（电力系统及其自动化专业论文）适应于数字式光电式互感器的微机选线的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 供其它线路的故障迹象信息。 本文分析了现有选线方法的特点和不足，且根据有源性电子式互感 器优良的暂态输出特性，提出了一种新的基于故障暂态信息的选线方 法。本文提出依据故障测度来选线的思想，要求判据定量地度量出各条 线路具有故障征兆的程度，给出选线结果。 故障测度是在小波理论的基础上提出的。小波理论是一种新的数学 分析方法，是信号的时间一频率分析方法，具有多分辨率分析的特点。 它在时域和频域上同时具有良好的局部化性质，能对不同的频率成分采 用逐渐精细的采样步长，聚焦到信号的任意细节，能够有效地检测高频 和低频信号，特别适用于分析奇异信号。对原始信号进行小波分解变换， 可由小波变换后不同尺度上的小波系数组合形成小波故障测度。该线路 故障测度的大小表明了其发生故障的可能性。同时，本文提出的判据还 可以对故障和扰动进行区分。 大量的仿真试验表明，本文提出的新方法具有可靠性高、耐过渡电 阻能力强的优点，并且适合于中性点不接地和经消弧线圈接地的配电 网，也可对故障情况和扰动情况进行识别。因而具有良好的应用前景。 关键词：光电式互感器，小波变换，小电流接地系统，故障测度，m a t l a b 仿真 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho nm i c r o c o m p u t e r f a u l 月c i r c u i ts e l e c t i o na d a p t a t i o nt o d i g i t a lo p t i c a l e l e c t r o n l ct r a n s f o r m e r a b s t r a c t p o t e n t i a l c u r r e n tt r a n s f o r m e ri st h ed e v i c e sp r o v i d i n gs i g n a l sf o rp o w e r q u a l i t ya n dr e l a yp r o t e c t i o n ，w h o s ep r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t yc o n t a c tw i t h s a f e t ya n de c o n o m yo p e r a t i o nt i g h t l y w i t ht h ef o l l o w i n gi n c r e a s i n ga n dt h e h e i g h t e n i n g ，t r a d i t i o n a le l e c t r i c - m a g n e t i s mt r a n s f o r m e rc a n ts a t i s f yt h e n e e do fp o w e rs y s t e mt oa u t o m a t i o na n d d i g i t a l - n e t w o r k t h e n e w t r a n s f o r m e ri sl o o k e d f o r , o n eo fw h i c h i sc a l l e d o p t i c a l - e l e c t r o n i c t r a n s f o r m e r , w h o s ef u n c t i o ni sp r i m ea n dr e s e a r c ho nw h i c hg e t sa l o n g q u i c k l y t h r o u g h 3 0 y e a r sw o r k ，o p t i c a l e l e c t r o n i c t r a n s f o r m e r sh a v e o p e r a t i o ni np o w e rs y s t e mf o rt e s t a tt h es a m et i m e ，o p t i c a l e l e c t r o n i c t r a n s f o r m e r sw i l l b r i n gt e c h n o l o g yr e v o l u t i o n o nd e s i g n ，m e a s u r e m e n t ， p r o t e c t i o n ，c o n t r o li np o w e rs y s t e m f a u l tc i r c u i ts e l e c t i o nh a s n tb e e ns o l v e de f f e c t i v e l ya l lt h ew h i l ew h i l e s i n g l ep h a s e - g r o u n d e df a u l to c c u r r e di n n o n - s o l i dg r o u n d e ds y s t e m t h e c a u s a t i o n r e p r e s e n t so nt w oa s