得到越来越广泛的应用【5 ”9 1 ，如a b b 公司生产的 组合式光学p a s s 设备中，电流量测部分采用了r o g o w s k i 线圈取代传统的c t 作传感头，其对r o g o w s k i 线圈应用进行了评述：由于没有铁心饱和问题，输 出又是线性的，相应动态特性也大大优于传统的电流互感器，这种传感器能在 所有相关的动态范围内以高分率和精度满足控制、测量、保护和收费计量的不 同需要【5 9 】。 2 1 电流互感器概述 电流互感器( c t ) 是目前大电流测量中常见的传感器，它能检测非常大 的电流而且功耗很小，可实现一次与二次之间的隔离测量，是各种继电保护装 置和监控系统了解电力系统真实状态的重要元件。 2 1 1电流互感器的等值电路 理想的电流互感器一次线圈通过的电流是待测的网络电流，它与互感器二 次侧所接的负荷无关，工作情况可由图2 - 1 等值电路表示【6 0 1 。 r 1 l tz 2l 2 l 三f r 2 f 图2 - 1 电流互感器等值电路图 假定一次侧输入为电流源，回路各参数均折算到一次侧，其中 1 0 武汉大学硕士论文 第二章r o g o w s k i 线圈的研究 厶：电流互感器励磁绕组的漏电感 ， ：电流互感器二次绕组的电阻； l ：电流互感器二次绕组的电感； r 2 ，：电流互感器二次侧负载的电阻分量； ：，：电流互感器二次侧负载的电感分量； 丘、上2 、r 2 ，、l 2 i 都已折算到一次侧，并可以通过试验测得其值。 从等效回路可得一次电流为：i 。= f ：+ i o ： 式中：i ：为电流互感器二次电流折算到一次的电流值； 为电流互感器一次电流值； i 。为励磁电流的值； 稳态运行时，磁动势平衡方程式为：。+ ，：n 2 = i o 。，式中l 是使铁 芯中产生主磁通所需的励磁电流，它使电流互感器的二次感应电势与二次绕组 内部阻抗压降和二次端电压相平衡，即电流互感器的电动势平衡。 2 1 2电流互感器的误差 5 5 , 6 0 j 对于理想的电流互感器，其铁芯中建立磁通不需要励磁电流，磁动势平衡 方程式为： ，i 1 + ，2n ：= 0 ，即理想的c t 电流比等于匝数反比。但在实际的c t 中， 由于铁芯中要产生磁通、铁芯发热和交变励磁以及二次绕组和二次回路导线的 发热、电流变换要消耗能量，一次磁势在保证二次侧建立二次磁势的同时，将 产生一个消耗在铁芯磁势和抵抗其它能量消耗的附加磁势。另外铁磁材料在磁 化过程中存在磁滞效应、涡流效应和饱和效应，励磁电流要提供产生这些效应 所需的能量，造成比值差和相角差。 l l 武汉大学硕士论文 第- - 章r o g o w s l d 线圈的研究 比值差就是折算到一次侧的二次电流与实际一次电流的数量上的差值，以 后者的百分数表示，即： 厂：竺丝 量。1 0 0 ，式中k ，：为额定电流比。 i 2 n 相角差表示为一二次侧电流矢量间的夹角，是将二次侧电流相量旋转1 8 0 0 后与一次侧电流相量之间的夹角，并规定超前一次侧电流相量时，角误差为正 值。 由于c t 存在磁化电流，通常会产生o r o 3 。的相移，在低功率因数时 将产生显著的误差【55 1 。而用作磁芯的铁氧体材料在大电流时会饱和，当电流 浪涌超过c t 的额定电流或者当电流中含有大量的直流分量时就可能会产生 c t 饱和，从而使精度降低。目前对于饱和问题的解决方案是使用磁导率比较 高的铁氧体材料，但这种类型的c t 与传统的铁芯式c t 相比较，对于电流和 温度的变化会具有较大的相移。基于这种磁芯电流互感器的量测装置对电流幅 度和温度变化则需要多点校准，同时在高电压等级中，电流互感器不可避免的 存在如绝缘结构、支撑结构等众多问题。 2 2 r o g o w s k i 线圈的量测原理配5 5 】 r o g o w s k i 线圈由一环绕于非磁性材料上的导线组成，用于电流测量主要 基于安培环路定理和电磁感应定律。