（电工理论与新技术专业论文）光电式直流电流互感器的研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o t n n e n to ft h eh i g hv o l t a g ed i r e c ta m i _ 臣nt r a n s m i s s i o nn e t w o r k , i th a s a l r e a d yb e e na 砌t o p 耙d j ：婚m o na n dw i t ht h e 诫堍o f t h e 咄v o l u t g e ，t h ec o n v e n t i o n a l t r 黜f o r m e r s l i m i t a t i o nb a s e d0 1 1m a 掣蜘ca m p l i t i e rh a sb e c o m em o r ea n dm o r eo b v i o u s l yd u et o t h e i rt r a n s f o r mp r i n c i p l e a f t e ra r l a l y s i s 此s i t u a t i o no ft h ed i r e c tc u r r e n tl l _ 趣1 s f o r r i l e rr e s e a r c h , a s c h e m eb a s e do nt h eh i g hc l 蝴哇t r a n s d u c e rw i t ha i rc o r eo o i la n do h m i cs h u n t , t h et r a n s m i s s i o no f s i g n a la n de n e r g yt h r o u g ho 群i cf i b e ri st m 】p o s e d n 七a r l i d ei n t r o d u c e st l 砖t t a n s f o r m e ri n t h e o r e t i c a l 锄l y s i sa n de ) 中既i l l 搬蹦a sw e l la s 妇a c c o m p f i s l a n e n t 瓤d 鹅辩鹦嗍to fi t ss a m p l e ，w h i c hh a s p a s s e d t h e w h o l e t e s t t h ea d v a n t a g eo f t h en l e 挺融r a 田崩嗽b ys h u n t , w h i c hi sl f i ec o o f t h ew a n s d u c e ra r es i m p l ei n s t r u c t u r ea n dn om a g n e t i ci n t e r f e r e m e d u et ot h ee n d rc 黜f r o mt h ek 蛐g b r o u g h tb yt h eh i g h c o n s u n p l i o no ft h es h t m t , u s u a l l yt h es h t m ti su s e dt on k 8 嗣et h ec u r r e n tl o w e rt h a n1 0 k a i f c o m b i n e dw i t ho 嘶cf i b e rl 瑚l s m i s $ i o nt h ei n s u l a t i o ns m l c t t m ec a l lb e 曲n p l i 6 e da n dt h ee l e c t r i c i s o l a t i o nc a l lb er e a l i z e d h e r ei l l t t s w a t e st h en 蛇a s 嗽l i n c i p l e sa n dp r o p e r t i e so f t h es h u n t , g i v e si t s d e s i g na n da n a l y s e s 妇p r o p e r t i e so f t e m p e r a t u r e a n o t h e ri m p o t e n tp a r ti st h ea i rc o l ec o i l , w h i c hr o l