（电路与系统专业论文）用于小电流测量的电子式电流互感器的研究与设计.pdf

摘要 摘要 电流互感器是电力系统中的重要设备，对电力系统的正常运行和精确 计量起着十分重要的作用。随着国民经济的发展，各种供电电压等级不断 出现，对电力系统的测量和保护精度要求不断提高。电子式电流互感器因 其无比优越的特性势必替代传统的电磁式电流互感器。电子式电流互感器 集现代电子技术和光学技术于一身，以其高精度、高稳定性、宽响应带宽 和强抗干扰性能已被广泛应用于电力工程领域。 为了精确测量小电流( 国际上称小于1 0 0 0a 的电流为小电流) ，本课题 设计了一种高精度电子式电流互感器，此电流互感器采用r o g o w s k i 线圈 做传感头。鉴于目前r o g o w s k i 线圈的互感系数低，感应出的电压信号极 其微弱的缺点，本课题采用新型材料并以新的制作方法研制出高互感系数、 高精度r o g o w s k i 线圈。此外本课题还设计了一种新型模拟信号处理系统， 即以一条通路同时完成对电流的测量和保护功能。本系统主要包括信号的 放大、积分、滤波、调相等环节，由于各环节采用高精度元器件，因此提 高了模拟信号处理系统的精度，进而也提高互感器的精度。 经试验验证，本课题设计的电子式电流互感器工作可靠，在一4 0 7 0o c 温度范围内均能稳定工作，而且其比差和相差都满足国标中对0 2 级电流 互感器的要求，其动态响应速度、带宽等性能明显比传统电磁式电流互感 器有很大的改进，因此其有望很快进入实用化阶段。 关键词电流互感器；r o g o w s k i 线圈；电磁感应；比差；相差；匹配 燕山大学二l = 学硕士论文 a b s t r a c t c u r r e mt r a n s f o r m e ri sa ni m p o r t a n te q u i p m e n ti np o w e rs y s t e m a n di t p l a y s ap r i m a r yr o l ef o r w o r k i n gw e l la n dc a l c u l a t i n gp r e c i s e l yi np o w e r s y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , a l lk i n d so fn e wv o l t a g e l e v e l sa n dc u r r e n tl e v e l se m e 唯ec o n t i n u o u s l y ，t h e h i g hp r e c i s eo f m e a s u r e m e n t a n dp r o t e c t i o na r ed e m a n d e di n c r e a s i n g l y a sar e s u l t ，t h ee l e c t r o n i cc u r r e n t t r a n s f o r m e r sw i l l c e r t a i n l y s u b s t k m et h eo l d e l e c t r o m a g n e t i c o n e sf o ri t s p r e d o m i n a n ts p e c i a l i t y t h ee l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e ri sb a s e do nm o d e r n e l e c t r o m c t e c h n o l o g ya n do p t i c a lt e c h n o l o g y , i t h a sb e e n w i d e l yu s e di np o w e r e n g i n e e r i n g b e c a u s eo fi t s h i g hp r e c i s i o n ，h i g hs t a b i l i t y , w i d er e s p o n s e b a n d w i d t ha n d s t r o n ga m i - j a m m i n g i no r d e rt om e a s u r es m a l lc u r r e n t ( i nt h ew o r l dt h ec u r r e n tw h i c hi sl e s s t h a n10 0 0ai sc a l l e ds m a l lc u r r e n t ) a c c u r a t e l y ，t h i sp a p e rd e s i g n e dah i g h p r e c i s ee 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 t h i st r a n s f o r m e ra d o p t e dr o g o w s k i c o i l a ss e n s o r b e c a u