（电力系统及其自动化专业论文）电子式电流互感器rogowski线圈传感头的研究与设计.pdf

a b s t r a c t e 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 ( e c 。i ) h a sb e c o m ean e wd i r e c t i o no fc u r r e n t t r a n s f o r m e r s d e v e l o p m e n tf o ri t sn os a t u r a t i o nu n d e rf a u l tc u r r e n tc o n d i t i o n s ，h i 曲l e v e l i n s u l a t i o na n db r o a dr a n g eo fm e a s u r e m e n t h o w e v e r , t h e r ei sal o n gw a yf o re c tt ob e w i d e l ya p p l i e d ，r e s u l t i n g f r o mt h ed i s a d v a n t a g e so fi t ss e n s o rh e a d ，i n c l u d i n gt h e i n t e r f e r e n c eo fa m b i e n tt e m p e r a t u r ea n de x t e r n a le l e c t r o m a g n e t i s ma n dt h ed i f f i c u l t yo f m a n u f a c t u r i n gt e c h n i c so fi t s e l f t 1 1 i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e da n dd e s i g n e dt h es e n s o rh e a do f e c tm a i n l yo no v e r c o m i n gt h e s ed i f f i c u l t i e s 1 1 1 i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fe c t a n da n a l y s e dt h ee c tb a s e do n r a r a d a ym a g e t o o p t i c a le f f e c ta n dr o g o w s k ic o i l t h ec o m p o s i t ec o n s t r u c t i o n f u n c t i o na n d o p e r a t i o nm e t h o d so fr o g o w s k ic o i lw e r ed e s c r i b e d t h i sd i s s e r t a t i o nm o s t l ya n a l y s e da n d d e s i g n e dt h es e n s o rh e a do f r o g o w s k ic o i l t h ec u r r e n t s e n s i n gt h e o r i e so ft h er o g o w s k ic o i l sw i t hc i r c u l a rs e c t i o na n dr e c t a n g u l a r s e c t i o na r e i n v e s t i g a t e da c c o r d i n gt ot h ee l e c t r o m a g n e t i ct h e o r i e s ，a n dt h es a m eo u t p u t f o r m u l ao ft h et w ok i n d so fc o i l sw a ss e tu p t h ed i s s e r t a t i o na n a l y s e ds e l f - i m e g r a t i n ga n d a d d i t i o n a li n t e g r a t i n go p e r a t i o nm o d eo f r o g o w s k ic o i l ，a n dt h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c sa n d t h em e t h o d so fb r o a d e n i n gt h eb a n d w i d t ho fr o g o w s k ic o i l sf r e q u e n c yr e s p o n s eu n d e rt h e t w od i f f e r e n to p e r a t i o nm o d e sw e r ed e s c r i b e d f u r t h