当导体中通过电流，导体周围将产生磁场， 磁场强度正比于导体中的电流吲m f ( ) ，根据安培环路定理，真空媒质中，磁 场感应强度矢量b ，沿任意闭合有向曲线，的积分，等于该闭合曲线z 所交链 的电流的代数和与真空媒质磁导率的乘积，即d b d l = , u 0 3 - ：1 ；又由电磁感应 定律，导体回路内所感生的电动势等于回路交链磁通的变化率，即p ：一皇当【1 1 1 ， 甜 符号与参考方向选择有关。图2 2 示出了一种r o g o w s k i 线圈电流传感的原 理结构。 2 武汉大学硕士论文 第二章r o g o w s k i 线圈的研究 图2 - - 2 r o g o w s k i 线圈量测原理酬 当载流导线从线圈环心穿过，根据电磁感应定律，可得出闭合线圈感生 电势： p ( ，) ：一生：一d ( i b d s ) ；( 2 1 ) d td t 考虑一个理想的线圈模型，即假设在圆环截面积及线圈绕线均匀、导线 直径、相邻线匝间距可忽略，则可推得： 栌一鲁姜_ b j n j = - a 嚣p ；( 2 - - 2 ) 其中：爿为线圈圆环截面积； 为线圈总匝数； ，为沿线圈圆环一等效磁路长度； 再由安培环路定理，弘d l = 胁，a 风以) ，线圈上电流小得可忽略， 代入( 2 2 ) 可得： 印) = - 1 0 a - n 啊t d 出i ( t ) 一m 警； ( 2 _ 3 ) 其中：为真空磁导率： 武汉大学硕士论文 第二章r o g o w s k i 线圈的研究 f f ，) 为一次导线电流： m 为线圈回路与一次导线回路之间的互感系数，详细推导可得： m ：竺当( d l 一= 阿) ，单位为亨( h ) ，其中吐为线圈的圆环直径；以为 线圈截面直径。互感值的大小显示出每单位别出线圈输出的信号幅度。可见 当a 、n 、，确定时，该线圈输出电压仅依赖于初级电流对时间的微分面出， 测量i 只要对e 进行积分就可。由于只有当磁场发生变化时才会产生感应电势， 所以r o g o w s k i 线圈不能用于检测电流中的稳恒直流分量。另外，这种类型的 传感器能很方便地检测高达数千安培( k a ) 的交流电流，是一个微电流、电 压输出设备。 2 3 r o g o w s k i 线圈的性能分析【6 1 6 2 】 为了研究r o g o w s k i 线圈的频率响应性能，需要对线圈进行建模分析，由 于线圈结构的特殊性，具有电感、内阻、杂散电容等，不同的条件下( 包括信 号、负载特征等) ，分析方法不尽相同，线圈表现出的性能也是不同的。 2 3 1 稳态响应分析 在r o g o w s k i 线圈的两个出线端接一个取信号小电阻，拉氏变换可等效成 图2 3 。 s l sr s u o ( s ) 图2 - - 3 r o g o w s k i 线圈等效电路 其中为一次回路电流，e s ：m 竺掣线圈回路感生电势，为线圈等a t 武汉大学硕士论文 第二章r o g o w s l c i 线圈的研究 效电感，r ，为线圈内阻，c 。为等效分布电容，r 。为端接负载电阻。可得： z 3 豁刊赢 其怯去，t 2 雨l , c o r l _ = 等等； ( 2 4 ) 为简化分析，不妨令c a = 0 ，这样瓦= 0 ，互= 三，( r 。+ r 。) ，所以 瓣豁咄等南咄等而s ，( 2 - - 5 ) 其中织2 毒。 幅频和相频特性表达式可写为： 倒咖等2 等赢 三s 知2 + 织2 p h a s e ( ) ：9 0 。一a r c t a i l 旦：a r c t a n 竺 卅昭( 国) 一r _ l m 比值差一纠= 子= 焘1 ，恒大于零。 轧5 眦比雠巾) 2 丽1 - 1 锄鹘确雅 p h a s e ( ) ：a r c t a i l ! 生。竺，说明相角差与频率成反比，频率越高误差越小。 