p e c t s ：f i r s t ，t r a d i t i o n a le l e c t r i c - m a g n e t i s m t r a n s f o r m e rc a n ts u f f i c em e a s u r e m e n ta n dp r o t e c t i o n o na c c o u n to ft h e i i i 太原理： 大学硕士研究生学位论文 f i r s t ，p r e v e n i e n t s c h e m eo ff a u l tc i r c u i ts e l e c t i o na n dd e v i c ed i d n t c o n s i d e r a t et r a n s i e n ts i g n a l sc o m m o n l ya f t e rf a u l t ，b u tj u s ta c c o r d i n ga s h a r m o n i o u s s e c o n d l y , t h ep r e c i s i o no fa c t u a lf a u l t sc i r c u i ts e l e c t i o nt of a u l t f e e d e ri sl o w - r i s e t h et r a i to fa c t u a lm e t h o d si st h a tt h eo u t p u to fa c t u a l m e t h o d sl a c k so fa c c e s s i o n a lr e s t r i c t i o n i to n l yd e m a n d sad e n o t a t i o nw h i c h c a ni n d i c a t et h ef a u l tf e e d e r t h i st y p eo fo u t p u th a sm a n ym a l p r a c t i c ea s f o l l o w i n g o n e ，i tc a n ti n d i c a t et h ed e g r e eo ff a u l tc h a r a c t e r i s t i c w h e na f a u l to c c u r r e do no n ec i r c u i t r y ，t h er e s u l ti sr e l i a b l eo n l yw h e nf a u l t c h a r a c t e r i s t i ci so b v i o u sq u i e t l y i fn o t ，t h er e s u l tm a yb ew r o n g t h e d i s c r e p a n c yc a n ti n c a r n a t e v i at h i so u t p u t t w o ，i tc a n tp r o v i d e f a u l t s i g n a l so fo t h e rc i r c u i t r y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a u t h o r p r o p o s e sa nn e ws c h e m ef o u n d i n g o n t r a n s i e n tf a u l ts i g n a l s ，b a s e do nt h et r a i ta n ds h o r t a g eo fe x i s t i n gm e t h o d s a n dt h et r a n s i e n to u t p u tc h a r a c t e r i s t i co fo p t i c a l - e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r a c c o r d i n g a s f a u l t m e a s u r e s ，t h i s n e ws c h e m ec a nm e a s u r e q u a n t i f i c a t i o n a l l y t h ef a u l td e g r e eo fa n yf e e d e ra n dp r e s e n tt h er e s u l t t h ec o n c e p to ff a u l tm e a s u r e si sp r o p o s e db a s e do nt h ew a v e l e tt h e o r y t h ew a v e l e tt h e o r yi sa nn e wm a t h e m a t i ca n a l y s et e c h n i q u eo fm u l t i s c a l e a n a l y s e ，w h i c ha n a l y s e ds i g n a l sb o t ho nt i m ea n df r e q u e n c y w a v e l e t t e c h n o l o