（电路与系统专业论文）电子式电流互感器高压侧电路及电源的研究.pdf

摘要 摘要 电子式电流互感器e c t ( e l e e t r o n i ec i n t e n tt r a n s d u c e r ) 是一种新型的电力 设备，由于传感方式不同于传统的电流互感器c t ( c u r r e n tt r a n s d u c e r ) ，e c t 有着传统c t 无可比拟的优点，使得它在未来的电力系统中有着广阔的应用 前景。电子式电流互感器分为有源、无源两种类型，有源式电子电流互感 器采用了先进的光电子技术和现代集成电子技术，发挥了高可靠、高精度、 高稳定等特点，是目前最具实用前景的研究方向之一。但由于采用光纤传 输使高低压绝缘隔离，高低压之间没有任何电磁联系，因此如何向有源e c t 高压侧电路供电就成为一项关键的技术，是研制中的技术难点。 本文对电子式电流互感器高压侧电路及电源进行研究，重点研究高压 侧电源。文中首先对电子式电流互感器高压侧电路进行研究和设计；其次 针对目前有源式电子电流互感器高压侧电路供电的要求，对现有供电方案 进行研究分析，在此基础上提出一种交直流结合的供电方案。此方案采用 母线电流取能和储能电池相结合供电，两者取长补短，以解决铁芯处于饱 和状态时，自动重合闸过程电源启动速度慢的问题，及在母线电流很小或 断电的情况下电流互感器的死区问题；然后对交直流结合供电方案进行具 体设计，母线电流取能部分采用特殊材料制作磁感应线圈，利用线圈的饱 和特性限制饱和大电流，同时还设计直流稳压变换电路和大电流保护电路。 储能电池部分采用锂离子电池作为储能电池，为了给锂离子电池充电，需 设计专门充电管理电路，严格控制电池的充放电和进行温度监控。最后对 交直流结合供电方案进行实验验证，用实验确定该供电方案d x c t 母线电流 的启动电流和锂离子电池的启停位置，解决互感器死区问题。 关键词电流互感器；高压侧电源；母线电流取能；磁感应线圈；储能电池 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i cc u r r e n tt r a n s d u c e ri sn e w - s t y l ei ne l e c t r o n i cp o w e re q u i p m e n t s b e c a u s et h em o d eo fs e n s o ri sd i f f e rf r o mt r a d i t i o n a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r , e c t h a sm o r ea d v a n t a g e st h a nt r a d i t i o n a lc t , w h i c hw i l lm a k ei ta p p l i e dw i d e l yi n t h ef u t u r ee l e c t r i c i t ys y s t e m t h e r ea r ea c t i v ea n dp a s s i v ea b o u te l e c t r o n i c c u r r e n tt r a n s f o r m e r 1 1 1 ea c t i v 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 ra d o p t st h e s o p h i s t i c a t e di n t e g r a t e do p t o e l a c t r o n i c t e c h n o l o g ya n dm o d e me l e c t r o n i c t e c h n o l o g y i th a sp l a y e dah i g h - r e l i a b i l i t y , h i g h - p r e c i s i o na n ds t a b i l i z a t i o n i ti s o n eo f t h em o s tp r a c t i c a li nf u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n s h o w e v e r , s i n c eh i g h - f i b e r m a k e st r a n s m i s s i o ni n s u l a t e db e t w e e nt h eh i g h - v o h a g ea n dl o w v o l t a g e ，t h e r e i s n ta n ye l e c t r o m a g n e t i cc o n t a c tb e t w e e nt h eh i g h - v o h a g ea n dl o w - v o h a g e s o ， h o wt os u p p l yp o w e rf o rh i g h - v o h a g ec i r