s et h em u t u a li n d u c t a n c eo fr o g o w s k ic o i li sv e r ys m a l l ，t h e i n d u c e dv o l t a g ei ss of e e b l et h a ti ti sv e r yd i f f i c u l tt om e a s u r et h es m a l lc u r r e n t a c c u r a t e l y s ot h i sp a p e ra d o p t e dt h en e wm a t e r i a l st om a k et h eh i g hp r e c i s e a n dm u t u a li n d u c t a n c er o g o w s k ic o i lw i t hn e wm e t h o d b e s i d e st h i sp a p e r d e s i g n e d an e wd i s p o s a ls y s t e mt od e a lw i t ht h ei n d u c e dv o l t a g e i nt h i s d i s p o s a ls y s t e mt h ep a p e ra d o p t e do n ec i r c u i t t oa c c o m p l i s hm e a s u r i n ga n d p r o t e c t i v e f u n c t i o na tt h es a m et i m e t h es y s t e mi n c l u d e dt h ec i r c u i t so f p r e a m p l i f i e r , c o n t r o l l a b l ea m p l i f i e r , i n t e g r a t o r , l o wp a s s f i l t e ra n dp h a s e - m o d u l a t o r b e c a u s et h i sp a p e ra d o p t e dh i g hp r e c i s ec o m p o n e n t st oc o m p o s e c i r c u i t s ，t h ep r e c i s i o no fs i g n a ld i s p o s a ls y s t e ma n dt h e e l e c t r o n i cc u r r e n t t r a n s f o r m e rc a nb ei n c r e a s e dg r e a t l y a c c o r d i n g t ot h e e x p e r i m e n t a ld a t a ，i t c a nb es e e nt h a tt h ec u r r e n t t r a n s f o r m e rt h i sp a p e rd e s i g n e dc o u l dw o r kr e l i a b l y a tt h er a n g eo f 一4 0 7 0 。c ， t t a b s t r a c t i tc a l lw o r ks t e a d i l y f u r t h e r m o r et h er a t i oe r r o ra n dp h a s ee r r o ro fc u r r e n t t r a n s f o r m e rc o u l ds a t i s f yt h es t a t ec r i t e r i o no f0 2s t a n d a r d r e l a t i v et ot h e t r a d i t i o n e l e c t r o m a g n e t i c c u r r e n tt r a n s f o r m e r st h e r e s p o n ds p e e d a n d b a n d w i d t ha r ei n c r e a s e dg r e a t l y a sar e s u l t ，i ti s h o p e f u lt h a tt h ee l e c t r o n i c c u r r e n tt r a n s d u c e rw e d e s i g n e di sp r a c t i c a l k e y w o r d sc u r r e n tt r a n s d u c e r ；r o g o w s k ic o i l ；e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n ； r a t i oe r r o r ；p h a s ee r r o r ；m a t c h i n g i i i 第1 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 电力工业是国家经济建设的基础工业，在国民经济建设中占据举足轻 重的地位。