g yi sp r o v i d e dw i t he x c e l l e n t l o c a l i z e dt r a i t ，c a nd i s a s s e m b l e s i g n a l se f f i c a c i o u s l yt oh i g h - 仔e q u e n c ya n dl o w - f r e q u e n c ys i g n a l s p r i m a l i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 s i g n a l s i sd i s a s s e m b l e db yw a v e l e tt e c h n o l o g y , t h er e s u l t so ft r a n s f o r m ， w h i c hi sc a l l e dw a v e l e tc o e f f i c i e n t ，c a nf o r mf a u l tm e a s u r e s t h em a g n i t u d e o ff a u l tm e a s u r e si n d i c a t e st h ef a u l tp r o b a b i l i t yt ot h ef e e d e r s i m u l t a n e i t y , i t c a n d i s t i n g u i s hf r o mf a u l ta n dd i s t u r b a n c e a g r e a td e a lo fs i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h en e ws c h e m et h i s d i s s e r t a t i o n p r o p o s e dh a sm a n ym e r i t ，s u c h a sp l u m m yr e l i a b i l i t ya n d t r a n s i t i o n r e s i s t a n c e r e s i s t a n t ，i s f i tf o r a n y d i s t r i b u t i o nn e t w o r k s i m u l t a n e i t y , i tc a nd i s t i n g u i s hf r o mf a u l ta n dd i s t u r b a n c e s oi tw i l lp o s s e s s af a v o r a b l ef o r e g r o u n d k e yw o r d s ：o p t i c a l - e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r , w a v e l e tt r a n s f o r m ， n o n s o l i dg r o u n d e ds y s t e m ，f a u l tm e a s u r e s ，m a t l a bs i m u l a t i o n v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 在电力系统中，电能计量、继电保护、运行控制、仪表测量都需要借助互感器， 它们将一次大电流转换为二次小电流( 5 a 或1 a ) ，或将一次高电压转换为二次低 电压( 1 0 0 v ) ，其基本原理都是利用电磁感应原理。然而，随着电力传输容量的不 断增长和电网电压的提高，传统的电磁式互感器已暴露出以下缺点：电压等级越高， 制造工艺越复杂，可靠性也越差；带导磁体的铁心易产生磁饱和造成铁磁谐振：动 态范围小、使用频带窄等。互感器在短路过程过渡中能否真实地传变一次侧电气 量，对继电保护的正确工作、系统的稳定运行都起着决定性作用。为了维护系统稳 定，要求继电保护动作非常迅速。因此，继电保护装置在短路过渡过程尚在进行当 中就要对故障的地点和性质进行准确的判断。这就要求互感器具有优良的过渡过程 响应特性，能够比较真实地传变一次侧的电气量。而电磁式互感器很难满足这一要 求，同时也制约了继电保护的可靠性。 在我国的电力系统中，电压等级在1 1 0 k v 以下、6 k v 以上的中低压配电网络， 其中性点接地方式主要为非直接接地，即不接地或经消弧线圈接地，这样的系统一 般称为小电流接地系统。配电系统的故障绝大多数是单相对地短路故障。小电流接 地系统在发生单相接地短路故障时，由于大地与中性点之间没有直接电气连接或串 接了电抗器，因此短路电流很小，保护装置不需要动作跳闸，从而提高了系统运行 的可靠性。尤其在瞬时故障条件下，短路点可以自行灭弧恢复绝缘，不需要运行人 员采取什么措施，这对于减少用户短时停电次数具有积极的意义。 但是随之而来的问题是：如果故障是永久性的，系统仅仅允许在故障情况下继 续运行1 2 个小时，此时运行人员必须尽快查明短路线路和短路点，以便采取相 应对策解除故障，恢复系统正常运行。这就提出了小电流接地系统的单相接地故障 选线问题。