c u i t sb e c o m ep i v o t a lt e c h n o l o g y , w h i c h i sd i f f i c u l t yi nr e s e a r c ht e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , t h eh i g hv o k a g ec i r c u i ta n dp o w e rs u p p l yf o re l e c t r o n i c c u r r e n tt r a n s f o r m e ra r es t u d i e d , t h ee m p h a s i si s p o w e rs u p p l y f i r s t ，t h e h i g h - v o l t a g ec i r c u i t so fc u r r e n tt r a n s f o r m e ra r es t u d i e da n dd e s i g n e d s e c o n d , s e v e r a lk i n do fp o w e rs u p p l ym e t h o d sw h i c he x i s ta tp r e s e n th a v eb e e nc a r r i e d o nt h ea n a l y s i s ，a i m i n ga tt h er e q u e s to f h i g h - v o l t a g ep o w e rf o ra c t i v ee l e c t r o n i c c u r r e n tt r a n s f o r m e r p r o p o s i n go i 忙k i n do fi m p r o v e dp o w e rs u p p l ym e t h o di n t h eb a s i s t h j sm e t h o dw h i c ha d o p t st h em o d eo ft h el i n ko ft h em a g n e t i c i n d u c t i o nc o i la n db a t t e r ys t o r e de n e r g ys u p p l i e sp o w e r t h e ym a k eu pf o ro n f s d e f i c i e n c yb yl e a r n i n gf r o mo t h e r s s t r o n gp o i n t s w h e nt h ei r o nc o r ei sa tt h e s a t u r a t e dc o n d i t i o n , i nt h ea u t o m a t i cs w i t c hp r o c e s s ，t h eq u e s t i o nw h i c ht h e s p e e do fp o w e rw o r k ss l o w l yi ss o l v e d a n dt h ed e a dz o n eo ft h ec u r r e n t t r a n s d u c e ri ss o l v e di nt h es m a l lf e m a l ec u r r e n to ri nt h ep o w e rf a i l u r es i t u a t i o n t h i r d , t h ep o w e rs u p p l ym e t h o di sd e s i g n e d n 蝣m a g n e t i ci n d u c t i o nc o i li s a b s 仃a c t m a d eo fs p e c i a lm a t e r i a l , w h o s es a t u r a t i o nr e s t r i c t sl a r g ec u r r e n t ，a tt h es a n i t t i m ep o w e rc o n v e n e rc i r c u i ta n dl a r g ec u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i ta r ed e s i g n e d l i i o nb a t t e r yi su s e da ss t o r a g eb a t t e r i e sa b o u ts t o r e de n e r g yp o w e r t oc h a r g e f o rl i - i o nb a t t e r y , as p e c i a lm a n a g e m e n ti co fc h a r g i n gi sd e s i g n e d ，w h i c h s t r i c t l yc o n t r o l st h ec