近年来随着各国经济的迅速发展，对电力系统的需求日益增大， 电力系统的额定电压等级和额定电流都有大幅度的增加，与之相适应的电 力系统中的输变电设备的额定电压和额定电流都要随之改变，因此必须研 究和发展新型设备，电流互感器( c u r r e n t t r a n s f o r r i l e rc t ) 就是其中之一。目 前在电力系统中广泛应用的是电磁式电流互感器，它运行了近一个世纪， 但是由于它是基于电磁感应原理工作的，所以存在着以下不足 1 - 4 1 ： ( 】) 潜在翡突然失藏危除。铡鲡，突然瞧爆炸及绝缘壹穷雩l 起零穗对缝 短路等系统的不稳定因素。 ( 2 ) 若输舞静二次镧受蕊开路将产生嵩魄蓬，会对琵电设备造藏危害， 甚至危及人身安全。 ( 3 ) 蓬饕逢莲等级豹提怒，绝缘滔题豹瓣决，必然镬电磁式电淡互感襄 的体积增大、成本增高，设备变得极为笨爨。因而价格将会十分昂贵，运 输安装载难发缀大。 ( 4 ) 由于电磁式电流互感器的传感头是铁芯式线圈，其对高频信号的响 瘦黪牲较豢，因此对嵩压线疆上戆餐态过糕裁不熊正确反疲。 ( 5 ) 电磁式电流互感器的二次侧输出对负荷要求较严格，对于高压及特 毫燕电菇来游，占逑嚣积都羧夫，爨嚣传臻二次铡电售号躐离疼较远，鼓 要求使用的二次侧电缆的横截面积增大，并且容易产生干扰。 ( 6 ) 动态范围小，敢簿魄漉对爨瑗磁魄秘。 ( 7 ) 铁磁共振效成、磁滞效应、电磁干扰现象严重。 因此，寻求更理想的魄流互感器的任务摆在擞界辩磷工作者露麓。在 科技发达的国家目前把注意力集中到光纤传感技术上，应用光电予学的方 法慕解决电磁式电流互感器於以上缺点。邀撵，所谓的电子式电流互感器 燕山大学工学硕士学位论文 就应运而生了。这方面的研究近几十年在世界各国已经被高度重视起来， 提出了很多新的理论和方法口。”，有的研究已经进入了实用阶段。 1 2 国内外对电子式电流互感器的研究 随着光电予技术的成熟及不断发展，国内外很多大学和科研机构对电 子式电流互感器豹研究都投入很大弱精力。发展到理在，已经取得了饺大 成就。预计再过十年左右，电子式电流互感器将全面走向工业运行。 旱程6 0 每我国努辩磅工俸孝藏开始铡熙法拉第( f a r a d a y ) 效应姨事邀 流互感器的研究 1 6 , 1 7 ，到8 0 年代和9 0 年代初期电子式电流互感器就醴初 舆商品锬趱赞蕊。据有关资辩统诗，嚣兹大约有2 0 0 0 多套甚经挂网试运行， 有的公司已经形成正规产品，在5 0 0k v 系统中投入运行。如美国的五大电 力公司各蠡在1 9 8 2 年左右残立了电子式电流互感器专越磅突小组，并磷剡 成功了1 6 1k v 独立式( 1 9 8 6 1 9 8 8 ) 、1 6 1k v 组合式和1 6 1k v 继电保护式 ( 1 9 8 7 ) 灼电子式电流互感爨，在1 9 8 9 年5 月至1 9 9 2 年又残功研割了最寒 工作电压为3 4 5k v ，测量范围为2 0 2k a ，精确度为o 3 级的计量及傈护 用电子式电流甄感器，且挂网运行成功【l “。目本于1 9 8 1 年起组织了蠢大 电力公司对电子式电流互感器的理论、材料、睫能等避行研究，除了研究 5 0 0 k v 、1 0 0 0 k v 离压电网计量飓的以外，还进孝亍5 0 0k v 以下直到6 6 0 0 v 电压等级的零序电流、电压互感器适用的光学c t p t 的研究，三菱公司制 造的6 6k v 、6 0 0a 的组合式光学零序电流电压互感器，经过长期运行试 验，满足j e c l 2 0 l 1 9 8 5 标准，已l 在1 9 8 9 年末通过试验箍定。1 9 9 4 年a b b 公司推战有源型电子式电流互感器，其电压等级为7 2 5 7 6 5 k v ，额定电流 为6 0 0 6 0 0 0a 。3 m 公司在1 9 9 6 年已畿布开发出用予1 3 8k v 电压等级的 全光纤电流测爨模块，据称可用于5 0 0k v 电压等级。此外德国著名互感器 公司r r z 公司和德国的大学联台开发无源型及有源銎电子式电流互感器， 英国利物浦大学电机系也在进行电子式电流互感器的研究”。 我国对电予式电流互感器的研究无论是从技术角度还是研制情况都院 国外落后。近十几年来，我国很多科研单位如清华大学、华中科技大学、 上海科技大学、西安交遥大学、燕由大学、大逶理工大学、浇阳沈交纛感 2 第1 章绪论 器制造有限公司和上海m w b 互感器制造有限公司等在电子式电流互感器 的研究中都投入很大的人力、物力和财力，也取得了一定的研究成果。其 中，清华大学和中国电力科学研究院利用国家自然科学基金共同研制出 1 1 0k v 的电子式电流互感器，它们于1 9 9 1 年通过国家鉴定并挂网试运行。 还有燕山大学光电子技术研究所在河北省科委的高新技术专项基金资助 下，已经研制成功了额定电压1 1 0k v ，额定电流1 0 0 0 a ，精度为o 2 级的 电子式电流互感器样机，于2 0 0 1 年在保定天威保变集团进行了初步测试并 获得良好的测试结果，将很快进行挂网试运行。 