e r m o r e ，t h eo u t p u tv o l t a g e ，t h ew a y sa n d p r i n c i p l e so fc o n n e c t i o ni ns e r i e so fr o g o w s k ic o i l s ，a n dt h ed e t a i l so fa m p l i f y i n gi n t e g r a p h c i r c u i tw e r ea n a l y s e d t h ei n t e r f e r e n c eo fa m b i e n tt e m p e r a t u r ea n de x t e r n a le l e c t r o m a g n e t i s mw i t l lr o g o w s k i c o i lw e r ei n v e s t i g a t e db ym a t h e m a t i c a lm o d e l s n 圮r e l a t i o n sb e t w e e nr e l a t i v em e a s u r e m e n t e r r o rr e s u l t i n gf r o mt e m p e r a t u r ea n dh e a td i s t e n s i b i l i t yc o e f f i c i e n to fc o i l sf r a m e w o r ka n d w i n d i n gc o i lw e r ec a r r i e do u t t h ei n f l u e n c eo f e l e c t r o m a g n e t i s mi n t e r f e r e n c eo nt h ea c c u m c y o fr o g o w s k ic o i l ，a sw e l la st h ee f f e c to ft e m p e r a t u r eo ni n t e g r a p h ，w e r es t u d i e d s o m e m e a s u r e sb a s e do nt h ea b o v ei n v e s t i g a t i n gr e s u l t sw e r ep r o p o s e dt oi n s u r et h ep r e c i s i o no f r o g o w s k ic o i ls e n s o rh e a d ，s u c ha st h e s e l e c t i o no fm a t e r i a l sa n df a c t u r em e t h o d s ， i m p r o v m e n to ft e c h n i c sa n dd e s i g no fa d d i t i o n a lc o m p e n s a t i o n an o v e ll o o p l i n ew i n d i n g m e t h o da n dam a g n i f i e dc i r c u i tw i t hp o w e rs u p p l yw e r ep r o p o s e d a tt h es a m et i m e ，t h i s d i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l ea n dd e s i g no fp r i n tc i r c u i tb o a r d ( p c b ) r o g o w s k ic o i l ， a n di n v e n t e dan o v e lp c br o g o w s k ic o i l i nt h ee n d t h i sd i s s e r t a t i o nd e s i g n e dr o g o w s k ic o i l sw i t hf o u rd i f f e r e n tw i n d i n gw a y s a c c o r d i n gt ot h er o g o w s k ic o i l sp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r ea sw e l la si n t e r f e r e n c ef a c t o r s e x p e r i m e n tr e s u l tc o n f i r m e dt h ec o r r e c t n e s sa n da v a i l a b i l i t yo f t h er e f e r e dd e s i g nm e t h o d s 1 i i 屯子式电流互感器r o g o w s k i 线圈传感头的研究与设计 f u r t h e r m o r e ，ar o g o w s k ic o i ls e n