经过多年的研究，该问题始终没有得到有效的解决( 具体见第三章) 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 小电流接地系统单相接地故障选线准确度不高的原因有以下两方面”： 传统的电磁式互感器性能不是很好。以电磁式电流互感器为例，电流互感器的 铁心具有非线性特性，当一次电流很大，尤其是当一次电流中含有非周期分量 而使其偏于时间轴一侧时，铁心将出现严重饱和现象。这将引起励磁电流成几 十倍甚至上百倍地增长，且包含有大量地非周期分量和高次谐波，使二次电流 的数值与波形严重失真。 目前选线装置的故障选线判据不够准确。在中性点直接接地系统中，一旦某条 出线发生单相接地短路故障，就会产生很大的零序故障电流，从而启动保护装 置动作跳闸。小电流系统的优点是接地故障零序电流小，然而在判断故障线路 时，这恰恰成了一个非常不利的因素。微弱的零序电流往往又混杂在各式各样 的干扰中间，使得这个问题变得更加难以处理。事实上采用常规继电保护装置 根本无法检出故障线路，故障选线必须采用专用的选线装置。这种专用装置8 0 年代就已经在我国产生，但由于选线问题的复杂性，从现场使用情况来看，这 些装置的选线效果并不理想，普遍存在着误选、漏选的缺点，尤其是在中性点 经消弧线圈接地系统中动作准确率更低，许多装置已推出运行，以致还得采用 手动拉路的办法选线。其原因是多方面的，互感器不平衡电流大、系统运行方 式的改变、设备硬件可靠性差等，都可能造成装置的失效。这与配电网自动化 发展趋势极不相称。并且这些选线方法很难适应配电网络复杂多变的故障条件， 如系统中性点补偿度，各条出线的长度，短路点距离母线的长度，故障接地电 阻，短路点电弧的发展等，这些条件的组合，使得在一种故障情况下工作良好 的装置，在另一种情况下可能就完全无能为力了。 有鉴于此，我们认为仍然有必要充分利用故障后暂态信息，对小电流接地系统 单相接地故障选线问题进行进一步的分析研究，以期找出更有效的解决方案。这正 是本课题选题的出发点之一。 1 2 解决问题的方案 从上述可以看出，解决小电流接地系统单相接地故障的选线问题可以从两方面 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 着手，一是提高检测元件的精度和灵敏度，二是充分利用故障信息，探索新的选线 方法，来提高选判能力。下面从这两方面进行探讨。 1 2 1 新型互感器的研制及试运行 随着电力系统的传输容量的增大和电压等级的增高，传统的互感器因其传感机 理而出现不可克服的问题：绝缘结构日趋复杂、体积大、造价高：在故障情况下铁 芯易饱和，使二次电流、电压信号的数值和波形失真，产生不能容许的测量误差； 充油易爆炸而导致突然失效：易受电磁干扰等。对于电磁式互感器，形成误差的主 要因素是铁芯的非线性励磁特性及饱和。为适应电力系统快速发展的需要，必须研 究利用其它感应原理的互感器。同时，光电技术的出现及发展自然地启发了电力系 统的科研工作者进行光电流互感器和光电压互感器的研究。经过3 0 余年的努力已 取得了很大进展。相信o c t 和o p t 的实用化和商品化将指日可待，这将引起电力 系统设计、测量、保护、控制技术的一次革命“1 。 目前，对于光电式互感器，国内外已有多家公司以及科研单位进行研究，并有 产品挂网运行3 ，4 ，7 1 。如： 1 、日本三菱公司的伊丹工厂制造的6 6 k v 、6 0 0 a 的组合式零序电流电压互感 器，在中部( c h u b u ) 电力公司的配电网中安装，经过长期户外运行试验，满足 j e c l 2 0 1 1 9 8 5 标准，已在1 9 8 9 年末通过实验鉴定。p h o t o n i c s 公司也推出了 一种用于光供能的光电式电流互感器，称之为“混合式光电电流互感器”。他 们曾于1 9 9 5 年至1 9 9 7 年器件在美国、瑞典、芬兰等国超高压电网上试运行。 2 、我国研究光电式电流互感器的单位有清华大学电机系、华中理工大学电力系、 上海科技大学、西安交通大学、国电南自新宁光电自动化有限公司、广东中钰 科技有限公司、沈阳沈变互感器制造有限公司和上海m w b 互感器制造有限公 司等。 3 、我国三峡输变电系统已有数个5 0 0 k v 变电站准备采用新型组合电气，要求互感 器采用新型电气互感器。 光电式互感器的应用已经日趋明朗化，a b b 公司在已推出的p a s s 系统( p l u s 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 a n ds w i t c hs y s t e m ) 中采用了罗哥夫斯基电流传感头和电容分压传感的组合互感 器，取代了传统的套管式电磁电流互感器和s f 。电磁式电压互感器。p a s s 在我国已 有引进产品在安装运行，并正在继续扩大。电子式互感器的i e c 标准己有出版物， i e c 6 0 0 4 4 7 电子式电压互感器已正式颁布执行，i e c 6 0 0 4 4 8 电子式电流互感 器2 0 0 0 年已形成c d v 稿，因此电子式互感器的开发与应用已有标准可循。5 。“。 1 2 2 选线判据 通过对小电流系统单相故障后电压电流信号的分析，我们注意到在各出线电流 中，除了由于接地引起的电容性稳态基波分量，还存在着大量的高频暂态分量。这 些信号中无疑也包含着能够反映故障状态的有用信息。然而在以往的选线方案以及 传统的保护装置中，一般都不考虑这些信号，而仅仅处理稳态的基波或者谐波。