h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n ga n dt e m p e r a t u r em o n i t o r i n gf o r b a t t e r y f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t sa b o u tp o w e rs u p p l ya r ep e r f o r m e d t h es t a r t i n g c u r r e n ta b o u tt h ep o w e ri n d u c e df r o ml i n ea n dt h el o c a t i o no fs t a r t i n ga n d s t o p p i n ga b o u tl i - i o nb a t t e r ya r ec o n f m n e db yt h ee x p e r i m e n t ，i no r d e rt o r e s o l v et h ed e a dz o n eo f t h et r a n s d u c e r k e y w o r d sc u r r e n tt r a n s d u c e r ；p o w e ri nh i g h - v o l t a g e ；t h ep o w e ri n d u c e df r o m l i n e ；m a g n e t i ci n d u c t i o nc o i l ；b a t t e r ys t o r e de n e r g y 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电子式电流互感器高压 侧电路及电源的研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期 间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外 不包含他人己发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献 的个人和集体，均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由 本人承担。 作者签字商够程日期：2 叩6 年t 2 月y 日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 电子式电流互感器高压侧电路及电源的研究系本人在燕山大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。 本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人 授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布 论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 氟恕像 日期：2 柙i 年j ，月x 日 导师签名： 峄卫，5 知 日期：埘辞，明夕日 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，在国民经济建设中具有举足轻 重的地位。近年来随着各国经济的发展，对电力的需求日益增大，电力系 统的额定电压等级和额定电流都有大幅度的提高和增加，这就要求与之相 应的电力系统中的输变电设备的额定电压和额定电流也要随之提高【”。在输 变电设备中电流互感器是电力系统中不可缺少的装置，在电力系统中承担 测量和保护两个方面的作用，是实现电力系统自动化的关键部件。目前， 国内广泛应用的是电磁式电流互感器，但随着电力系统的发展，电磁式电 流互感器越发不能适应现代电力需要了。主要有以下不足：因为存在铁芯， 具有非线性，当电力系统发生短路时，大电流使铁芯饱和，输出电流严重 畸变，会使保护拒动，电力系统发生严重事故。同时，随着互感器电压等 级的提高，对产品的绝缘和制造工艺的要求也更加严格，产品的造价会成 倍提高。另外，这类互感器还有体积大、动态范围小、使用频带窄等缺点。 因此，电力系统迫切需要研制一种新型的互感器，以替代电磁式互感器。 近几十年来，人们一直在寻求一种安全、可靠、理论完善、性能优良 的互感器来实现电流的测量。现阶段受到重视的是电子式电流互感器，它 是在光纤传感技术基础上，应用光电子学的方法来克服电磁式互感器所固 有的缺点的，目前有关的理论和方法比较成熟，具有广泛的应用前景【2 卅。 1 2 电子式电流互感器 电子式电流互感器采用了先进的光电子技术和现代集成电子技术，发 挥了高可靠、高精度、高稳定等特点，是目前最具实用前景的研究方向之 一。以下对电子式电流互感器进行简要介绍。 燕山大学工学硕士学位论文 1 2 1电子式电流互感器的特点 与传统电磁式电流互感器相比，电子式电流互感器具有以下优点： ( 1 ) 没有磁饱和、铁磁谐振等问题由于电磁式电流互感器采用铁芯式 线圈作传感头，不可避免地存在磁饱和、铁磁谐振和磁滞效应等问题，而 电子式电流互感器的传感头采用的是磁光玻璃、光纤或电子线路，因而不 存在这些问题。 ( 2 ) 绝缘结构简单、绝缘性能好因为电子式电流互感器采用光纤和比 较轻便的绝缘子支柱，因此其绝缘结构比较简单，绝缘性能好。 ( 3 ) 动态测量范围大、测量精度高电子式电流互感器有很宽的动态范 围，测量额定电流的范围从几安培到几千安培【5 1 ，过电流范围可达几万安培。 一个电子式电流互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以测出高压电力线路上的 谐波，还可进行暂态电流、高频大电流与直流电流的测量【6 】。 ( 6 ) 体积小、重量轻电子式电流互感器给运输和安装带来较大的方便， 还可测量电网中不同地点的电流。 ( 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，在结构设计上就可以避免这方面的危险。 ( 8 ) 适应了电力计量与保护数字化、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需要，电流互感器应该能提供数字化的电流信号。 电子式电流互感器与电磁式相比更容易实现这些功能，可以广泛地应用于 电流测量、继电保护和高频分析等各个方面。 除以上优点外，当然电子式电流互感器也有其自身的缺点。 2 第1 章绪论 首先，由于电子式电流互感器运行温度在较大范围内变动，传感头对 温度和振动比较敏感。为了保证高精确度、稳定性和可靠性，互感器模拟 信号处理部分的电路将比较复杂，特别是低电位侧的电子线路尤为突出。 其次，对于有源型电子式电流互感器而言，传感头主要是由电子线路 组成，因此必须要对电子线路提供可靠的供电电源。如果电源供应不稳定， 将大大地影响到系统精度。 此外，由于供电电源所能提供的能量有限，所以高压侧电子电路的功 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 然电子式电流互感器有这些缺点，但是这只是暂时的，随着光电子技术的 发展和计算机技术的进步，这些问题将会很快消除( 7 】。 1 2 2电子式电流互感器的结构与原理 目前在电子式电流互感器研究领域主要集中到有源型和无源型两个方 向【8 】o 1 2 2 1无源型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，主要分为磁光型和全光纤型。磁光型电流互感器的传感头一般根 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。其原理 图如图1 1 所示。全光纤型电流互感器实际上与磁光型类似，只是传感头即 是光纤本身( 而磁光型电流互感器的传感头一般是磁光晶体，不同于全光纤 型的传感头是特殊绕制的光纤传感头) ，其余与磁光型完全一样。 法 拉 第 磁 光 玻 璃 图1 1 磁光型电子式电流互感器原理图 f i g 1 - 1t h ed i a g r a mo f ap a s s i v ee l e c t r o n i cc u x r e n tt r a n s d u c e r 3 燕山大学工学硕士学位论文 无源型结构是近年较为盛行的，其优点是结构简单，完全消除了传统 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优点。 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，且温度和振动以及长期稳定性和电磁兼容性问题很难解 决，目前虽有不少试验样机挂网运行，但进入实用的还很少见。 1 - 2 2 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激光供电方式、母线电 流供电方式和电容电流供电方式等。 有源型电子式电流互感器可以分为a d ( a n a l o gt od i g i t a l ) 转换式和压 频转换式。a d 转换式电流互感器的原理图如1 2 所示，其原理为传感头对 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。压频式电流 互感器与a d 转换式电流互感器类似，不同的是高压端i 拘v f ( v o k a g et o f r e q u e n c yt r a n s f o r m ) 交换器代替了a d 变换器，低压端的f v ( f r e q u e n c yt o v o l t a g e t r a n s f o r m ) 变换器代替t d a ( d i g i t a l t o a n a l o g ) 变换器。 r o g o w s k | 线圈 低压侧电路 图1 - 2 有源型电子式电流互感器原理图 f i g 1 - 2t h ed i a g r a mo f a na c t i v ee l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s d u c e r 有源型电子式电流互感器结构简单，长期工作稳定好，容易实现高精 4 第1 章绪论 度、高可靠性，性能稳定是目前国内研究的主流。