但就髑前研究情况来看，用于小电流测量的电子式电流互感器的研制 还很薄弱，主要怒由于r o g o w s k i 线圈的踅感系数很小，测量小电流时憋 废如豹电压信号缀微弱易受于扰缀难精确测量。华中理工大学与广东新衾 傲电局1 9 9 3 年1 2 胃在广客新会徽电局大泽变电蛄进行正式挂网遥行的小 电流电子式电流互感器，于1 9 9 4 年通过原电力部鉴定，对外公布技术指标 为1 1 0 k v ，1 0 0 3 0 0 a ，精度为o 3 级p 6 1 。还有华中科技大学在2 0 0 3 年掇 出了用于小电流测量的电子式电流互感器的设计方案拉，但并未见到其产 品挂网运行的报送。 从国内外对光纤电流互感器的研究情况看，程2 1 世纪，电子式电流互 感器将使互感器按术进入一个崭耨的眩代【l 2 0 】。 1 3电子式电流互感器结构与原理 与传统电磁式电流互感器相比，电予式电流曩：感器具有以下优点1 2 j ： f 1 ) 没肖磁毽和、铁磁潜振等阙题。自予电磁式窀滚要慧器暴蠲铁芯式 线圈作传燎头，不可避免地存在磁饱和、铁磁谐振和磁滞效应等问题，而 毫子式电流互蘩器的传惑头采周懿是磁光玻璃、光纾蕺彀子线魏，霞露不 存在这些问题。 f 秘鑫舞毫予式电流戛感爨采璃党纾霸跑较轻蠖豹笼缀子支技，因魏茭 绝缘结构比较简单，绝缘性能好。 绉) 动态溺量蕊整太，灏量耱发裹。奄予式宅滚互感器旨缀宽鹣动态蕊 围，测量额定电流的范围从几安培到几千发培，过电流范围可达几万安培。 燕山大学t 学硕十学位论文 一个电子式电流瓦感器可同时满足计量和继电保护的需要，从而避免了多 个电流互感器的冗余问题。 ( 4 ) 抗电磁干扰性能好，低压侧无开路高压危险。由于电子式电流互感 器的高压侧与低压侧之间只存在光纤的联系，而光纤具有良好的绝缘性能， 可保证高压回路与二次回路在电气上完全隔离，因此低压侧没有因开路而 产生高压的危险，而且避免了电磁干扰的影响。 ( 5 ) 频率响应范围宽。电子式电流互感器实际能测量的频率范围主要取 决于电子线路部分，这种电流互感器已被证明可队测出高压电力线路上的 谐波，还可进行暂态电流、高频大电流与赢流电流的测量。 ( 6 ) 体积小、重量轻，给运输和安装带来较大的方便，还可测量电网中 不葡地点的宅流。 ( 7 ) 没有因充油而产生的易燃、易爆等危险。电子式电流互感器采用光 纤绝缘而不采用油绝缘，在结撺设计上就可醴避免这方面的危险。 ( 8 ) 适应了电力计量与保护数字他、微机化和自动化发展的潮流。根据 目前的数字化继电保护的浠要，电流互感嚣应该能提供数字忧的恕流信号。 电子式电流互感器与电磁式相比跫容易实现这些功能，可以广泛地应用于 电流攒l 量、继电稼护帮高獭分轿等各个方蔼。 除以上优点外，当然电子式电流互感嚣也有箕自身的缺点。 蓄先，由于毯子式毫瀛互感嚣运行溢度在较大葱重内变动，糟感头对 温度和振动比较敏感。为了保证高精确度、稳定性和可靠性，互藤器模拟 信号处理嚣分的宅潞将院较复杂，特鬟是低电位例戆电子线路茏为突出。 其次，对于有源型电子式电流感器而言。传感头主要是由电子线路 鳃或，斑此盛舞要对毫予线路提供可靠豹供电电源。如罴电源供成不稳定。 将大大地影响到系统精度。 此孙，鸯予供电电源所能提袋的能量有限，搿醴高压倒电子邀路豹功 耗不能太大。这样，如何简化传感头的电子线路成为另一个棘手问题。 虽然亳子式嘏流互感器舂这些缺点，但是这只是暂时静，睫羲光趣予 技术的发展和计算机技术的进步，这些问题将会很快消除， 疆是由于电子式电流互感器其有抟绩的电磁式电漉互感器无珂比拟的 4 第1 章绪论 优点，因而使其成为传统电磁式电流互感器较为理想的替代产品。电子式 电流互感器发展到现在，其原理与结构普遍集中到有源型和无源型两个方 向。 1 3 1无源型 无源型电子式电流互感器可分为磁光式电流互感器、全光纤型电流互 感器和混合式电流互感器。所谓无源型电子式电流互感器就是传感头部分 不需要供电电源。其传感头一般根据法拉第磁光效应原理，即磁致光旋转 效应制成。处于低电位侧的光源发出偏振光经光纤传到高电位侧，并通过 被测电流产生的磁场，偏振光的偏振面在磁光玻璃中发生旋转，电流信号 对光波的偏振状态进行调制。其方框图如图1 1 所示。 黼1 1蠢源鳖毫子式电流藏感器挺潮 f i g 1 1t h ed i a g r a m o f a p a s s i v ee l e c t r o n i cc u r r o n tt r a n s f o r m e r 无源型缭构是近年较为簸行静，其优点楚结构篱肇，竞全清除了传统 的电磁感应元件，无磁饱和问题，充分发挥了电子式电流互感器的忧点。 燕山人学工学硕士学位论文 尤其是高压侧无电子器件，互感器的运行寿命容易保证。除以上优点外， 无源型电子式电流互感器也有其缺点，即光学器件制造难度大，测量的高 精确度难以做到，且长期稳定性还存在问题。 1 3 2 有源型 有源型电子式电流互感器与无源型相比主要不同之处在于其传感头采 用电子器件，而不是磁光晶体或光纤，因此高电位侧必须有相应的供电电 源。高电位侧电子器件的供电方式有光供电方式、母线电流供电方式、电 池供电方式和超声波供电方式。有源型电子式电流互感器用传感头对高电 位侧母线电流进行采样，然后将采样得到的电信号传递给电光转换元件变 成光信号，再由光纤将光信号传递到低电位侧。