究 其原因，一方面是由于这种暂态信号持续时间往往比较短，频率又很高，传统的信 号采集设备多数无法得到有用的数据；另一方面则在于，即使能够完整地获得暂态 信号，也缺乏一种有效的数据处理手段。因此，我们可以考虑利用小电流系统单相 接地故障暂态信号，充分利用信号中所包含的故障信息，期望得到一种更为可靠有 效的选线方案，便于与其他选线方法的结合。这就是本课题的目的之所在。 在我国，从1 9 5 8 年起就一直对此问题进行研究，提出了多种选线方法，并开发出 了相应的装置。已经提出的选线方法均以零序电压来启动保护或选线装置，因此可 根据是否利用故障电流把它们分成两类【1 0 】，第一类：如比幅法、比相法、群体比幅比 相法、首半波法、谐波电流方向法、五次谐波分量法、有功分量法、能量法、还有 近年出现的应用小波分析、最大( i s i n 巾) 原理、模糊推理或模式识别来实现故障 选线的多种方法；第二类：如拉线法、注入信号跟踪法。随着选线理论的发展，各种 选线装置也相继问世，5 0 年代末我国就利用接地故障暂态过程研制成功了选线装 置，8 0 年代中期我国又研制成功了微机接地选线装置，最近又增添了残流增量法微 机接地选线装置。到目前为止，基于上述不同选线理论已经先后推出了几代产品。 但在实际应用中的效果并不十分理想。 在常规的故障选线中，通常是提取故障引起的工频信号，利用工频或稳态分量 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 及其组合作为继电保护的启动、闭锁判据。随着电力系统规模的日益扩大，对继电 保护的动作速度提出了更高的要求。而利用故障暂态分量构成线路的保护可以更大 限度地缩短保护时间。 通过检测故障暂态量来实现传输线及电力设备的保护称为暂态保护，包括暂态 行波保护和利用暂态量频率特性的保护，而后者才是严格意义上的暂态量保护。行 波保护虽然是利用故障产生的暂态量，但只是利用了行波初始波头及后续两三个反 射波所包含的故障信息。由于暂态保护主要具有响应快和准备度高的优点，而且不 受工频现象的影响”l 。随着新的数学模型、新的仿真工具软件以及新的数字信号 处理方法的应用，暂态保护的研究逐步向前发展，可见数字仿真技术发挥着越来越 重要的作用。 近年来，基于暂态量的保护原理受到了国内外电力工作者的热切关注，并陆续 提出了很多有效的方法。这些反应于故障暂态高频分量的保护原理可以不受消弧线 圈、负荷等因素的影响全面系统地分析故障，故可用于实现基于工频量实现不了的 新型保护方案。这些保护原理的最大特点是：可以利用故障产生的暂态信号中丰富 的高频分量快速地识别故障，达到迅速切除故障的目的。 本文基于故障暂态分量，利用先进的小波数学理论，提出了一种新的故障选线 方法。本文提出的选线思想，要求判据定量地度量出各条线路具有故障征兆的程度， 给出选线结果。为此定义了故障测度：故障测度( f a u l tm e a s u r e s ) 是定义在 0 ，一 上的实变量，用来描述一条线路在某判据基准下具有的疑是故障线路的特征明显程 度的度量。一条线路的故障测度越大，表明该线路越可能是故障线路。同时，本文 提出的选线方法还可以对故障和扰动进行识别判断。 1 3 本文的主要工作 本论文共分四个部分。 第一部分( 第二章) 在分析了传统电磁式传感器的工作原理及其存在问题的基 础上，重点研究了基于r o g o w s k i 线圈的有源型光电电流传感器的电气特性和暂态 特性，并进行了仿真分析，证明了有源型光电传感器完全适用于电力系统测量、保 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 护和控制的需要。 第二部分( 第三章) 在论述电力系统接地方式选择的基础上，着重分析了中性 点不接地和经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时的情况。通过对故障情况的深 入探讨，提出利用暂态分量的设想，并对分析方法提出了具体的要求。 第三部分( 第四章) 对小波理论进行简单的分析。小波变换是一种信号的时间一 尺度( 即时间一频率) 分析方法，它具有多分辨分析的特点，而且在时、频两域都具 有表征信号局部特征的能力，时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法： 即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的 时间分辨率和较低的频率分辨率，很适合于分析正常信号中夹带的瞬态反常现象并 展示其成分。 第四部分( 第五章) 是全文的核心，论述我们如何把小波分析应用于小电流接地 系统的选线问题。根据故障后a 模分量电流暂态分量提出了应用小波分析的判据。 考虑故障接地电阻、故障点位置、故障时刻不同时的仿真结果，验证所提判据的有 效性。同时，本文提出的选线方法也可以对故障和扰动过程进行识别。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 引言 第二章有源型光电互感器的特性研究 目前在电力系统广泛使用的电流互感器是基于电磁感应式的，分为干式和充 油式两种，在高压系统中采用的多是充油式电流互感器。对于电压互感器，广泛使 用的电磁式互感器和电容式电压互感器( c v t ，c a p a c i t i v ev o l t a g et r a n s f o r m e r s ) ，在 中低压等级的配电系统中，一般采用电磁式电压互感器，在1 1 0 - - 5 0 0 k v 的超高压 电网中一般都选用c v t 。