s o rh e a ds a r i s f y i n gt h er e q u i r e m e m sw a sd e s i g n e db a s e d o nt h ea b o v em e t h o d s k e yw o r d s ：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 ；e 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 ；h y b r i dt y p e i v 硕士学位论文 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交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。对本文的研究做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： 日期：年月 日 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、使用学位论文的规定，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。本人授权湖南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论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：周齑税 导师签名：阂咯灰 日期：2 0 。占年岁月，) 日 日期：一占年f 月t 7 日 硕士学位论文 第1 章绪论 互感器是电力系统中能量计量和继电保护的重要设备，其精度和可靠性对于 电力系统的安全和经济运行起着至关重要的作用。通常的测量和保护数据不能直 接从高电压、大电流上获取，只能通过互感器将一次侧的高电压、大电流按照一 定的比例转换成低电压、小电流来获取。这样可以使测量回路与高电压电网隔离， 保证二次设备和工作人员的安全。互感器作为一种特殊的变压器，它与一般的变 压器有着类似之处，但也有其自身的特殊之处。按照测量参数的不同，互感器可 以分为两大类：一是测量电压用的电压互感器( v o l t a g e t r a n s f o r m e r ) ；二是测量电 流用的电流互感器( c u r r e n t t r a n s f o r m e r ) 。电压、电流互感器分别是将一次侧的高 电压、大电流变换成二次侧的低电压、小电流以供给测量仪器、仪表、继电保护 和其他电气设备的电器。本文所要论述的主要是电流互感器。 1 1电子式电流互感器的研究背景与意义 1 1 1 电磁式电流互感器的缺点 目前，在电力系统中使用的电流互感器绝大部分都是电磁式的，电磁式电流 互感器是基于电磁感应原理制成的，其原理与变压器的原理相同，是由笨重的铁 心和一、二次绕组构成的。当一次绕组中有电流通过时，在铁心中会引起励磁磁 通，二次绕组中便感应出感应电动势，在回路中产生电流。根据不同的电压等级 要求，一、二次侧的绕组比值不同，得到不同等级的电压。 电磁式电流互感器在电力系统中已经应用了一个多世纪了，其原理简单、制 造技术成熟、输出容量大、加上运行稳定可靠，适合长期运行而被广泛运用。 随着电力系统的不断发展，继电保护、电气设备自动化程度的提高；电网电 压等级的不断提高，电磁式电流互感器因其结构和固有的传感机理导致的缺点越 来越多，越来越难以满足电力系统的发展要求了。 电磁式电流互感器的主要缺点有【1 】【2 】： 1 绝缘技术要求复杂，易燃易爆。目前，电磁式电流互感器的绝缘方式主要 有：电压等级比较低的情况下，直接采用空气绝缘；在电压等级比较高的情 况下，采用充气绝缘和油纸绝缘方法；在高电压的情况下采用串级绝缘。但是， 随着电压等级的进一步提高，电磁式电流互感器的绝缘要求越来越复杂，体积也 越来越大，其成本随着电压等级的升高而成几次方的增长。而且这种绝缘方式在 过电压电流的情况下易导致起火或爆炸等严重后果。对于1 2 0 0 k v 及以上等级的 电子式电流互感器r o g o w s e 线圈传感头的研究与设计 电压，这些绝缘方式已经不能满足要求了。 2 动态范围小，频带窄，误差大。电磁式电流互感器都带有铁心，随着电网 电压的不断提升，系统中的额定电流、电压都很大。在非周期性电流的影响下， 铁心会饱和，导致励磁不能正确反映电流的增加，会引起很大的误差，限制了其 测量范围。而在故障电流等急剧变化的电流之下，如果铁心中有剩磁通，更会引 起输出电流严重畸变，甚至会造成严重后果。 3 成本高昂。由于其绝缘方法的复杂，体积的巨大，以及为了减小误差所需的 复杂而昂贵的保护装置，使其成本剧增。另外，因体积的巨大，其运输困难和费 用亦相应增加。 4 对二次侧要求严格。主要有：二次侧负荷不能开路，否则会导致高电压， 对设备或人员造成伤害；对负荷要求严格，若二次侧负荷过大，测量误差就会 增大，准确度会下降。 5 不能与数字电路直接连接，难于实现产品智能化。由于传统的电磁式电流互 感器输出比较大，而现在电力系统中以微机为基础的数字保护装置与监控装置等 不再需要大功率的输入，因此，它已经不适应智能化的要求了。 