但是高压侧电压高而且 只通过光纤跟低压侧联系传送数据，因此高压侧电子及光电器件的电源是 有源型电流互感器的难点，也就是本论文要研究解决的问题。 1 2 3电子式电流互感器的应用前景 ( 1 ) 国际电工委员会关于e c t 标准的出台，以及我国已经酝酿起草的 e c t 国家标准，预示着e c t 的产品化应用已初步具备了行业规范，为e c t 的 市场化提供了基础平台。 ( 2 ) 经过几年的电网改造，电网的综合自动化水平得到了很大提高，对 相应的网络瞬态保护提出了更快速的要求。随着电网的扩大，输电线路越 来越长。传统的电流互感器已经无法满足距离保护的瞬态特性要求，预计 在未来5 1 0 年中，e c t 会在各种电压等级的电网中大量安装和使用。 ( 3 ) 国内外研究单位对e c t 的技术进行了近3 0 年的探索，无论在实验室 还是在现场挂网试运行，都已积累了一定的经验，特别是基于采样线圈配 光纤型的e c t 已经具备了产品化的条件。 ( 4 ) 国内外不少企业投资e c t 常i j 造领域，也推动了e c t 的市场化应用进 程。 1 3电子式电流互感器高压侧电源研究现状 目前世界上许多国家都在从事电子式电流互感器的研究工作，研究方 法和研究的侧重点不同。对于本课题组所研制的电子式电流互感器，采用 r o g o w s k i 线圈作为传感头，仅仅利用光纤来传输数据。这种电子式电流互 感器需要考虑传感头的供电问题，目前普遍研究的供电方式主要有利用传 统c t 从母线上取能供电和激光供电等方式。 1 3 1 采用c t 从母线供电 1 9 9 3 年英国的p i l l i n gna 和h o l m e sr 等研制了一套利用液晶作为调制 器的。他们利用液晶对不同颜色的光进行调制，利用双层光电二极管测量 燕山大学工学硕士学位论文 光信号的色度，从而间接求得待测电流大小。该装置在2 0 0a 电流的动态范 围内灵敏度可达到o 4 5n m a ，整套系统的温度灵敏度为0 5 1 0 c ，分辨率为 0 0 2 4 啪，相应于电流分辨率0 0 5 3a 。同时，他们研制了一套压频转换式( v d 电流互感器：利用传统c t 从传输导线取电压，采用v f c 对电压信号进行频 率调制，整个传感头电路的功耗小于2 5m w ，整套系统准确度达至1 士3 t 9 , 1 0 1 。 1 9 9 9 年中国华中理工大学的z h a n gg 和l ish 等利用r o g o w s k i 线圈在高 压端采集电流信号，将此电流信号经过积分，通过压频转换( v f ) 将高压端 电流信号传输到地面，并采用传统c t 从母线上取电能。整套系统在实验室 内有士0 2 的准确度 l i 】。 1 3 2 采用激光供电 从1 9 9 2 年到1 9 9 7 年，a b b 公司研制的激光供电的电子式电流互感器从 3 5 0k v 到5 0 0k v 乃至直流都已经在现场运行，激光管输出功率为1 5w ，寿 命1 0 万小时。整套系统测量准确度为士o 2 ，保护通道准确度为士1 。 1 9 9 3 年美国的b a n w e l l t c 和e s t e s r c 提出了三种激光供电的结构：( 1 ) 采用波分复用技术( w d m ) 在一根小芯径光纤上同时传输能量和数据：( 2 ) 采 用一条单模通信光纤传输数据，同时使用另外一条大芯径光纤传输能量：f 3 ) 采用一条单模通信光纤传输数据，同时使用多根大芯径光纤传输更多的能 量【1 2 1 。 1 9 9 6 年美国p h o t o n i cp o w e rs y s t e m s 公司的w e r t h e njg 和a n d e r s o na g 研制了一套激光供电的电子式电流传感器。激光管输出功率为2 5 0m w ，光 电池光电转换效率高于4 0 0 o 。a d 采样率为1 0 0k h z 时，整个传感头消耗的 功率为2 5m w 。 1 9 9 8 年中国燕山大学的王玉田和王莉田等利用传统c t 作为传感头，并 采用激光供电的方式进行测量。电流脉冲宽度调制以及脉冲位置调制技术 ( p w m - p p m ) 的运用使整个传感头的功耗只有3 8 儿w 1 3 】。 2 0 0 0 年意大利的s v e l t oc 和o t t o b o n ir 使用的激光管输出功率为5w ，光 电转换装置为光生伏打电池板( p v p ) ，p v p 输出的电压为3 3v 时输出电流为 5 0m a 。整套系统5k h z 的动态范围内有- i o 5 的准确度【1 4 l 。 6 第1 章绪论 1 4 课题来源、研究内容、目标及主要解决问题 本课题研究电子式电流互感器高压侧电路及电源，重点研究高压侧电 源，在d x c t 母线取能供电的基础上，提出了一种改进方案交直流结合 供电方案，以解决死区问题。 1 4 1 课题的来源 鉴于常规电流互感器不能适应高压电力系统电流测量和保护的需要， 无源电子式电流互感器又因种种困难难以实现，我们研制了有源电子式电 流互感器，采用r o g o w s k i 线圈作为传感头，高压侧电路的供电采用d x c t 供 电方式，达到了0 2 级电流互感器标准要求。 