ei st on l e a s 咐t h eh a r m o n i cc o m p o n e n to f t h em a i nd i r e c ta h 删i t sa c c u r a c ya f f e c td i r e c t l yt h eh a r m o n i cm e a s i r ea c c m a c y t h ea r t i c l e d i s c u s s e s i t s w o r k t h e o r y a n d i t s m e a s u r e c h w a c c z r a n d i n t r o d , , 均e s t h e d y n a m i c w r f o m m c e o f 吐1 ea i r c o r ec o i l a i ma tt h ed i m c u l t yi nt h ew z l u i r i n go f t h eh a r m o n i cs o t r c cn k 惜t h a nl o o a , t h ec a l i b r a t i o n m e t h o dd e s i g na st h e e q u a l - a m r 燃e i sp r o p o s e d n l ep a r to ft h ep r o c e s so ft h es i g n a li st h eb a s eo ft h e 位m 幽m n 扎t h ea r t i c l ed e p i c t i o nt h e p e r f o r r m n e ep r i n c i p l e sa n da e m a l t z ei nd e t a i lb a s e do nt h es i g n a jc h a r a c t e r so fd i r e c te t l f f e n ta n d h a r m o n i cc u r r e n to b t a i n e df r o mt h es a m p l ec i r c u i t , t h es i g r dw a sg i v e nt h ed i f f e r e n tc o n v e r s i o n b e t w e e ne l e c t r i ca n do p t i c a l h e r et h el o w e rp o w e rc o r 踟m p t i o nd e s i g no fd i r e c tc u r r e n tp r o c e s s c i r o f i ta n ds c h e m eo f t h ew d l q m 斟o no f p o w e rw e r ep u tf o r w a r d , a n dt h ec o m b i n i n go f t h e mw a s m a l t e d 1 kd e s i g n si nt h ee l c 曲_ 0 i ：g 聪血c o m p 面b j 】i 啦i n s u l a t i o na n de x p e r i m e n ta r ea l s os t u d i e d h e r e i nt h es a n et i m e ，t h ea r t i c l eg i v e st h ea l le f f e c t so ft h et e s t sa n dt h ei n t r o d u c eo ft h ea c t u a l r u n r a n gs i t u a t i o n s k e y w o r d s ：s h u n t , a i r c o r e c o i l ，o p t i c a l - e i c c l r i c c o n v e r t , f i b e r t v a n m 菌t p o w e r , t e s t m e t h o d i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：涨毖 巧年，d 月二4 臼 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，即： 学校有权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。