传统的电流互感器是电磁感应式的，它的一次绕组串联在 电力线路中，二次绕组外部回路接有测量仪器或继电保护及自动控制装置。它的 结构和变压器相似，在它的铁芯上绕有一、二次绕组，靠一、二次绕组之间的电磁 耦合，将信息从一次侧传到二次侧。在铁芯与绕组间，以及一、二次绕组之间有足 够耐电强度的绝缘结构，以保证所有的低压设备与高电压相隔离。随着电力系统传 输的电力容量的增加，电压等级越来越高，这样电流互感器的绝缘结构越来越复杂， 体积和重量加大，产品的造价也越来越高。同时电磁型的电流互感器有铁心，具有 非线性。当电力系统发生短路时，高幅值的短路电流使互感器饱、输出的二次电流 严重畸变，造成保护拒动，使电力系统发生严重事故。互感器的饱和引起波形畸变， 而且其频带响应特性较差，频带窄，系统高频响应差，而使得新型的基于高频暂态 分量的快速保护的实现存在困难。由于传统电磁式电流互感器存在以上缺点，它已 难以满足电力系统迸一步发展的需要。所以急需寻求更理想的新型电流互感器。 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互感器，简称光电互感器 o e t ( o p t i c e l e c t r i ct r a n s f o r m e r ) 。国际电工协会已发布光电流互感器o c t ( o p t i c e l e c t r i c c u r r e n tt r a n s f o r m e r ) 的标准i e c 6 0 0 4 4 8 和光电压互感器0 v t ( o p t i c e l e c t r i cv o l t a g et r a n s f o r m e r ) 的国际标准i e c 6 0 0 4 4 7 。“。光电流互 感器具有如下一系列优点。”： 1 、优良的绝缘性能以及便宜的价格。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 、不含铁芯，消除了磁饱和和铁磁谐振等问题。 3 、抗电磁干扰性能好，低压边无开路高压危险。 4 、动态范围大，测量精度高。 5 、频率响应范围、暂态响应范围宽。 6 、没有因存油而产生的易燃、易爆炸等危险。 7 、体积小、重量轻、节约空间。 8 、数字接1 ：3 ，通信能力强，适应了电力计量和保护数字化、微机化和自动化发 展的潮流。 光电式互感器发展至今，其原理与结构普遍集中到有源型、无源型2 种。： 有源型光电互感器是基于传统的电流互感器，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到地面进行信号处理，得到 被测信号。其高压侧电流信号通过采样线圈采集电流信号，将电信号传递 给发光元件而变成光信号，再由光纤传递到低电位侧，进行逆变换成电信 号后放大输出。高压侧电子器件的电源来源于光供电方式、母线电流供电 方式、电池供电方式以及超声电源供电方式。 无源型光电式互感器乃是传感头部分不需要供电电源。传感头一般用 f a r a d y 磁光效应和p o c k e l s 原理制成，处于低电位的光源发出的偏振光经 光纤传到高压侧，并通过处于被测电流产生的磁场中。偏振光偏振面的角 度变化反映了电流大小，其折射率则反映了母线电压。光波经光纤传到低 电位侧，经光一电变换后放大输出。无源型o c t 目前使用最为普遍的是块 状玻璃式o c t ，国内外挂网试运行的也都是此类型，它是无源型o c t 最有 实用化可能的类型。 图2 - 1 中给出了这两种类型互感器的电流互感器结构方框图。它们的输出信号 是数字和模拟共存的，并且根据用途与被测量的要求设定输出路数。 有源型光电电流传感器主要是利用r o g o w s k i 线圈进行电流的变换。r o g o w s k i 线圈是一种较成熟的测量元件，之前就被广泛地应用在电力系统高电压领域。它实 际上是一种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 信号，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 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 纳秒级的电流，且精确度可高达0 1 嘲。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，由于它不与被测电路直接接触，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，用于有源型光电电流互感器。本章 主要分析了传统电流互感器的暂态输出特性，有源型光电电流互感器的基本原理以 及输出特性。 电磁元件 高电位侧 ( b ) 图2 - 1 光电电流互感器原理图 ( a ) 有源型光电互感器( b ) 无源型光电互感器 ( a ) s c h e m ed i a g r a ma c t i r eo c t( b ) s c h e m ed i a g r a mn o n a c t i r eo c t 2 2 传统互感器暂态特性分析 电流互感器在一次系统短路后的暂态过程中能否真实地传变一次电流，对继 电保护和自动装置动作的准确性具有极为重要的作用。