另外，电磁式电流互感器还有易受电磁干扰、维护工作量大、漏油污染环境 等缺点。 1 1 2 光电式电子电流互感器的发展与优点 针对电磁式电流互感器的诸多缺点，人们开始寻找新型产品以代替电磁式电 流互感器。2 0 世纪6 0 年代出现的半导体集成电路技术和7 0 年代出现的光纤传输 技术，以及随着微机保护、电网运行与监视系统等的运用，互感器不再需要高功 率输出，为新型光电式电子电流互感器( o c t ) 的出现铺平了道路，它能很好地 满足大电网电力系统测量、计量和保护等要求【3 】【4 】 5 】6 1 。由互感器的传感头有无电 源，可以把光电式电子电流互感器分为无源光电电子电流互感器和有源光电电子 电流互感器。目前，它们最具有代表性和发展前途的分别是全光纤式电子电流互 感器( m o c t ) 和混合式光电电子电流互感器( h o c t ) 全光式光电电子电流互感器( m o c t ) 全光式光电电子电流互感器( m o c t ) 因其传感头不需要外电源供电而又被 称为无源型电流互感器。其原理主要是利用法拉第( f a r a d a y ) 磁光效应。 利用法拉第磁光效应实现电流传感器有多种形式，它们包括：全光纤式、光 电混合式和块状玻璃式等。 全光纤式传感器是将一根单模光纤绕在被测导体上，激光器发出的激光经过 起偏器变为线偏振光，再由显微物镜耦合进光纤中，可忽略光纤的双折射，对射 出的线偏振光进行测量，可由线偏振光旋转的角度推算出所测导线中电流的大小。 硕士学位论文 块状玻璃式传感器是利用重火石玻璃作为敏感材料的o c t 。这种材料属于抗磁性 物质，其v e r d e t 常数较大、温度系数较小、本身各向同性，因而具有很好的保偏 性能。 全光纤型o c t 其光纤本身就是传感元件，结构简单，克服了传统电磁式电流 互感器的缺点。但是其本身的双折射问题难以解决。和块状玻璃传感器一样，它 们易受干扰而使其精度难以保证，还有环境的温度和震动问题都对其有影响，这 些问题都有待解决。 o 混合式光电电子电流互感器( h o c t ) 利用光纤耐高压的特性，把光纤作为信号的传输通道来研制光电式电子电流 互感器，其原理是：首先用互感器测得一次侧的电流，用大规模集成电路模数转 换器将检测到的信号进行数字化转换和利用发光元件进行光电转换，利用光纤将 信号传输到低电位，并且再进行光电转换和数字化处理，展后直接将还原后的测 得量送至测量装置或继电保护等仪器。 在混合式光电电流互感器中最具代表性的就是r o g o w s i k 线圈传感头式 h o c t ，它不同于m o c t ，其传感头采用空心罗柯夫斯基( r o g o w s k i ) 线圈，高压 侧采用含有有源器件的电子电路，使其既有光纤传输的优点，又避免了m o c t 存 在的温度和震动等问题。 圆光电式电子电流互感器的优点 由于光电式电流互感器的原理和结构的不同，使其与传统的电磁式电流互感 器相比有着突出的优点，可以满足电力系统发展的需要，有着广阔的发展前景。 它的主要优点有： 测量精度高：可达到0 1 ，一般在1 3 间； 量程大：因其没有铁心，不会出现磁饱和，故其测量范围可以从几安到好 几千安； 频率响应范围宽：可以设计达到0 1 h z 、1 m h z ，特殊的可以设计到2 0 0 m h z 的带通： 因其体积小、易绝缘，而无需特殊设计，无铁心、故造价低： 结构简单、为无油化产品，故无易燃易爆等危险； 二次侧无开路危险、高压侧具有很好的抗干扰能力： 绝缘性能优良。高压侧信号变为光信号后通过绝缘性能优良的光纤传至低 电位，绝缘结构简单有效、可靠性高。 满足了电力系统对电力计量、监控和保护的数字化、微机化、自动化的发 展； 符合环保要求，生产和运行过程不会产生环境污染； 应用领域广，可以测量其它技术不能使用的受限制领域的小电流。 电子式电流互感器r o g o w s k i 线圈传感头的研究与设计 因光电式电子电流互感器的这些优点，它代表了互感器新的发展方向。当然， 光电式电子电流互感器还有许多需要克服和改进的地方。 1 2 电子式电流互感器的研究现状 早在2 0 世纪6 0 年代，世界上一些科技发达的国家就开始了对光电式电流互 感器的研究。到8 0 年代末已经有一些产品投入运营了。我国对光电式电流互感器 的研究起步较晚，目前已有一些科研院所的产品投入挂网运行。 1 2 1 国外的研究现状 如今，国际上很多科研单位都在研制各种类型的新型互感器，由i e c 公布的 文件，这类新型互感器统称为电子式互感器【7 j 【”。 ( 一) 无源式电流互感器的研究现状 美国五大电力公司各自在1 9 8 2 年左右成立了o c t 研究小组，致力于无源o c t 的研究。美国发展的是以块状结构的混合型磁光式电流互感器( b o c t - b u l k o p t i c a l c u r r e n tt r a n s f o r m e r ) 为主。他们对磁光式电流互感器( m o c t - m a g n e t o 。o p t i c a l c u r r e n tt r a n s f o r m e r ) 的传感头的结构、温度问题、计量、继电保护、信号处理和 m o c t 的长期运行可靠性做了深入的研究。