本人授权华中科技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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：指导教师签 豫耗 时年。月2 牛日西广年f o 月z 哆目 华中科技大学硕士学位论文 l 绪论 本文首先陈述了交、赢流输电的特点，介绍了真流输电的发展方向，分析了随着 直流输电的发展所面临的直流大电流的测量问题，在此基础上介绍了电子互感器的概 念，最后给出了本课题的研究内容及论文的整体结构和章节安排。 1 1 高压直流输电的特点 近年来，直流输电技术正处于迅速发展阶段，国内外不断有直流输电工程投入建 设和运行之中。直流输电较之交流输电具有独特的优点，主要表现在以下几个方面1 1 i | 2 l ： 1 ) 直流输电系统运行稳定性好。为保证电网稳定，要求网上所有发电机都必须同步 运行，即所谓系统稳定性问题。对于交流长距离输电，线路感抗远远超过了电阻， 并且输电线路越长，电抗越大，系统稳定性越困难，这大大限制了交流长距离输 电的发展。采用直流输电，其输电线路只有电阻，没有感抗，因此不存在上述稳 定问题。 2 ) 直流输电损耗小。直流输电线路没有感抗和容抗，不传输无功功率，因此没有无 功损耗。直流输电没有磁滞损耗和涡流损耗，直流架空线电晕损耗和无线电干扰 均比交流架空线路小，因此，在导线截面相同、输送有功功率相同的条件下，直 流输电线路的功率损耗，只有交流线路的2 ，3 。 3 ) 直流联网对电网间干扰小。现代电力技术的发展方向是大电网互联，如采用交流 联网，互联电网问相互干扰，各个电网的故障相互影响，容易造成联络线功率大 幅度波动，甚至剧烈振荡，增加事故率。而采用直流联网方式，能有效隔断各互 联交流同步电网间的相互影响，有利于提高电能质量，特别是当系统发生故障时， 可以避免或减轻对另一个系统的影响。如双极直流输电系统中，如果其中一极的 设备发生故障，另一极仍能以大地作备用回路，带半负载运行，而交流输电则无 法做到这一点，因此，直流联网是减小互联系统大面积事故和损失的一个有力手 段。 华中科技大学硕士学位论文 4 ) 直流联网可以避免电网短路容量增加。交流输电联网，由于系统容量增加，将使 短路容景增大，有可能超过原有断路嚣遮断容量，采用直流输电连接两个交流系 统，就避免了上述问题，这对于大电网的互联极具实用价值。 5 ) 直流联网可以实现不同频率电网间联网。由于直流输电与系统频率无关，所以直 流线路是连接两个不同频率交流电网的最佳选择，这对跨国电网的发展有着重要 的意义。 6 ) 长距离直流输电可减少线路投资和维护费用。经各方面综合估算，线路长度超过 8 0 0 k i n 时，直流输电在一次投资和年运行费用上都较交流输电经济，并且箍着直 流输电技术的发展这个长度还将不断缩短。对于架空线路，当线路建设费用相近 时，直流输电的功率约为交流输电功率的1 5 倍。对于电缆线路，直流输电传送 的功率更大于1 5 倍交流输电功率。直流输电和交流输电线路，如绝缘水平相当， 采用相同截面的导线，可输送大致相同的功率。由于节约一根导线，杆型也较简 单，可降低线路造价3 0 4 0 左右。 7 ) 当直流输电采用双极型直流输电方式时，其换流站可分期建设，先建其中一极， 投入运行，以降低工程的初期投资。 8 ) 直流输电对通讯的干扰小于交流输电。 但是，直流输电较之交流输电也有它的不足之处，主要表现在以下几个方谣： 1 ) 直流输电的换流装置造价较高，抵消了一部分建设直流线路所节省的投资。 2 ) 大容量换流装置的本身是一个谐波源，会使电网的电压和电流波形产生畸变，因 此在交流侧和直流侧均应装设滤波装置，以抑制谐波分量。 3 ) h v d c 线路两端的换流站都要消耗无功功率，需要装设约为输送功率4 0 6 0 的 并联电容器组进行补偿。 4 )目前h v d c 的电气设备，直流断路器尚在研制中，直流避雷器、直流电压、电流 互感器以及线路上专用的赢流绝缘子尚需依赖进口，由于生产批量不大，制造成 本及价格较昂贵。 然而相比之下，直流输电较交流输电仍有许多突出的优点，同时随着相关技术 的发展，高压直流输电已成为必然趋势。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 高压直流电流测量的现状与发展方向 l 2 1 高压直流电流测量的特点 随着直流输电的发展，直流高压测量技术的研究也迎来了许多新的问题。