在低电位侧光信号经过光 电转换元件变成电信号，经过信号处理系统处理后输出。有源型电子式电 流互感器的方框图如图1 2 所示。 图1 2 有源型电子式电流互感器框图 f i g 。1 - 2t h ed i a g r a m o f a na c t i v ee l e c t r o n i ce t a r e n tt r a n s f o r m e r 有源戮电子式电流互感器是较早期的结构，其主要优点是结构简单， 6 第1 章绪论 长期稳定性好。在现代电子器件可靠性高、性能稳定的条件下很容易实现 高精度、输出信号大的实用型产品。此外，有源型电子式电流互感器也有 其本身的缺点，即高压侧的结构较复杂。尽管如此，有源型电子式电流互 感器目前仍然是国内对互感器研究的主流。 1 4电子式电流互感器的发展趋势 1 9 9 4 年国际电器与电子工程师协会( i e e e ) t 属新技术工作组和光纤传 感工作组对电子式电流互感器的发展趋势作了简洁的预言，即高可靠性、 高精度、大测量范围的电流互感器将广泛应用到电力和其它领域，实验室 研究和现场应用的距离将逐渐缩小。实践表明电子式电流互感器将在理论、 实验和实用三个方面更紧密地结合，数字化、智能化是其发展的必然趋势。 而且它的发展将会促进磁学、光学、电学材料的进一步开发。 电子式电流互感器有着传统电磁式电流互感器无可比拟的优点，势必 使其成为传统电流互感器的理想替代品。预计在未来的5 至1 0 年中，电子 式电流互感器将在各种等级的电网中大量安装与应用。此外，电子式电流 互感器还可能应用于其他一些场合 1 ”。 1 5 课题研究目标和整体构想 2 l 世纪将使电子式电流互感器推向工业运行。为达到这个目的，科研 工作者要解决以下几个方繇的问题： ( 1 ) 减小磁光材料双折射效应对测量精度的影响为了提高电子式电 流互感器鲍测量精度，应该对各种产生躜折射效畿的途径进行具体研究， 并找到降低其影响的办法。 ( 2 ) 减小温度变化对测鬣精度的彩嘀温度主簧对传懑关会带来很大 影响，从而降低测量精度。为此应该对各种造成传感头温度变化的过程进 行分析，并研究减小萁影响的办法。 ( 3 ) 长期稳定性研究磁光玻璃的菲尔德常数、l e d 或l d 以及p i n 的 灵敏度、电子产赫酌标称数篷懿可能会随时闻两交讫，氇霹能受臻舞赛气 候条件的影响，因此必须对其进行长期稳定性进行研究及现场试验。 7 燕山大学上学硕十学位论文 以上我们分析了各种电子式电流互感器的优缺点及以后研究的侧重 点。权衡各方面的利弊，本课题决定采用有源型电子式电流互感器，并且 采用r o g o w s k i ( 罗科夫斯基) 线圈做传感头。经过试验验证，精确制作的 r o g o w s k i 线圈完全能够满足0 2 级电流互感器要求的各项指标，并且实验 结果表明无论比差还是相差及响应速度等方面，都明显比传统电磁式电流 互感器优越。与此同时也很好地解决了磁饱和、响应频带窄、体积大、重 量大、易燃易爆等问题。 考虑以往电予式电流互感器的优缺点，本谦趣采角新蛰材料露作高精 度r o g o w s k i 线圈，大幅发提高了线圈的互感系数，并且减小了外界环境 戮索( 如滠瘦、压力、电磁场等) 对浏量鞲菠的影晌。馥拜为了简仡设诗避 獠，降低生产成本，在模拟信号处理部分本课题采用一条通路完成以往需 要两条逶蹲方髓完残酶滔蘩霸过裁傈护功能。舔量在电黪静设诗麓作中麓 采用高精度的电予元器件，从而能够保诞对整个系统的测量精度有很大的 援篙。r o g o w s k i 线整输鑫静毫压信号经避教大、积分、滤波和调箱后采瑟 商精度a d 转换器转换成数字信号，然厨通过光电二极铃变成光信号，用 壳纤怒数字信号绩输委舔压德，在低压獒4 再送嚣光窀转捩，恢复绥感头嚣 r o g o w s k i 线圈上的电压波形，进而得到被测电力母线上的电流情况。 经过凌验证骥，磅制瓣整个系统霹额定篷为5a 鳃鸯流遴嚣实辩测量， 得到输出电压值同输入电流成严格的线性关系，而且比麓，相藏涎本可以 滚是8 2 级电流戛黪器熬要求，缀磐遗竞戏了对魄力母绞电滚戆测量襄避 裁保护功能，同时在精度、可靠性方面郝有很大的提高。 1 6 本鬻小结 本牵对莺内务邀子式遣滚互感器静磅究与发溪送嚣楚攀豹套绍，著露 本课题j j 旰研究的内容提出了基本翻标和襄现目标的方法。 第2 章电子式电流互感器概述 第2 章电子式电流互感器概述 2 1电流互感器 电流互感器是一种专门用于变换电流的特种变换器。在正常情况下使 用时，二次电流实质上与一次电流成正比，而在f 确接线时，二次电流对 一次电流的相位差接近于零的互感器称为电流互感器。虽然由于电子式电 流互感器本身具有传统电磁式电流互感器所无法比拟的优点而成为其替代 品，但是它在结构和原理上与常规电磁式电流互感器有本质的区别，而且 其各种电气特性和机械特性还是要和常规电磁式电流互感器相兼容的。尤 其是电气特性，为了保持与现有的大量常规设备相匹配，不会因为电子式 电流互感器的引入给整个电力系统提出更大的改造要求，其一些参数和标 准以及分类都应该尽量遵循现有的标准和术语。 