w e s t i n g h o u s e 研究组首先研制出了样 机，在1 9 8 6 年至1 9 8 8 年期间，分别研制成功了1 6 1 k v 独立式o c t 、1 6 1 k v 组合 式光纤电流互感器、1 6 1 k v 继电保护式o c t 德、英、法、瑞士及日本等国在磁光式电流互感器m o c t 上也进行了大量的 研究。法国a l s t o m 公司利用法拉第磁光效应研制了一套电子式电流互感器，精度 达到土o 2 。a l s t o m 公司主要研究无源电子式互感器，目前已研制出1 2 3k v 至 7 5 6k v 的光学电流互感器( c t o c u r r e n tt r a n s f o r m e rw i t ho p t i c a ls e n s o r s l 。自1 9 9 5 年以来，a l s t o m 公司的电子式互感器已有多台在欧洲及北美运行。a b b 公司已研 制出多种无源光电式互感器，如磁光电流互感器( m o c tm a g n e t o2 0 p t i cc u r r e n t t r a n s d u c e r ) 、组合式光学测量单元( o m uo p t i c a lm e t e r i n gu n i t ) 、数字光学仪 用互感器( d o i t d i g i t a lo p t i c a li n s tr u m e n tt r a n s f o r m e r ) 等。目前，a b b 公司已 有6 9 k v 7 6 5 k v 全系列磁光式电流互感器产品。日本研究的重点是g i s 用的m o c t 与光学p t 、组合式光学零序电流互感器，取得了不少挂网运行经验，在1 9 8 2 年首 次获得磁光材料阮、飓玻璃、y i g 等磁光材料的温度特性曲线。现在瓯被公认 为是m o c t 的最好磁光材料之一。 全光纤式的o c t 因其结构简单，灵敏度高等优点，成为各国竞相研究的热点。 但是这种o c t 存在光纤线性双折射这一很难解决的问题，光源输出功率波动、光 波波长的变化等都使全光纤的精度和灵敏度受到影响，并且所选用的磁光材料在 外界环境的温度和压力等因素变化之下的稳定性亦很难保证。所以这种互感器没 有得到很好的推广和应用。 ( 二) 有源式光电电子电流互感器的研究状况 随着电子技术、计算机技术和大规模集成电路的不断发展，低功耗、高精度、 高速度的a d 变换器、压控振荡器和信号处理芯片已经实用化和应用化了。这些技 术的进步使得电子式电流互感器( 有源式光电电子电流互感器) 成为新的发展方 向。 这种电子式电流互感器与磁光式电流互感器的主要区别是其传感头部分全部 由电子线路组成，并且需要外部电源供电。 1 9 7 9 年，意大利已经研制出了压频转换式有源电流互感器，英国l i v e r p o o l 大 学于1 9 9 3 年研制的有源式电子互感器，都是采用参数变压器从电流母线上获得电 源以供电的方法。德国r i t z 互感器公司亦研究出了同样的产品，近年来由推出了 自己的电子式电流互感器。a b b 公司已经有7 2 k v 7 6 5 k v 全系列电子式电流互感器 产品。其电子式互感器已在插接式智能组合电器( p a s s ) 、s f 6 气体绝缘开关 ( g i s ) 、高压直流( h v d c ) 及中低压开关柜中得到应用。a l s t o m 公司主要研究 无源电子式互感器，目前，已研制出1 2 3k v 至7 5 6k v 的组合式光学电流电压互 感器- ( c m oc o m b i n e d m e a s u r e m e n tc u r r e n t - v o l t a g et r a n s f o r m e rw i t ho p t i e a l s e n s o r s ) 等电子式互感器。近年来，美国的p h o t o n i ep o w e rs y s t e m s 公司已经初步将a d 采集 式有源电流互感器产品化，其供电方式为激光供电。 1 2 2 国内的研究现状 我国的一些厂商、科研院所和高校也在努力研制电子式电流互感器t 9 j t l 0 1 ，由 于起步比较晚，我国的电子式互感器的研究还处于跟踪国外大公司( 如a b b 、 a l s t o m 等公司) 的水平。 前几年，国内各单位的研究重点主要是无源光电式互感器，如华中科技大学 1 9 9 8 年曾研制出1 1 0k v 光学电流互感器，并在广东新会挂网试运行，并于1 9 9 3 年 在广东新会供电局所在的大泽变电站进行试挂网运行，于1 9 9 4 年通过电力部鉴定， 其技术指标为1 1 0 k v ，1 0 0 3 0 0 a ，精度为0 3 级。清华大学和中国电力科学研究院共同 研制出了1 1 0 k v 的o c t ，于1 9 9 1 年通过国家鉴定并挂网运行。 目前我国有清华大学、电力科学研究院、武汉高压研究所、华中科技大学、 上海互感器厂、沈阳变压器制造有限公司、顺德特种变压器厂、西安高压开关厂 及南瑞继保电气有限公司等单位在从事电子式互感器的研制工作。