直流大 电流测量便是其中之一。直流大电流测量技术在工业生产和科研实验中有着较广泛的 应用，根据世界各国的统计，直流用电量的总数几乎占总用电量的2 0 4 0 。如：在 地铁和电气化铁道等的直流牵引系统中，正常运行时系统的负荷电流一般为3 0 0 0 a 左 右，暂态时可达到1 2 0 0 0 a ；有些金属冶炼工业中使用的直流电流可达到4 0 0 k h ；电力 工业中的高压直流输电系统也有直流大电流的测量问题；在核物理、大功率电子等科 研实验中常常涉及到大电流测量问题。直流大电流的测量，实际工作中遇到的测量对 象常常有稳态电流和脉冲电流等。稳态电流是指系统相对平稳的、正常运行时的负荷 电流，暂态电流是指系统发生短路或运行状态发生突变时的电流，通常它是非线性变 化的，往往比稳态电流大很多倍。在遇到雷击或有闪烙时会产生脉冲电流。在对直流 大电流的测量中，有时还会遇到谐波等问题。在电力系统中的大电流测量中，电流互 感器的耐高压及绝缘闯题还要重点考虑。测量到的大电流，也有计量、监视、控制及 保护等的不同的用途，它们对测量准确指标的要求也不完全一致。对于计量用的测量 互感器的准确度要求最高，对保护和控制用的互感器要求次之，对监视用的互感器要 求最低。直流大电流的测量，已成为电磁测量技术领域中不可缺少的独立部分。 直流大电流的测量方法，就其原理可分为两大类。一类是根据被测电流在已知电 阻上的电压来确定被测电流的大小，如分流器；另一类是根据被测电流所建立的磁场 为基础，实际上是将电流的测量问题转变为磁场的测量问题，通过一定的手段钡9 量它 的磁密或磁通、磁势等方法来测量电流。从物理学角度来看磁场的测量方法主要有磁 共振法、霍尔效应法、电磁感应法、磁通门法、光泵法、磁光效应法、磁膜测磁法及 超导量子干涉器件法等。 本文主要研究第一类方法。 1 2 2 高压直流电流测量的发展方向 直流电流传感器是直流大电流测量的最基本器件，是系统中测量与继电保护的最 华中科技大学硕士学位论文 基本单元。现阶段，国内许多直流输电系统中仍然采用传统的直流电流互感器来获取 直流电流信号，它们许多都是以磁放大器原理为基础的，随着系统电压等级的不断升 高，其缺点便明显的暴露出来，诸如体积和重量增大、造价增高、存在磁饱和及铁磁 谐振现象、易受电磁干扰、精度低等等。同时，其输出电平不能直接与计算机相连， 无法适应电力系统数字化、智能化和网络化的需求。基于光学传感技术的光电互感器 则能有效地克服传统电磁式互感器所固有的缺点，与常规的电磁式互感器相比，有下 列显著优势： 1 高低压完全隔离，安全性高，优良的绝缘性能和优越的性价比，抗干扰能力强。 2 没有铁芯，不存在磁饱和、铁磁谐振等问题。 3 功能齐全，测量精度高。 4 无噪音、无污染、环保性能好。 5 体积小，重量轻。 6 能适应电力系统数字化、智能化和网络化的需要。 因此，电子式电流互感器已经成了国内外研究的热点。随着电力工业的不断发展 及电网电压等级的不断提高，对高电压、大电流的测量要求也在不断提高，互感器的 绝缘问题日益突出。对于传统的电磁式电压、电流互感器来说，由于绝缘成本随着绝 缘等级的升高呈指数增长，因此原有的空气绝缘、油纸绝缘、气体绝缘和串级绝缘已 经不能满足超高压设备的绝缘要求，同时，传统的电压、电流互感器存在磁饱和、铁 磁谐振、易燃易爆及动态范围小等这些难以解决的问题。于是，各种旨在解决超高压 绝缘问题的测量方法应运而生，国际电工委员会通过对这些方法的统计分析，提出了 电子式电压、电流互感器的概念1 3 l 。i e c 6 0 0 4 4 - 8 中定义的3 种不 同类型电子式电流互感器，即光学电流互感器、低功耗电流互感器及空芯电流互感器。 同时，依据国际电工委员会的标准，电子式互感器可以分为有源式和无源式两种。具 体来讲，无源式是指传感头部分采用先进的光学传感原理，并通过光纤将信号传送到 低电位侧的电子式互感器4 | | 5 j 。由于传感器输出信号本身就是随着被测量变化的光信 号，因此不存在设计高压侧电子电路的问题，相应的也不会有电路的供能问题。而有 源式则是指传感头部分采用传统的传感原理，仅利用光传输数据的电子式互感器，由 华中科技大学硕士学位论文 于光纤只能够传输数字信号，所以必须在高压侧对传感头的输出信号进行模拟量与数 字量的转换，这就势必要设计相应的电子电路，因而也就带来了电路的供能问题，这 是有源式互感器研究中的难点和关键技术。 典型的有源电子式电流互感器分为高压侧电路、低压侧电路以及光纤传输3 个模 块。