2 1 1常规电流互感器的作用和分类 电流互感器是电力系统中非常重要的设备，其主要作用是【2 l 】： ( 1 ) 传递信息给测量仪表或保护控制装置； ( 2 ) 使测量和保护设备与高压电力线路隔离； ( 3 ) 有利于仪表和保护继电器的小型化、标准化； 电流互感器可按以下的基本特征进行分类。 2 1 1 1按用途分电流互感器按用途可以分为如下两类。 ( 1 ) 测量用指专门用于测量电路和电能的电流互感器。 ( 2 ) 保护用指专门用于继电器保护和自动控制装置的电流互感器。保 护用电流互感器包括零序电流互感器，其结构较简单。 2 1 1 2 按装置种类分电流互感器按装置的种类可以分为如下两类。 f 1 1 户内式只能安装户内的电流互感器，额定电压一般不高于3 5 k v 。 f 2 ) 户外式是只可以在户外安装运行的电流互感器，其电压一般应在 3 5k v 以匕。 燕山大学工学硕士学佗论文 2 1 1 3 按绝缘介质分根据电流互感器采用绝缘方式不同，可以分为如 下几类。 ( 1 ) 油绝缘是指电流互感器的绝缘部分采用油浸式绝缘，多用于户外 产瑟。 ( 2 ) 浇注绝缘 是指利用环氧树脂或者艇他树脂为主的混合胶浇注成 型寒传走终缘零 孛瓣毫流嚣感器，送耪宅浚萎感舔一般在，j 、子3 5k v 豹毫 压下采用。 ( 3 ) 一般于式绝缘寇摄有塑料辨壳豹鄹无塑料丹麦的出普通绝缘材 料包扎，经浸渍漆处理的电流互感器。 ( 4 ) 瓷终缘鄹主绝缘出瓷搏均箴的电溅互感器。 ( 5 ) 气体绝缘即产品内部充有特殊气体作为绝缘的电流互感器，多用 于赢压产品。 2 1 1 4 按鼗流比分根据电流互感器的交流比，可以分为如下两种。 ( 1 ) 一个变流比翡电沆戛感器。 ( 2 ) 几个变流比的电流互感器。 2 ，l 。1 5 按变漉级数分根据 电流互感器交滚级数的不同，可以分为两种。 ( 1 ) 单缀式电流互感器。 ( 2 ) 串级( 多级) 式电流互感器。 2 1 1 6 按电流变换原理分根据电流交换的原理不同，电流互感器可以 分为如下两类。 ( 1 ) 电磁式电流互感器。 ( 2 ) 电子式电流互感器。 2 1 。2电流互感器的基本参数与特征 在了解电流互拣希 美蓠，首先介绍一下龟流曩懑器往麓常矮烈魏一些 基本参数和特征，主要包括以下几个名词术语： ( 1 ) 额定电压电流麓惑器在镐霹上檬示懿工幸# 辩线奄压的裔效僮。 ( 2 ) 额定一次电流电流互感器在铭牌上标示的长期工作时通过一 次绕组的奄流。 1 0 第2 章电子式电流互感器概述 ( 3 1 额定二次电流电流互感器在铭牌上标示的工作时通过二次绕 组的电流，额定二次电流一般采用1 0 a 或5 0 a ，根据要求可以制造额定 二次电流为2 0 a 或2 5a 的电流互感器。 f 4 1 二次负荷电流互感器的二次负荷是二次绕组外部回路所接所 有仪表、仪器或继电器等的阻抗与二次联接线路的阻抗之和。电流互感器 的二次负荷与规定功率因数下的二次回路外部全阻抗是一致的。二次负荷 也可以在给定功率因数和额定二次电流下用二次负荷所消耗的容量( v a ) 来 表示。 ( 5 ) 额定二次负荷确定互感器准确级所依据的二次负荷。 ( 6 ) 电流互感器的电流比等于一次电流与二二次电流之比。 计算电流互感器的变比时，采用两个术语，即实际值电流比 和额定 电流比n 抒。实际值电流比嚣攒的是一次电流的实际傻与二次电流豹实际擅 之比。额定电流比总“指的是一次电流的额寇值与二次电流的额定值之比。 ( 7 ) 电流互感器对机械作用和热作用的稳定性用动稳定电流和热稳定 电流袋示。 幼稳定电流厶等于在整个短路对闻内产生短路魄濂的最大蝠值。电流 互感器应能承受该最大幅值并无损伤，也不影响以聪正常工作。动稳定电 流表示电流互感器抗短路电流机械( 或电动) 作用的能力。动稳定性也以动 稳定电流与额定一次电流幅德之比的倍数表示，其德一般为1 0 0 或激多。 热稳定电流五带于t r 时间内短路电流的最大有效值。电流互感器在这 个时闯闯隔内应能承受该最大有效穰，导电部分的湔度不趣过短路彀流所 允许的温度。且没有损伤，不影响电流互感器继续工作。 热稳定饿表示电流互感秣抗短精电流热作用的耱力。糊定电流互感器 的热稳定性，不仅必须知道通过互感器的电流大小，还要知道其通过的时 阊。换句话说，必须知道与燕稳定稳流五f 平方帮箕遗过靖阚打静乘积成正 比的、所产生的总热量。这个时间取决于安装电流互感器的电网参数，变 化酶范围在移蜀死移之内。蒸稳定毪可以粥燕稳定电流与额定一次窀流 有效值之比的热稳定电流倍数肼表示。 酴了强上基本参数帮特簸努，毫流互感器静误藏特性氆嚣常重簧。下 燕山大学工学硕士学位论文 面对其误差特性进行简要介绍。 在稳定状态下，电流互感器应能准确地将一次电流变换为二次电流， 才能保证测量精度，或保证保护装置正确的动作，因此电流互感器必须保 证一定的准确度。电流互感器的准确度是以其准确级来表征的，不同的准 确级有不同的误差要求，在规定的使用条件下，误差都要在规定的限制以 内。g b l 2 0 8 8 7 规定测量用电流互感器的准确级有：o 1 、0 2 、0 5 、1 、3 和5 级。0 1 。5 级电流互感器的误差极限值规定如表2 - 1 2 1 】所示。 