且已有多种样 机研制出来，但绝大多数仅限于实验室阶段，还没有实用化产品投入运行。 近年来，由于有源电子式互感器的技术较为成熟，且便于工业化生产，国内多家 研制单位己开始注重有源电子式互感器的研究，如南瑞继保电气有限公司已研制出 可用于1 1 0k v 及2 2 0k vg i s 的有源电子式电流互感器，实验表明在( 4 0 + 4 0 ) 电子式电流互感器r o g o w s k i 线圈传感头的研究与设计 范围内，其计量精度达n 0 2 s 级。 1 3 课题来源和主要研究内容 为了推进电子式电流互感器的研究开发和产品化进程，武汉长江光网通信有 限公司与湖南大学成立了电子式互感器应用技术研究所，并聘请国内著名继电保 护专家杨奇逊院士与变压器专家朱英浩院士担任技术顾问。本课题是电子式互感 器应用技术研究所科研重点项目中的一部分，具有十分重要的研究和实际价值。 本人参与了电子电流式互感器r o g o w s k i 线圈传感头的研究。 本文的研究内容主要包括以下几个方面： 第一章：综述了传统电磁式电流互感器的不足、电子式电流互感器的优点 和重要意义、国内外电子式电流互感器的研发概况、课题来源和本人所做的工 作。 第二章：对新型电子式电流互感器的一般结构进行了介绍，根据不同的传 感原理进行了分类。介绍了全光式电子电流互感器的传感原理和结构，分析了 其优点和不足，导出了r o g o w s k i 线圈传感原理的电子式电流互感器，对其整 体结构和各个功能部分进行了介绍。 第三章：分析了横截面为矩形的r o g o w s k i 线圈和横截面为圆形的r o g o w s k i 线圈的传感原理，输出电压的统一公式。分析了在不同情况下的r o g o w s k i 线圈的 工作状态( 自积分状态和微分状态) ，以及在不同工作状态下的频率特性和拓宽线 圈响应频率的方法。对含有暂态分量一次电流时的r o g o w s k i 线圈输出电压进行了 分析。讲述了r o g o w s k i 线圈的串连方法和原理，对积分放大环节做了介绍。 第四章：建立了r o g o w s k i 线圈对温度和外界干扰磁场的数学模型，利用数学 模型分析了它们的影响。指出了温度造成的相对误差与线圈骨架和绕组线圈热膨 胀系数之间的关系；从两个方向上分析了干扰磁场对线圈精度的影响；分析了温 度对积分器的影响等。根据这些分析的结果给出了从材料选择、制作方法、工艺 改进到外加补偿等措施，这些方法能有效的改进线圈的输出精度。 第五章：由不同的r o g o w s k i 线圈制作方法和改进措施制作了不同的 r o g o w s k i 线圈，进行了试验对比，得出了一种能满足要求的线圈制作方法。 最后，对全文工作进行了总结和分析。 硕士学位论文 第2 章电子式电流互感器原理与结构 由于传统的电磁式电流互感器所暴露出来的缺点，它已经不能满足电力工业 的发展了。随着现代电子技术、微机技术、光电技术和传感技术的发展，电流互 感器的研制也取得了突破性的进展，许多光电式电流互感器( o c t ) 相继问世。 国际上很多科研机构和公司都在加紧研制各种类型的新型电流互感器，根据i e c 最新的文件，对这类新型电流互感器统称为电子式电流互感器( 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 r ) 。 电子式电流互感器根据其传感原理的不同可以分为全光式电子电流互感器和 混合式电子电流互感器，它们的代表性产品有：全光纤式、块状玻璃式电子电流 互感器和r o g o w s k i 线圈电子电流互感器。这些分类方法主要是根据其传感头传感 器原理的不同来划分的。 2 1 电子式电流互感器的一般结构 图2 1 电子式电流互感器通用示意图 如图2 1 所示，它是i e c6 0 0 4 4 8 提出的电子式互感器的一般结构。 它包括高压侧的一次传感器、一次变换器、外接电源、传输系统、和低压侧 的二次变换器、汇接单元、外接电源等。对于具体不同传感原理等的电流互感器 有些单元可以不用，如无源式电流互感器就不用外接电源等。 上面的数字输出一般是经过合并单元将多个互感器的采样量汇集到一块，并 变换为数字量串行输出。一般通过一个串行、单方向、多落点、点对点链路输送 到二次设备。一个合并单元最多可以输入7 个电流互感器( 3 个测量用电流互感器 和或3 个保护用电流互感器和或1 个中性点电流互感器) 和5 个电压互感器( 3 个保护或者测量用电压互感器和或母线电压互感器和或中性点电压互感器) 的采 电子式电流互感器r o g o w s k i 线圈传感头的研究与设计 样，供给测量仪表和继电保护的数字量一般分别输出。合并单元结构图如图2 2 。 图2 2 数字接口合并单元接线图 i e c 制定了这类新型电子式电流互感器的标准i e c6 6 0 4 4 8 ：1 9 9 9 互感器第 8 部分：电子式电流互感器，于2 0 0 2 年颁布。 2 2 电子式电流互感器传感器原理 对如上所述的电子式电流互感器，属于这种结构的互感器的传感器有两类： 一类是基于光效应的传感器，如采用法拉第磁光效应( f a r a d a ye f f e c t ) 原理的电流 互感器；另一类是基于空心线圈( r o g o w s k i 线圈) 的电流传感器和带铁心的低功 率电流传感器的电流互感器【1 1 】。 