其中，高压侧电路的作用是将传感元件的输出信号进行模拟量与数字量的转换， 以方便利用光纤进行信号的传输，而低压侧电路的作用则是将光纤传送下来的信号进 行处理，并将结果送入相应的测量与继电保护设备。可见，为了确保高压侧电子电路 的正常工作，必须提供稳定、可靠的工作电源。可能的供电方式有很多种，而在实际 应用当中通常是在众多方式中选取某一种。 目前，国外许多大电气公司在开发交流o c t ( 光学电流互感器) 的基础上，也开发 了一系列用于直流电流测量的0 c t 。我国的一些直流工程中已引用了这些公司的直流 o c t 进行直流电流测量。而国内的o c t 研究目前大多集中在交流系统上。虽然无源式 光学电流互感器研究较多，统计资料表明，到9 0 年代末，国外已完成挂网试验并有 产品面世1 6 1 1 7 i ，但由于受环境影响大、温度特性差等影响嘲1 9 1 1 i ，目前推广时机仍然 不是很成熟。而随着供能方法的改进，有源传光型电子式互感器由于其实用化前景比 较光明，已成为被关注的焦点。对此类电子式互感器的研究得到了更多的重视 4 l ( s l 。 本项目研制的直流输电工程用直流光电电流互感器，是采用分流器采集直流电流信 号、光供电和光传输，并将被测煮流信号以数字形式输出的离压直流电流测量装置。 1 3 课题来源及本人研究生期间所做工作 鉴于直流大电流测量所面临的问题和发展趋势，为促进直流输电的发展，早日实 现我国赢流输电莺大设备国产化，填补我国在直流光电电流互感器技术领域的空白， 配合西北一华北联网的灵宝背靠背直流换流站工程，立此课题。本人在课题中主要完 成了如下工作： 1 参与总体方案的论证及结构设计。 2 参与了互感器各分部的方案设计和各分部具体目标的实现要求。 3 研究系统测试方法并进行试验。 华中科技大学硕士学位论文 4 主持制定了样机的技术规范和试制鉴定大纲。 5 主持完成了样机的全部型式试验。 6 主持了挂网运行的各项工作，完成了样机的挂网运行。 本文共由九章组成。第一章，比较了交、直流输电的特点，介绍了直流输电的发 展方向，介绍了电子互感器的概念。第二章根据灵宝换流站工程的技术要求和工程需 要，给出了设计的总体方案和主要技术参数，并指出了研究的主要内容和技术难点。 第三章，阐述了分流器的测量原理和它的结构设计，对分流器的测量特性进行了分析。 第四章，阐述了空心线圈的测量原理和它的结构设计，分析了空心线圈的幅频特性。 第五章，对直流电流的采集转换及处理电路进行设计研究，重点研究了电路的低功耗 问题。第六章，对直流谐波电流的高低压测量电路进行了设计研究。第七章，分析比 较了高压侧电路的供能方式，并给出了光供电系统的性能测试和试验分折。第八章， 研究了光电互感器样机的系统校验方法和型式试验方案，并给出了全部试验结论。第 九章，对全文进行了总结，简要介绍了1 2 0 k v 光电式直流电流互感器的挂网运行情况。 华中科技大学硕士学位论文 2 总体方案的研究和技术参数的制定 2 1 系统原理与技术参数 本研究挂靠西北一华北联网灵宝换流站工程，按照工程要求我们制定了下列技术 方案。图2 1 为直流光电电流互感器原理框图。系统包括以下几个主要部分：高压侧 传感头( 分流器) 、高压侧电路部分( 放大、a d 变换等) 、绝缘和信号传输部分( 复 合绝缘子、光纤) 、低压侧信号处理部分( 串并转换、d a 输出等) 和光供电部分。 陌恒 l 匪互卜 l 童恒 图2 1光电直流电流互感器工作原理图 额定频率：直流。 额定电压：1 2 0 k v 。 额定电流：3 0 0 0 a 。 准确级：0 5 5 p 。 阶跃响应：最大上升时间 4 0 0 ps 。 7 华中科技大学硕士学位论文 在最初制定的技术方案中，直流电压等级为+ 6 0 k v ，直流测量准确度为0 2 ，谐 波测量准确度为0 5 ，后经讨论研究，对以上参数做出如下调搀： 1 直流电压等级由4 - 6 0 k v 改为1 2 0 k v 。 2 直流测量准确度改为0 5 级( 测量范围1 0 i 。1 3 0 i 、) 。 3 谐波测量准确度改为：谐波电源基波有效值为0 5 ，5 0 次以内谐波有效值为 1 。 2 2 研究的主要内容和关键技术 1 传感头的研制 研制高精度、高稳定度的分流器和空心线圈，以保证在- 2 0 。c + 4 0 。c 温度范围内， 满足其燕体准确度的要求，而且能长期稳定地获取直流电流信号。 