由于电磁式电流互感器铁芯 是非线性元件，一旦铁芯饱和，二次电流将严重失真。而在电力系统中，次系统 短路电流含有大量非周期分量，特别是当非周期分量为最大值时情况最为严重。此 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 时铁芯过度饱和，励磁电流成几十倍甚至几百倍的增大，并且含有大量非周期分量 和高次谐波分量，从而引起电流互感器的二次电流数值和波形的严重失真“1 。因此， 对电流互感器暂态过程的响应特性的分析，对于确保继电保护装置的可靠动作异常 重要。 2 2 1 铁芯未饱和时电流互感器的暂态过程分析 将传统的电磁式电流互感器等效折算到其二次侧的等效电路“3 1 ”如图2 2 所 示。其中z l 为折算至二次侧的一次感抗；l m 为折算至二次侧的励磁电感；l 2 为 二次回路电感，包括二次线圈漏电感和负载电感：r 2 为二次回路电阻，包括二次 线圈内阻和负载电阻；i l 、i o 分别为折算至二次侧的一次电流和励磁电流。 由图2 2 可得电压与电流的方程式为： 扛鲁吐鲁+ f 2 r ： 眨。， 【r l = o o + 2 解上式可得 图2 - 2 电磁式电流互感器等值电路 鲁+ 彘o 2 彘争彘一篡：= e q u 协i v a l 。e n t 。c i r c u 。i t o f 竺： ( 2 2 ) 由于l m l 2 ( 对于无气隙c t 若保证均匀绕制工艺，l 2 近乎为零) ，设 t 2 = l 。瓜2 ，则上式变为： 堕+ 卫。i( 2 3 ) 西 ，j2 ； 而电力系统一次侧短路电流最严重情况可用下式表示： i l = ，。p 月一lc o s t ( 2 4 ) 一 其中： i 。为折算至二次侧的一次系统短路电流周期分量的最大值；t l 为一次回 路时间常数，t t = l 1 r l ：电流互感器铁芯未饱和时，电感l m 和l 2 可视为常数， 于是解上述方程可得： l0 太原理工大学硕士研究生学位论文 卜l 矗e 也矗e - 绣- i , , c o s d c o s ( r o t - 8 ) ( 2 5 ) 铲l 击e - - i m 击e “s i n 扎i n ( 耐- 8 ) ( 2 6 ) 其中：c o s 占： 竺! ；s i n 占： 竺兰! 月；+ c o2 l 。2r ；+ 2 l 。2 f l j ( 2 5 ) 式可见，一次系统短路后的暂态过程中，励磁电流中包含着三个电流 分量：其一为强制非周期分量，它是一次电流中的非周期分量传变到励磁支路中去 的，并以一次回路时间常数t l 所确定的指数规律而变化，且随着一次回路非周期 分量的出现消失而出现、消失；其二为自由非周期分量，它是由电流互感器二次回 路的参数引起的，并以二次回路时间常数t 2 所确定的指数规律而自由衰减，由于 保护用c t 通常t 2 t l ，因此，该分量总是在一次传变强制非周期分量衰减至零后 一段时间才消失：其三为周期分量，它是由一次系统短路电流中的周期分量传变到 励磁支路的，是不随时间而衰减的周期性稳态电流只要一次电流存在，该电流 分量一直存在。 根据参考文献 1 5 ，我们选取了l m = 6 h ，r 2 = 3q ，i m = l o o x 2 m v 进行仿真试 验。仿真波形见图2 3 所示，其中a 图为二次回路时间常数t 2 为2 s 时，不同 一次回路时间常数t l 下的励磁电流情况，而b 图为t 】为2 0 m s 时，不同二次 负荷电阻( 也就是t 2 不同) 下的励磁电流情况。从图中可以发现，在二次回路时间常 数不变的情况下，t l 愈大，i 2 的误差愈大，即电流互感器的传变性能愈差：而对 同一t l ，则t 2 愈大，i 2 的误差愈小，但自由非周期分量的衰减则愈慢，二次回 路所分配到的强制自由分量的比例愈大。但是在未饱和的情况下，电感l 。和l 2 均被视为常量，电流互感器的传变特性还在允许范围之内，图2 3 中的励磁电流可 以反映一次电流的变化情况。上述分析，对于电压不是很高、容量不是很大的电力 系统而言，基本上是适用的。 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 3 未饱和情况下电磁式c t 的暂态响应励磁电流 ( a ) 同一t 2 ( 2 s ) 不同t 1( b ) 同一t 1 ( 2 0 m s ) 不同t 2 f i g2 - 3 ：t r a n s i e n tc h a r a c t e r is t i co fe x c i t e rc u r r e n t o fe l e c tr i c m a g n e t is mc u r r e n tt r a n s f o r m e rw h l l en o n s a t u r a t i o n ( a ) t r a n s i e n tc h a r a c t e r is t i cw h e nt 2 = 2 s ( b ) t r a ns i e n tc h a r a c t e r is t i cw h e nt l = 2 0 m s 2 2 2 铁芯饱和时电流互感器的暂态过程分析 对超高压大容量电力系统来说，则短路电流很大而且含有大量非周期分量。 此时，电流互感器将出现严重饱和现象，铁芯的导磁率和励磁支路电感l 。