2 2 1 全光式光电电流互感器传感器原理 全光式光电电流互感器利用法拉第磁光效应( f a r a d a ye f f e c t ) 原理【1 2 【1 3 】，又 叫作m o c t 。因其高压侧不需要额外的供电电源而又被称为无源型光电电流互感 硕士学位论文 器。m o c t 的工作原理是描述磁场对透明光介质中偏振光的影响的磁光效应。当 一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时，线偏振光的偏振面就会线性的随着 平行于光线方向的磁场的大小而发生旋转。通过测量其旋转的角度0 ，就可以间接 地测量出导体中的电流值。0 的计算公式为： 0 = v 睁蕊 式中，e 线偏振光偏振面的旋转角度；v 磁光材料的维而德( v e r d e t ) 常 数，由介质和光波的波长决定：l 光在磁光材料中通过的路程；h 被测电 流i 在光路上产生的磁场强度。 如果将光路设计为闭合回路，则上式是闭合的环路线积分，由全电流定律 护面= ， 可得， e = 矿 厅万= ，= 玎 ( 2 1 ) 因此，只要测得0 角，就可以求出所测电流i 的大小了。 利用法拉第磁光效应实现电流传感器有多种方法，其中最具代表性的就是全 光纤式和块状玻璃式。 ( _ ) 全光纤式 如图2 3 所示，全光纤式o c t 是将一根单模光纤绕在被测导体上，激光器发 出的激光经过起偏器变为线偏振光后，再由显微物镜耦合进光纤中，如果忽略光 纤的双折射，则射出光仍然是一线偏振光。 起偏器 被测导体 设导体中的电流为i ， 则， w o l l a s t o n 棱镜检偏器2 图2 3 全光纤式o c t 结构图 由上式( 2 1 ) 可知： e = v n i i = o v n 式中，n 单模光纤绕在被测导体上的匝数。 e o ，j 一一蜀 叠、 h 、卜i 、e j 秒 图2 4 出射线偏振光的电场矢量图 当偏振光射出时，由w o l l a s t o n 棱镜分为二束，两束光的偏振面互相垂直，如 图2 4 。其中，e 被测导体中无电流时出射线偏振光的电场矢量； 蜀被测导体中有电流时出射线偏振光的电场矢量；巨、互经 w o l l a s t o n 棱镜分开的二束光的电场矢量。 由于光纤的双折射问题，这类o c t 的光纤通常采用零双折射的保偏光纤，但 是这种光纤的价格昂贵，并且要做出高稳定性的光纤有困难，人们开始用重火石 玻璃作为敏感材料的块状玻璃式o c t 。这种材料属于抗磁性物质，其v e r d e t 常数 较大、温度系数较小、本身各向同性，因而具有很好的保偏性能。 块状玻璃式 如图2 5 所示，线偏振光通过块状玻璃一周的偏转角，由式( 2 1 ) 有， 0 2 妒面= = v i 式中i 被测导体中的电流。 图中，入射光经起偏器后，在重火石玻璃内绕被测导体电流一周，然后经过 检偏器和准直透镜送给p i n 。利用检偏器将偏转角0 的变化转变为光强的变化， 由光强的变化可以测得偏转角0 。当线偏振光通过检偏器时，其输出光强p 为： p = 异c o s 2 妒= p o c o s 2 ( 口+ y ) ( 2 2 ) 式中，只入射光经过起偏器后的光强；矿射入检偏器光的偏振面与检 偏器透光轴方向之间的夹角；y 起偏器与检偏器光轴的夹角。 当 y = n 1 4 时，p 的变化具有最高的灵敏度，线性度也很好。此时式( 2 2 ) 变为： 硕士学位论文 检 电流导体 图2 5 块状玻璃式o c t 图 p = p o c o s 2 徊+ - = i e o 【l s i n ( 2 0 ) 当0 远小于1 时有， l o 1 p “i r o ( 1 - 2 0 ) = 寺p o ( 1 - 2 v i ) ( 2 3 通过光电变换、滤波等电路环节，式( 2 3 ) 可以分解为交流分量电压和直流 分量电压u d c ，其值如下： u c 2 与昂v f 1 【，d c 2 寺k 2 e o 其最终输出电压为u = u a c u t c = k i ，k 比例常数。这样由u 就可以求得 被测导体中的电流大小。 全光式光电电流互感器的主要技术难点是：双折射效应的影响、干扰问题、 温度的影响、震动问题的影响。这些技术难点使其应用受到了限制【1 4 】，需要对这 些难点问题做进一步处理【1 5 1 【l6 1 。 2 2 2 铁心线圈低功率电流传感器 铁心线圈低功率电流互感器l p c t 8 1 按照成熟的电流互感器原理，仍旧采用铁 心，在二次绕组与内部欧姆电阻连接，它是常规感应式电流互感器的发展。由于 l p c t 线圈的输出信号是由电子技术处理的，所以不需要较大的输出功率。这样 l p c t 可以使用高负荷阻抗以减小其尺寸。如此则避免了常规电磁感应式电流互感 器在极高次或者故障电流下会饱和的特性，因而极大的扩大了其测量范围。 由于总的损耗很低，使得其可以在不饱和的情况下，高度准确地测量过电流 电子式电流互感器r o g o w s h 线圈传感头的研究与设计 直至短路电流，甚至可以测量全偏移短路电流。