2 设计和研制光供电系统 光供电系统的主要部件是光伏变换器和激光器，激光器提供波长范围为7 8 0 8 5 0 n m ( 中心波长在8 0 8 r i m ) 的光输出，光伏变换器将这个波长范围内的光能转换为电 压为6 v 的电能，若转换的电能可达2 0 0 r a w ，在将电路各元器件功耗选的足够小的状 况下，光供电将成为可能。另外，光源的稳定是保证高压侧电路可靠工作的前提。希 望激光管尽可能输出大功率光能的同时，其温升不能太高，温度太高，其输出光功率 将降低，而且为延长l d 的使用寿命，一般让l d 工作在其输出的最大光功率的一半 左右。 3 设计研制低功耗一次侧电路 因为能提供给高压侧电路的能量有限，为此应尽可能降低高压侧电路的功耗，圜 此在器件、电路的选用设计上都有很大限制，增加了技术难度。分流器在额定电流下 的输出电压为7 5 m y ，比较小，同时是直流，对直流信号进行放大，放大器的直流偏移 以及温度漂移对系统的精度将有很大影响，这些都增加了技术难度。 4 设计研制二次侧电路 一次侧采集处理的数字信号通过电光转换，转换成光信号，通过光缆传至控制室 内，再经过光电变换，转换成电信号进行相关的信号处理。 8 华中科技大学硕士学位论文 5 绝缘和光信号传输问题 绝缘结构不但要耐受系统额定直流电压，还将承担高、低压间的隔离任务，高低、 压间只有光连接，由光纤承担信号传输作用。 华中科技大学硕士学位论文 3 分流器的测量原理和设计 3 1 直流电流分流器的测量原理 传感头部分主要包括分流器和空心线圈两大部分，利用分流器测量直流大电流的 优点是结构简单，不需要辅助电源，性能稳定可靠，测量的准确度不受磁场的影响。 但由于分流器功率消耗大，从而引起发热出现附加误差，所以分流器一般仅用于测量 l o k a 以下的电流。若结台光纤进行信号传输，则可大大简化高压绝缘结构，实现高低 压电隔离。由于分流器不需要任何辅助设备，较之其他的高压直流电流测量方法，它 体积小、重量轻、结构简单、不受干扰，熬体优点突出。 一般采用由锰铜合金制成的低欧姆四端电阻作为测量直流大电流的电阻量具，它 可以做成供工业测量用的分流器形式，其电流端子接入被测电路，而电压降则由电位 端子引出。测量大电流用的分流器实际是具有分布参数的无源因端元件，其等效电路 如图3 1 所示。 。一 r f 图3 1 分流器等效电路 分流器设计时首要任务是尽可能减小残余电感，使分流器接近一纯电阻，并使其 残余电感可以忽赂不计。分流器的主要技术特性为额定输入电流i 。，额定输出电压吼 和额定电阻j ，当输出电流1 2 ：o 时，它定义为r x = u z i 。若电位端予之间的电压降 用补偿法测定，则被测电流为： 华中科技大学硕士学位论文 仁急 若采用输入电阻为r 的测量仪表 流由下式决定： ( 3 一1 ) 测量电位端子之间的电压降为u ：，则被测电 仁告( 1 + 等) ( 3 _ 2 ) 其中r 籼= 争，为分流器的输出电阻，在i 。= o 的条件下测定。 分流器有多种结构形式，我们采用了鼠笼式分流器。鼠笼式分流器的结构见图 3 2 。中间的柱状体为多根锰铜棒，两端为铜接头。电流从两端接入，电位端予从铜 饼帽处引出。一般整体结构是关于中心轴线对称，由于形似鼠笼而得名。此种结构电 感影响较小，热容量大，适于长时间、幅值较大的电流测量。 图3 2 分流器结构图 3 1 1 分流器的特性 测量5 k a 以下的电流，分流器通常做成单个量具的形式，在条件允许情况下还置 于恒温条件下或进行一定方式的冷却，对安装方式等也要进行特殊的处理，这是因为 分流器在发热及应力的作用下其特性会发生定的变化。下面对分流器的主要特性进 行分析： 阻值 分流器的电阻值月 ，= 哆，u 2 定为6 0 m v 、7 5 m v 、1 0 0 m v 、1 5 0 m v 等标准输出， 由于，1 一般情况下为k a 级，r 。的值就多在脾级，因此内外部因素很容易造成r 。的 变化，从而影响测量准确度，典型为温度变化对电阻值的影响。当温度为t 时，测 华中科技大学硕士学位论文 量用分流器的实际电阻值数值由下式决定： r ，= r 【1 + c t ( t 一2 0 ) + 觑f 一2 0 ) 2 】 ( 3 3 ) 式中r 。在2 0 时分流器的实际电阻值，口、p 温度系数。 分流器最大工作电流l 容许通过分流器的最大工作电流由下式决定： l = ( 3 _ 。) 只一最大容许消耗功耗，己与分流器的几何尺寸及电流密度有关。 电流密度 电流密度为单位面积内通过的电流，s 为通过电流的有效截面积。 = ( 乡m m 2 ) ( 3 - 5 ) 温升r 分流器在通过被测电流时，会发热并引起温度升高。