国 详细分析可得： 武汉大学硕士论文第二章r o g o w s 虹线圈的研究 ( 1 ) 当一次电流”驰 ( r , + r l ) ，首先令r 一。时，钛= 百z s ，凡l i m ，。h ( s ) = 等i i 与i ， 除了线圈国，取得很大外，就是适用于= 2 矿很大的场合，所以一般用于相对 高频( 大于1 0 0 k h z ) 或者短脉冲电流的测量，如冲击电流测量。进一步可得 自积分线圈的下限截止频率为：兀= 面1；上限截止频率为：厶= z 云1 鬲 【6 2 】，可见r e 、c 。越大，频带越窄。 ( 2 ) 反之，当一次电流满足国 互时，则有 鬻咄百m i s ：或者凯一碱贝| j f ：( r ) 札u01批。c 型d t ， p ( s )三，国。 一 l i mz ( s ) ：l i m 旦掣：j m ，线圈相当于一个微分环节，要得到被测电流，需 也呻 、7 凡- + 。 ， 要对线圈的输出进行积分，此时我们称r o g o w s k i 线圈是外积分线圈或者微分 线圈。在模拟积分器选择中有无源和有源两种，下面对外接无源积分器( 如图 2 - 4 ) 的情况讨论如下： 忽略c 。，e s ( f ) = 工，d _ i z + ( r ，+ 也) f 2 + ”。( f ) ，可见”。( f ) 是与一次电流的频 a t 率有关的， 当满足( 心+ r ，) c o 正，一时，可得： 0 9 c ， 6 武汉大学硕士论文第二章r o g o w s h 线圈的研究 “也f z ，所以i 2 - 2e s 吃，而( ，) 2 击f ：西，巳：m d i p ，( t ) ，所以： a t 砸，= 击静= 击嗟鲁击= 丽m 这里要尽量减小厶、站 并要满足r 。、巴的取值较大，适于测变化比较慢、幅值比较大的电流。 l s凡甩 i p 外积分工作方 变换如图2 - - 5 ： 工p 图2 4 线圈外接r c 等效电路 式下，幅频特性可由下面求得，忽略e ，对上图进行拉氏 s l s r s r l 图2 5 拉氏变换等效电路 u o s m 邵) 2 嚣2 鬲s c 丐l 2 赤；( 2 - 6 ) 熹 = )0 u 武汉大学硕士论文 第二章r o g o w s k i 线圈的研究 此时疋2 = c 。l ，正= ( r ，+ 吃) c ，所以线圈积分器组合环节的频率特性 与外接负载特性r 和c 。有关。 幅频和相频特性表达式可写为： m o o m a g ( c o ) = f = = = i = = = = = = = = = 焉 4 g o ) 2 + 1 一( 疋) 2 】2 ：( 2 7 ) p 概( 脚) = a r c t a n 掣】 ( 0 1 总结可得，自积分r o g o w s k i 线圈与传统c t 是原理相似的，只要外接 个小电阻即可测量电流；而外积分r o g o w s k i 线圈需要外接积分器才能将使得 输出成与一次电流频率无关的正比量。 2 3 2 暂态响应分析 6 3 , 6 4 1 分析图2 - - 4 的r o g o w s k i 线圈积分电路环节特性，可列得等值电路图回 路方程： 扣) - ( 即跳心罢饥 卜q 鲁 两式合并可得：巳( f ) = l , c l i d 2 丁u o1 - “一。等+ ， 其中r = r ，+ r l 。 i ：h g ( d 一m 署，所以 一m 等= l , c l 万d2 u o + 魍百d u o 帆； 当被测短路电流为： f “、：i e - q r , c o s 0 一c o s ( c o t + 0 ) 1 ： ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 武汉大学硕士论文 第二章r o g o w s k i 线圈的研究 这里，l 一一短路电流幅值；口一一短路初相角；正一次侧电流直 流分量衰减时间常数；0 3 一一角频率； 按最严重的情况考虑通过