除了量程宽以外，l p c t 的尺寸可 以设计得比常规电磁式电流互感器的尺寸小得多，而且测量和保护用电流互感器 无须有什么差别，全部应用范围可以使用单个( 多用途) 电流互感器。 ， z 图2 6 l p c t 结构原理图 如图2 6 所示，l p c t 感应式电流互感器包括一次绕组、二次绕组、小铁心， 二次绕组损耗极小，并且连接在一个分流电阻足上。r 。电阻是l p c t 的集成元件， 对互感器的功能和稳定性非常重要。 r 。的选取应该使得其对互感器的功耗接近于零。二次电流，。在分流电阻上产 生的电压阢，在大小和相位上正比于一次电流i i 。l p c t 互感器的二次负荷功率和 内部损耗越小，其测量范围和准确度越理想。所以足的选取也可以是使得u 。最大 时对应的其上的电流。 厶申乙兄足 二c u l 甲l 口乙足甲宁c u l 甲 - + z 图2 7l p c t 电流互感器等效电路图 l p c t 电流互感器的等效电路图如图2 7 ，其中，z 爪励磁阻抗；r 2 弓 线和二次绕组的总电阻；c 电缆的等效电容。 由图可以求得： 驴瓮i l 硕士学位论文 令 巧2 南 则有 = k ru 这样就可以得到一次电流厶的大小。 2 2 3r o g o w s k i 线圈传感头 图2 8r o g o w s k i 线圈传感器 r o g o w s k i 线圈传感器传感头测量电流的原理如图2 8 所示。它包括r o g o w s k i 线圈和积分器两部分。r o g o w s k i 线圈是由绕线均匀地绕制在一个非磁性骨架上做 成的。无磁性材料做成的骨架使得这种传感器传感头的输出线性度极好，不会出 现磁饱和和磁滞等现象，因而具有良好的稳定性能和暂态响应。 以r o g o w s k i 线圈为传感头的互感器能较好的满足电力系统测量和保护的要求 【1 7 】d s 【1 9 】。 设r o g o w s k i 线圈的单位匝数为n ，线圈截面积为s ，则线圈讲上的磁链1 2 0 1 ， d o = 声o s n h d l 其中，h 线圈胡处的磁场强度，则整个线圈的磁链为， = q s n h d l 假设线圈各处的s 和n 均匀，由全电流定律得： 巾= q 声o s n h d l = o n s i 由电磁感应定理得r o g o w s k i 线圈输出电压p ( f ) 为： 啪一警= 嗍珊瓦d i ( 2 4 ) 设互感系数为m ，则m = 胁瑚 由式( 2 4 ) 可知，r o g o w s k i 线圈的输出电压与被测电流的导数成正比，因此， 电子式电流互感器r o g o w s k i 线圈传感头的研究与设计 它们之间存在一个微分关系，故要在r o g o w s k i 线圈的后面加一个积分环节，将 r o g o w s k i 线圈的输出电压转换成与被测电流相位相同，大小成正比的关系，这样 才能满足测量和保护的要求。 如图2 8 ，在r o g o w s k i 线圈的后面加了一个积分环节，它们一起构成了传感 头的整体。从图中可以看出，输出电压u ，主要决定于线圈的互感器系数、积分 器的时间常数r c 和被测电流i 的大小。 设r o g o w s k i 线圈绕组的内阻为r ，则传感头输出电压蜘为： “z ( ，) 2 面m 币( f ) ( 2 5 ) 由式( 2 5 ) 可知，传感头输出电压与被测电流同相位、大小成正比。知道了 互感系数m 的大小，就可以求出被测电流的大小了。 本文后面几章将对r o g o w s k i 线圈传感头的原理和结构作具体分析。r o g o w s k i 线圈传感头的等效电路图如图2 9 。 图2 9r o g o w s k i 线圈电路模型 2 3r o g o w s k i 线圈传感头电子式电流互感器简介 2 3 1 总体结构和原理 电子式电流互感器的设计思路是在高压端利用r o g o w s k i 线圈测量大电流信 号，将线圈感应出的小电压信号传输到低压端，再经过低压端处理电路处理后， 直接输出给各种测量装置和保护设备等。 被测线路上的大电流信号经过r o g o w s k i 线圈变换，通过后续电路处理后，其 输出值变为与被测电流大小成正比，相位相同的小电压信号。如何将测量及处理 后的小电压信号传送到低压端，是电子式电流互感器的一个重要部分。 r o g o w s k i 线圈电子式电流互感器的整体工作原理框图如图2 1 0 。r o g o w s k i 线圈将被测电流在其中感应的电压信号传给积分器，经过积分器调相放大后，送 给高压侧数据采集系统处理，对信号进行a d 转换及采样等，然后进行电光( e o ) 转换，信号变成光信号后由光纤通道传送到低压侧。在低压侧首先经过e o 转换 送给低压侧合并单元，从合并单元出来的信号送给各种测量保护装置等【2 1 1 。从图 硕士学位论文 中可以看出，光纤将电子式电流互感器的高压与低压部分分隔开来，它既起到了 高低压之间的信息传递联系作用，又起到了高低压之间的绝缘作用。光纤具有良 好的绝缘性能，利用它作为高低压端的信号传输媒介，具有绝缘简单、造价低、 技术成熟稳定等优点。 r o g o w s k i 电子式电流互感器主要分为五