表2 - 1 测量用电流互感器的误差限值【2 1 t a b 2 - 1e r r o rl i m i to f m e a s u r i n gc u r r e n tt r a n s f o r m e r 2 l l p ，与严的百分比电流误差相位差 保证误差的二次 准确级 f 、仕1 ( )负荷范围 50 41 5 0 12 00 28 1 0 0 1 2 00 15 50 7 53 0 o 22 00 3 51 5 1 0 0 1 2 0021 0 ( o 2 5 1 o ) 鹦n 51 59 0 0 52 00 7 54 5 1 0 0 1 2 00 56 0 53 01 8 0 12 01 59 0 1 0 0 1 2 01 06 0 5 03 3 1 2 03 ( 0 5 1 0 ) s 2 ” 5 05 5 1 2 05 ，为一次电流；i 为额定电流；是为二次额定负荷 第2 章电子式电流互感器概述 g b l 2 0 8 - 8 7 除了对测量用电流互感器的误差限制做出规定外，还对保 护用电流互感器5 p 和1 0 p 两种标准等级的误差限值做出规定，如表2 2 2 1 所示。 表2 - 2 保护用电流互感器的误差限值 2 t a b ，2 - 2e r r o rl i m i to fp r o t e c t i n gc u r r e mt r a n s f o r m e r ( 2 额定一次电流下的误差 额定准确限值一次电保证误差的二次负荷范 准确级 电流误差相差 流下的复台误差( 1围s p = 0 8 ( 滞后) ( 1n 5 fl6 05 s 2 n 1 0 p31 0 s ：n 2 2电子式电流互感器 为了克服传统的电磁式电流互感器的固有缺点，经过国t 勾# 1 - 许多科研 工作糟的深入研究，搬现代光电子学技术应稻子电力系统中，从丽磷制出 了集玉见代电子技术和光纤传感技术于身的电子式电流互感器( e l e c t r o n i c c u r r e n t t r a n s f o r m e r ，e c t ) 。与传统静电磁式瞧流互感器相跑，电予式电流 互感器由于冀结构和工作原理上都有了重大的改进，因此必然会引起一些 标准静定义和要求发生稆应的变化，瞬时氇会对电子式电流嚣感器的溉试 方法提出了浙的要求。比如：传统的油浸型电磁式电流互感器需要对电容 帮介艨损耗霞数遗行濑量，丽电子式龟流互感器鬟蓥不存在这样豹润鬏；传 统的油浸型电磁式电流互感器对二次侧额定负荷等情况有严格的要求，而 电子式电流互感器崮予其二次鬻输密的多为耄压信鼍，掰戳瓣二次镧豹颟 定负荷情况就没有非常严格的要求。 镑对传统式电流互感器与逛子式l _ 毪流互稿器酶诸多差异，国舔惫工技 术委员会( 以后简称i e c ，i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 对电子 式宅漉互感器及萁各颁指标毽括琵差、稆薹、纛孽压、变毫戆潮络数攒传辕 等都有详细的规定。 e c 对电子式电流：互感器的电流标准| e c 6 0 0 4 4 8 ( 2 0 0 0 年逶逡) 中藏定，电予式毫滚互感器可苏提供数字辕爨或禳拯狯窭，像其模 燕山大学工学硕士学位论文 拟输出是幅值较小的弱信号，考虑到电磁兼容问题，实际上可行的解决方 案是通过光纤传输数字信号。除此之外，i e c 对电子式电流互感器的一些 重要参数也给出了严格定义和规定，电子式电流互感器的设计制造一定要 以此为基准。 规定稳态一次电流 i p ( f ) = t p 4 2 s i n ( 2 r r 厂f + 妒r ) + i p r 。( f ) ( 2 - 1 ) 式中： ，。为基频条件下一次电流有效值： 厂为基频频率； 。为一次相移； i r 、e s ( f ) 为一次残余电流。 规定稳态二次电压( 电压输出型互感器) u s ( f ) = u s 2 s i n ( 2 u 厂o 一0 ) + 妒s ) + u 鼢p 一) ( 2 - 2 ) 式中： u 。为当u o 一0 ) = 0 时，二次电压有效值； 妒s 为二次相移； u 。( f ) 为二次残余电压； t 。为时间延迟。 规定额定变比 世。：二卫塑一( 2 3 ) u s 额定 规定电流比差 s ( ) ：k rx u - s 一- i e 1 0 0 ( 2 - 4 ) p 式中： 足。为额定变比； u 。、。同式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 。 同时规定了相位差 妒= 妒s 一妒， ( 2 - 5 ) 1 4 第2 章电子式电流互感器概述 i e c 除对电子式电流互感器做以上基本规定外，还对其它技术参数给 出定义和规定，这些规定请读者自行参阅相关文献。而对于其误差容限， i e c 则给出如表2 3 的标准瞄1 。 