但整个互感器系统中，高压侧电路的供电是十分重要的一环，利用小 c t 供电方式存在不可克服的问题，即在空载、小负载以及系统重合闸时存 在电压死区，不能可靠供电，给互感器的正确工作带来隐患。为解决有源 电子式电流互感器高压侧电路的供电难题，提供安全可靠的测量设备，这 就迫切需要研究新的供电方式。 1 4 2 课题研究内容 围绕电子式电流互感器及其高压侧电源，主要研究内容如下： ( 1 ) 电子式电流互感器的结构和工作原理。 ( 2 ) 研究设计高压侧电路r o g o w s k i 线圈、积分电路、滤波电路、移 相电路、a d 转换电路、e o ( e l e c t r i c o p t i ct r a n s f o r m ) 和o e ( o p t i c - e l e c t r i c t r a n s f o r m ) 转换电路。 ( 3 ) 重点对高压侧电路的供电方案进行分析和研究，并在此基础上提出 了一种改进的供电方案，并通过试验验证其有效性和合理性。 1 4 3 课题研究目标 有源型电子式电流互感器的高压侧电流采样电路与低压侧之间没有任 7 燕山大学工学硕士学位论文 何电磁联系，唯一的联系只有两根光纤，光纤使得高、低压之间完全隔离， 因此如何向高压侧电路供电是一个技术难点。由于在高压母线上电压高， 电流变化范围大，短路故障时母线暂态电流达到数十倍于额定电流。在这 些情况下都要求能提供给高压侧电子线路所需的稳压电源i ”1 。稳压电源可 以为许多集成电路电子器件提供高质量稳定电源，使电路稳定工作。现在 各种成形的稳压电源种类繁多，高性能电源也不少。但是现有电源对输入 端电压或者电流变化范围只是额定值的 4 - 2 0 。这就限制了输入电压或电流 大范围变化( 甚至达到数千倍) 时无法得到稳压输出。近年来高频开关电路发 展很快，但是如果将此技术应用在这里，由于逆变电路的影响，传感头将 无法输出规则的正弦波，所以在此也不能用。对目前的供电方案进行研究， 比如利用激光供电在理论上是比较好的方式，但是在实现上也存在许多限 制。从目前技术和成本上看，比较理想的方案就是从高压母线上取一部分 能量下来给高压侧电路供电【1 6 】，但其设计关键是如何在母线电流变化范围 大的情况下保持电源输出稳定。本课题对目前供电方案进行了研究，提出 一种新的供电方案，即交直流结合供电方案。本方案以额定电流为6 0 0 a 的 电子式电流互感器的工作电源为例，设计以实现： ( 1 ) 在线路电流很小或断电的情况下，要能驱动高压侧电路，以解决死 区问题。 ( 2 ) 在短路大电流如2 0 倍的额定电流时，高压侧电路仍能正常工作，并 保证电路不损毁。 即实现母线电流在最大和最小两种极限情况下都能为高压侧电路提供 稳定电压。 1 4 4 主要解决问题 本课题对电子式电流互感器高压侧电源研究，提出了一种改进方案即 母线取能和锂离子电池相结合供电方式，主要利用- j , c t 取母线电流供电， 主要解决的以下问题： ( 1 ) 优化设计磁感应线圈，选用合适材料，确定二次绕组。 ( 2 ) 如何尽量减小电源的最小启动电流，解决供电电源的死区问题。 8 第1 章绪论 ( 3 ) 在母线电流出现饱和大电流时， ( 4 ) 设计锂离子电池充电管理电路， 制及温度监控。 如何保护后续电路。 实现对锂离子电池的自动充放电控 ( 5 ) 母线取能和锂离子电池如何切换使用。 本课题主要完成对电源电路的设计，理论计算等工作，并且对电路进 行调试和试验。 1 5 论文的结构安排 本论文的结构安排如下： 第1 章绪论，简要介绍了课题的意义和研究现状，并阐明了课题的来源、 内容、目标和主要解决的问题。 第2 章电子式电流互感器高压侧电路的研究，高压侧电源是为高压侧电 路提供的，本章对高压侧的电路进行了研究，重点设计了高压侧信号处理 电路。 第3 章电子式电流互感器供电方案的研究，对目前可行的高压侧供电方 案研究，并在此基础上提出了交直流结合供电方案 b c t 母线电流取能 和储能电池相结合供电方案。 第4 章交直流结合供电方案的设计，对交直流结合供电方案进行了具体 设计，t j 、c t 取能部分设计了磁感应线圈、直流稳压变换电路、瞬态和稳态 保护电路，储能电池部分选择了锂离子电池，设计了专门的充电管理电路。 第5 章实验结果及分析，对交直流结合供电方案进行了实验，验证其可 行性和合理性，并进行了分析。 9 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章电子式电流互感器高压侧电路的研究 本课题是建立在课题组之前设计的有源型电子式电流互感器的基础之 上的，课题所设计的供电电源是为有源型电子式电流互感器高压侧电路提 供的。因此，首先对有源型电子式电流互感嚣作简要介绍，重点对高压侧 电路进行了研究和设计。 2 1 有源电子电流互感器的结构和工作原理 本课题组所设计的有源电子式电流互感器属于a d 转换式电流互感器， 己设计完成并己组装出样机【1 7 】。下面简要介绍互感器各部分电路结构及工 作原理，本论文中的有源型电子式电流互感器，其原理方框图如图2 1 所示。 r 嚣笛5 “厂、。