均与励 磁电流i o 密切相关，时间常数t 1 和t 2 已变为i o 的函数，随i o 的变化而发生相应 变化，因此，必须将励磁电流的数学模型( 非线性微分方程) 变换成许多线性差分方 程求解。在传变过程中，二次电流亦将出现一个暂态过程，且其暂态特性与铁芯的 磁滞情况( 重复励磁) 有关。这里为了便于分析，暂且不考虑磁滞影响。电流互感器 的暂态特性说明如下： 在电流互感器一次侧短路电流曲线i l = f ( t ) 和磁化曲线b = f ( i o ) 为已知量的情况 下，且在时间间隔a t 内励磁电流的变化为i o ( n ) ，则在时间t n + l = t 。+ t 时的励磁 电流可近似记作： f 0 ( ，) = i o ( r 。) + a i o ( n ) ( 2 7 ) 12 太原理工大学硕士研究生学位论文 假设时间间隔取得甚小，则_ d i o 。竺，于是，公式( 2 3 ) 可改写为 d t a t 疋百a i o + f 0 = f 。 在时间t 。+ l 时，上式可写为： 亦即 z2笪+fo(，)：“f。)a u - t f o ( 加黼 旺s ， 而电流互感器的时间常数可用下式表示： l ：兰也：堕：兰：丝盟 ( 2 9 ) r ，r ， 式中：w 2 为二次绕组匝数：s 为铁芯截面积：l 为铁芯平均磁路长度；r 2 为二次 负载电阻；ud ( n ) 为第r 1 个时间间隔内磁化曲线的磁导率，其值为： 舻器2 毒2 击詈 ， o 这样，通过磁化曲线b = f ( i o ) 可求出任意时间的磁导率ud ( n ) ，进而获得时间常数 t 2 ( n ) 。不考虑磁滞影响时，励磁电流i o ( t 0 = 0 ，于是，利用公式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 通过迭 代算法即可求出励磁电流i o ( n ) ，从而获得二次电流i 2 ( n ) 在暂态过程中的变化曲线。 以文献1 1 8 提供的l c w b 2 2 0 型电流互感器的参数进行仿真计算。其磁化曲 线见图2 4 所示，互感器的具体参数为：w l - 2 ，w 2 = 5 0 0 ( 5 a ，保护用) 或2 5 0 0 ( 1 a ，测量用) ，s = 1 1 7 c m 2 ，1 = 7 9 1 7 c m ( 测量用) ；s = 1 8 7 6 c m 2 ，1 = 8 0 5 8 c m ( 保 护用) ，r 2 = 2 9 ，l l = 5 0 6 1 m h 。取不同时间常数情况下，将原方电流折算到二次电 流后的仿真结果如图2 5 所示。 l3 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 i fi h 肚_ i 图2 - 4 互感器磁化曲线 f i 9 2 4m a g n e t i z 8 t i o nc l l r v e 口f t 0 “u o n 0 1 20 1 - 0 1 60 1 8o 2 。，芦广_ 广_ 广_ ? 竺厂_ 列0l ；：喜善剖 ：毫警纛量l 一； _ m m ( c ) 图2 - 5 不同时间常数时的二次侧电流及励磁电流 ( a ) t i = 10 m s ( b ) t i = 5 0 m s( c ) t i = 2 0 0 m s f i 9 2 5s e c o n d a r yc e r t e n to fc t a n de x c i t e rc u r r e n t ( a ) t 】= 10 m s ( b ) t t = 5 0 m s( c ) t i = 2 0 0 m s 从上图中可以发现，衰减直流分量是引起铁芯饱和的重要因素，并且随着时间 常数的增长饱和愈加严重。当铁芯进入过度饱和状态以后，激磁电感变小，传变到 激磁支路的电流呈几十倍、甚至上百倍的增加，而传变n - - 次侧的电流分量减少， 造成二次电流数值和波形的严重失真。如果铁芯存在剩磁并且其极性与暂态磁通的 周期分量极性相同时，铁芯的饱和程度还要加重，传变特性进一步恶化。而暂态过 程的波形失真和畸变会造成继电保护装置的误动或拒动。并且激磁电流过大造成铁 芯发热，容易引发绝缘烧毁和爆炸等事故。 14 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 基于r o g o w s k j 线圈的光电电流互感器的特性分析 2 31 r o g o w s ki 线圈的结构与基本原理 r o g o w s k i 线圈又称为空心互感器或者磁位计。它是根据被测电流所产生的磁 通势来确定电流大小的测量装置，由导线均匀密绕在一个非磁性骨架上而制成，线 圈绕成偶数层( 一般为两层，有时为一层，回线采用单根导线) 。为了叙述方便，我 们将r o g o w s k i 线圈外部整体构成的线圈称为“外线圈”，而将非磁性骨架的截面成 为“内线圈”。其结构示意图为图2 - 6 ( a ) 所示。 ( a )( b )( c ) 图2 - 6r o g o w s k i 线圈结构示意图1 ( a ) 结构示意图( b ) d l 长度的线圈所交链的磁链( c ) 线圈绕制方向 f i 9 2 6d i a g r a m o fr o g o w s k ic o i l ( a ) d i a g r a mo fc o n f i g u r a t i o n ( b ) f l u