表2 - 3 额定频率下电流比差和相差容限 2 2 】 t a b 2 - 3l i m i t so f c u r r e n te r r o ra n d p h a s ee r r o r a tr a t e df r e q u e n c y 【2 2 p e r c e n t a g ec u r r e m e r r o ra t a c c u r a c y p h a s ee r r o ra lp e r c e n t a g eo f r a t e dc u r r e n ts h o wb e l o w p e r c e n t a g eo f r a t ec u r r e n t c l a s s s h o w nb e l o w m i n u t e sc e n t i r a d i a n s 52 01 0 01 2 052 01 0 01 2 052 01 0 01 2 0 01040 20 1011 585504 502 40 1 50 1 5 0 207 50 3 50 20 23 01 51 01 00 90 4 50 30 3 0 5l507 5050 59 04 53 03 0271 3 50 909 1 03 01 51 0 1o 18 09 06 06 0542 71 81 8 i e c 6 0 0 4 4 8 中除了做出以上规定外，还给出了电子式电流互感器结构 基本框图如图2 1 2 2 。 虽2 - 1单翅电子式电漉互感嚣缝鞠挺强f 2 2 】 f i g 2 - 1g e n e r a lb l o c kd i a g r a mo f as i n g l e p h a s ee 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 2 2 j 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 电子式电流互感器的实现方法有很多种，总的说来可分为无源型和有 源型两类 2 ”。现分别简单介绍如下。 无源型电子式电流互感器的传感头部分不需电源，例如采用法拉第磁 光效应的电子式电流互感器。有源型电子式电流互感器的传感头部分需要 电源供给，例如用激光供能的电流互感器。有源型电子式电流互感器与无 源型相比主要不同之处在于它在高电位侧的传感头采用的是电子器件，根 据传感头的采样方式以及信号调制方式的不同，可分为调幅式、压频转换 式( 即v f c 式) 和a d 转换式( 即a d c 式) 三种电子式电流互感器【2 ”。 ( 1 ) 调幅式电子电流互感器调幅式电子电流互感器的结构图如图2 - 2 所示。 圈2 2 调幅式电予电流互感器框图 f i g 2 - 2 t h e d i a g r a mo f a m p l i t u d e m o d u l a t i o n e c t 调幅式愈子电流互感器舆有结构简单、离速动作的特点。调幅式电子 电流飘感器的相角误差可以通过调节放大电路的内部稻移丽减小，德是要 求对发光二极管和光敏二极繁( 即e o 和o e 变换部分) 的温度不稳定性采 取特嫌的补偿措施。理论和实验研究均已表明，嗣光纤将载脊被测电流的 信息和校正储息一起进行传输是最好的解决办法。但怒理论岛实践均表明， 由于光纤传输盼是模掰信号，温度释其它嗓声因素将对电路带来的影晌较 1 6 第2 章电子式电流互感器概述 大，而且系统工作不够稳定，因此调幅式电子电流互感器应用起来还有一 定的困难。 f 2 ) v f c 式电子电流互感器v f c 式电子电流互感器的结构图如图2 - 3 所示。 图2 - 3v f c 式电子电流互感器 f i g 2 - 3t h ed i a g r a mo f v f c e c t 采样线圈将高压蹲线电流采样后将其输入至i 压频转换( v f ) 电路，经过 v f 转换，电流的变化将被转换成脉冲频率变化。这一电脉冲信号经过电 光转换后变成光脉冲，然后翻雳竞纤传到低懿位铡。低电位侧信号缀光电 转换并放大，然后进入频率一电压( f 厂v ) 转换电路。这样母线上的电流信号 藏变成可l 冀菠浃在示波器上靛模拟信号。毽可敬将该奄压绩号送入攀片撬 或微机进行信号处理，完成电能计量、继电僳护、在线监测等功能。这种 互感器酶主餮优点是绪褐篱攀，占瑟计算橇资源较少，精确发、抗干撬性 能较高。适合信号的远距离传输，比较容易满足同时传输多路信号的需要。 ( 3 ) a d c 式电子毫流互黎器a d c 式宅子电漉戛感器豹结构热黼2 - 4 所示。 l 彳 燕山大学工学硕士学位论文 图2 - 4a d c 式电子电流互感器框图 f i g 2 - 4t h ed i a g r a mo f a d c e c t a d c 式憩子电渡互感器与v f c 式电予电沆互感器结麴类 娃，毽也有 其本身的特点：高电位侧用a 地变换器取代v f 变换器，低电位侧用d a 变换挞取代f v 变换嚣；经过a d 转换输出静数字信号驱动艟d 通过光 纤将光信号串行传输剐低电位侧，经过放大器放大后，再经过d ，a 转换器 婚数字信号还缀戏为模拟信号。随着集成电路工业的发展，a d 转换器件 的品种越来越多，并臌其转换精度也越来越商，转换时间在不断地减小。 这些鼗产品的出现燎会使得赢瞧位侧采用a i d 转换器件进行采样成为可 能。由于a 册转换器件对时序有严格的要求，所以必须在高电位侧加上时 序控制电路。 程a d c 戏电子电流互感器中，常要求传输多路信号，如温度、电压 信号等。光纤一般采髑两种方式，一独是多路频分复用，即将