1 入 高压母线 积分电路 工 滤波电路 工 移相电路 时序协调 工 o e 转换 卫 e o 转换 王 时序发生 a d 转换 工 e o 转换 玉 o e 转换 电源部分 高压侧 低压侧 图2 1 有源型电子式电流互感器框图 f i g 2 - 1b l o c kd i a g r a mo f a na c t i v 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 l o 第2 章电子式电流互感器高压侧电路的研究 整个系统由高压侧电路、低压侧电路和光纤三部分组成，光纤将高低 压电路连接起来。高压侧电路由r o g o w s k i 线圈、积分电路、滤波电路、移 相电路、a d 转换、e o 、o e 转换电路和高压侧电源组成。高压侧电源保 证高压侧电路的正常工作。低压侧电路包括o e 、e o 转换器、d a 转换器、 时序发生电路和信号处理电路。 其工作原理是在高压侧电路中采用r o g o w s k i 线圈取得电压信号，送入 信号处理电路中，在信号处理电路中将这一正弦电压信号调制为数字脉冲 信号，再驱动发光元件转换为光信号，通过光纤把光信号传送到地面监控 室中。在低压侧电路中将接受到的光信号反变换为电信号，经放大、处理 后送入仪器仪表。 2 2 高压侧电路的研究 本课题设计的高压侧电源是为电子电流互感器高压侧电路设计的，在 此对高压侧电路进行了分析。重点对高压侧信号处理电路积分电路、滤波 电路和移相电路进行了研究和设计。 2 2 1 r o g o w s k i 线圈 基于r o g o w s k i 线圈的电子式电流互感器采用r o g o w s k i - 圈作为传感元 件，利用光纤将信号从高电位传输到低电位。这种结构既具有光纤传输的 优点，又避免了光学传感头温度和振动问题。目前已经得到较为广泛的研 究1 8 吨0 1 。 r o g o w s k i 线圈是根据电磁感应原理将漆包线缠绕在一个非磁性骨架 上，让母线电流从骨架中心穿过，这样导线就会感应出与母线电流微分成 比例的电压信号。与传统铁芯式电流互感器相比，其主要区别在于二者所 用的材料和阻抗特性不同。r o g o w s k i 线圈实质上是将一组导体线圈缠绕在 一个非磁性芯上，它的二次侧负载一般是大电阻；而铁芯式电流互感器是 将一组导体线圈绕在一个磁性芯上，它的二次侧负载是一个很小的采样电 阻。除结构与材料上的不同外，与传统的电流互感器相比，r o g o w s k i 线圈 燕山大学工学硕士学位论文 还有以下优点2 1 2 3 】： ( 1 ) 测量精度高精度可设计n o 1 ，一般为1 3 。 ( 2 ) 测量范围宽由于没有铁芯饱和的问题，同样的绕组可用来测量的 电流范围可从几安培到几千安培。 ( 3 ) 频率范围宽可设计n o 1h z 到lm h z ，特殊的可设计n 2 0 0m n z 的 带宽。 ( 4 ) 可以测量用其它技术不能测量的受限制领域的小电流。 ( 5 ) 生产制造成本低。 随着对电子式电流互感器研究的不断深入，r o g o w s k i 线圈以其优良的 特性被广泛应用于电子式电流互感器的研究 2 4 - 2 6 1 。如图2 2 为r o g o w s k i 线圈 测量电流原理图，在通常情况下，线圈骨架通常为矩形或者圆形，下面分 别给出在这两种情况下r o g o w s k i 线圈输出的感应电动势表达式。 图2 2 r o g o w s k i 线圈测量电流原理示意图 f i g 2 - 2t h ed i a g r a mo f r o g o w s k ic o i lc u r r e n tm e a s u r e m e n t 当线圈骨架的截面为矩形，设其高度为h ，内外经分别为r ，和如，线圈 匝数为，一次侧电流为l p ( 0 ，则线圈的感应电动势为： e ( 删喾衄鲁) 掣 ( 2 ) 式中，t o = 4 n 1 0 。7 i - l m 。 当骨架截面为圆形时，设线圈截面半径为a ，r 为线圈截面的平均半径， 则线圈的感应电动势为： e ( t ) = - n # o r - 4 r 2 一a 2 】( 2 - 2 ) 第2 章电子式电流互感器高压侧电路的研究 如果r o g o w s k i 线圈在整个骨架上绕制均匀，线圈骨架截面面积处处相 等，并且相对于骨架直径截面面积足够小，则骨架截面上各点的磁感应强 度相等，则上两式可以用下式表示 2 7 2 9 l ： 嘲：掣( 2 - 3 ) - 0 n 4p ( 力2 等 a t 式中，为真空磁导率，为单位长度绕制线圈的匝数，彳为线圈截面面积。 r o g o w s k i 线圈感应电动势p ( f ) 与被测母线电流的变化率坝f ) 肋成线性关 系，该信号需要经过积分环节以恢复出与一次电流成正比的电压信号。 2 2 2 积分电路 通过对r o g o w s k i 线圈的介绍可知，在对交流电流的测量中，其二次输 出电压信号是对一次电流信号的微分。如果要恢复出与一次电流成比例的 信号，必须添加相应的积分环节。但对应用于电子式电流互感器的r o g o w s i 线圈而言，由于其被测电流属于低频、小电流的范畴，积分器会因其低频 噪声、电压漂移以及相位响应【3 2 1 ，导致积分性能下降，以至于影响电子 式电流互感器的测量精度，所以对积分电路的研究非常关键，目前主要有 三种积分器设计结构。 ( 1 ) 设计结构一如图2 3 为理想有源积分器的结构( 除去虚线部分) 。其 传递函数为： 1 部) 一意( 2 - 4 ) 一般运放的直流增益都很大，当积分器输入侧的信号中有直流偏置电 压时，将会导致运放迅速饱和，带来积分器阻塞。所以进行了改进在积分 电容上并联一个阻值较大的电阻咖图2 3 ( 包含虚线部分) ，这时积分器的传 递函数变为： r ，1 月一音志( 2 - 5 ) 将式( 2 4 ) 与式( 2 5 ) 对比就可以看出，如果马l j t o c ，那么式( 2 5 ) 就等于 式( 2 4 ) ，因此为了使母带来的影响不致太大，r f a f f l 常要选的很大。同时会给 燕山大学工学硕士学位论文 整个系统带来一个附加的相位移动。 1 妒一a r c t a n ( 三_ ) ( 2 6 ) c o l 【j 在此选取参数c = o 4 7p _ f ，r = 1 0k q ，r f 2 0m o 。 此积分器是基于理想积分器设计的，当取r 赧大时，可近似为理想积分 器。但其幅度变化近似反比与频率变化，当频率很小时，增益很大，可能 是工频信号的很多倍，这时积分器实际上是作噪声放大器使用的，且不稳 定，漂移很大，因此，低频信号干扰极有可能影响积分电路的正常工作。 如何抑制低频干扰将是基本积分电路所面临的主要问题。 ( 2 ) 设计结构二鉴于以上问题对积分器进一步改进。将信号的最低频 率设置为积分器的特征频率w k = l r c ，使t 以下的频率取增益特性曲线平坦 化 3 3 , 3 4 ，使其低频增益变小，如图2 4 所示。其传递函数为： 4 r ，+ r ，2 c ，s 一面面磊嘉寿沥瓣( 2 - 7 ) c s + r c “i + 4 r ，2 ，c 矿+ 2 c ，月，c ) r 输入 电压 工c f 输出 电压 图2 3 有源积分器基本结构图2 4 低频增益平坦积分器的结构 f i g 2 - 3b a s i cs t r u c t u r eo f a c t i v ef i g 2 - 4s t r u c t u r eo f t h el o w - f r e q u e n c y i m e g r a t o r p l u sf l a m e s si n t e g r a t o r 此积分器的设计首先确定特性频率五和增益h ( j c o ) ，假设设计中使在 处的增益保持为j 日( ，缈，则由特性频率的定义萨l 2 积c 可求得积分电容的 大小： c 1 日( _ ，m ，2 姆( 2 - 8 ) 1 4 第2 章电子式电流互感器高压侧电路的研究 r f r i h ( f l o ) l ( 2 - 9 ) 由式c j ( r 1 2 ) r c 可得到c ，取左边比右边大1 0 0 倍，则： 皆i o o r c ( r f 2 )( 2 - 1 0 ) 图2 - 4 中的积分器通过毋来限制增益，使得大t f d o y l 雏j 频率区域保持1 厂 的积分特性。如果设计一个积分器，使其在4 0 8 0 h z 的频率范围内保持积分 特性，增益旧( 徊) = 5 ，假设r = 1 0 0k o ，则由上几式可得： 母= 5 0 01 6 2 ，c = 3 9 8 x 1 0 罐f ，o = 1 5 9 2 x 1 0 。6f 则该积分器在4 0 8 0h z 频率范围内的幅频和相频特性如图2 5 所示。从 中可以看出低频平坦化积分器的幅频特性在4 0 - - - 8 0h z 范围内基本是一条直 线，并按2 0d b d e c 的斜率衰减，相位基本稳定在+ 9 0 0 。 j n f - ；：一 ；。 叶一十j 一! k j ： j k j i r _ rl| 、h ( a ) 幅频特性( b ) 相频特性 ( a ) a m p l i t u d e - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s( b ) p h a s ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s 图2 5 低频增益平坦积分器的频率响应曲线 f i g 2 - 5t h ef r e q u e n c yr e s p o n s ec u r v eo f l o w - f r e q u e n c yp l u sf l a t n e s si m e g r a t o r 在此取设计结构一积分器的参数为：c = 0 1 嵋r = 3 9k q ，r 尸1 0m q ， 可得理想积分器、结构一积分器与结构二积分器的幅频特性对比如图2 6 所 示。 从图中可看出理想积分器与加并联电阻积分器在整个频率范围内可以 很好的接近，而低频平坦积分器在极低频率点时的增益较以上两种积分器 有很大的衰减，可有效地减弱低频积分器的低频噪声。但在低频段存在一 个峰值频率，峰值频率处的放大倍数可以达到工频处的几十倍，因此，若 峰值频率附近的干扰信号串入的话，也将影响积分电路的正常工作。所以 燕山大学工学硕士学