温升在影响分流器电阻值的 同时，还会产生热应力等问题。台理设计并控制分流器的温升是保证准确测量的重要 因素。如果在考虑分流器发热时不计电流流过的散热，近似的按绝热过程来计算其温 升。这种情况下，分流器吸收的能量全部转化为热能，可以写出i ： a rf i d t = 埘c a t ( 3 6 ) j 式中的i n 为电阻体的质量，c 为电阻材料的比热，r 为温升，口为热功当量，它等于 0 2 3 8 卡焦耳，而质量： m = ，a ，= ，v( 3 - 7 ) 这里的y 为密度，a 、，分别为电阻体的横截面积和长度，v 为体积。只要温升a t 定 即可由上二式确定电阻体的体积。设p 为电阻率，列有： r = p - i a ( 3 - 8 ) a = 矿p r ( 3 9 ) 1 2 华中科技大学硕士学位论文 ，= 4 v r l p ( 3 - 1 0 ) 电阻体的横截面积及长度均可根据实际求得，同时还应考虑分流器在过渡过程中可能 存在的集肤效应和电动力的影响l i 。 在分流器设计中，集肤效应和涡流损耗现象出现在过渡过程或交流运行状态之 中。经计算。对所设计的分流器构件( 除锰铜) 进行分段计算并综合，涡流损耗公式： p = 丢2 ，2 d 2 b ：f ，一警d 4 + c s 一- - ， 以下主要为集肤效应的影响 集肤效应对电阻值的影响：r = 去( 1 + 掣1 9 2 口4 ) 1 2 ) 昭y l， 口为半径，三为长度，为电导率，= 5 8 x 1 0 7 ，为磁导率= 4 x 1 0 7 ，国为角频率 经计算，整体的直流电阻r = 0 4 1 9 9 心，在5 0 h z 下的交流电阻= 5 1 4 5 脾。与 锰钢分流器的电阻= 2 5 脾相比较，此时，由于集肤效应所产生的交流电阻是分流 器直流电阻的两倍以上：虽然它们和直流电阻一样，位于在分流器电位端之外，对测 量没有直接影响，但过大的热效应会通过应力和温升等方式影响测量结果。交流热等 效试验的实际测试证明了上述理论分析。 理论和试验表明：交直流之间热量可以等效，但交直流之间物理效应是不能等效 的。分流器如果工作在交流下，必须考虑集肷效应的影响。 分流器的方波响应 设分流器的电感和电阻分别为，及尼，电流为j ，则输出的电压为i “i ： = ( 巧f + 勺等一m 争( 3 - 1 3 ) 这也就是送到测量电路的电压。柱形电殂具有一定的厚度，设流过分流器的电流是方 波，则因集肤效应的影响，沿柱形电阻径向的电流密度是不均匀的。最初电流主要集 中在电阻的外表面，内面的电流密度近于零。随着时间的推移，电流分布逐渐均匀， 内面的电流密度逐渐增加。在电流分布不均匀时，输出信号即电阻压降与电流密度和 电阻材料的电阻率有关，而不是电流乘电阻。柱内电流密度足逐渐增加的，故输出的 华中科技大学硕士学位论文 电压信号也是逐渐上舞的。因此，这种分流器流过方波电流时的输出电压信号，即其 方波响应，如图3 3 所示。 3 2 分流器的设计 1 v l 纷“ 图3 3 分流器方波响应图 本研究中分流器的技术要求：额定一次电流3 k a ：准确度：0 2 级；动稳定电流： 2 8 k a ；短时热电流：1 1 2 k a ，3 秒；最大直流工作电流：3 0 5 3 a ；在环境温度4 04 c 下， 分流器温升不超过1 2 0 k 。外加应力在水平方向、垂直方向、水平横向分别为2 0 0 0 n 、 5 0 0 n 、7 0 0 n 。 由于分流器是作为高压直流电流传感器，结构应尽可能简单，不能采用强制风冷 及液体冷却的方式。3 k a 的额定赢流电流长期连续运行，同时又在自然风冷的情况下 要保证温升不大，选用通流截面大的鼠笼式分流器较为合适。下面根据上节的理论分 析及对分流器技术要求，对鼠笼式分流器作全面的设计分析。 分流器的二次额定输出电压u 2 ：在一次电流i ，一定的情况下，u 。增大，有利于提 高分流器后级的测量准确度，但u z 增大，其额定电阻会相应增大，其功耗亦会提高， 发热增加，不利于分流器的长期运行。常规分流器的u 。标称值有4 5 m y 、6 0 m y 、7 5 m v 、 1 0 0 m v 、1 5 0 m v 和3 0 0 m y 等。此处选用u 2 = 7 5 m v ，对应0 2 级准确度，其绝对误差在0 1 5 m y 以内。 这个选择兼顾了分流器的低功耗和后级检测电路的要求。 分流器的额定电阻蚧寺= 焉_ 2 5 x l o _ 6 q ( 3 _ 1 4 ) 分流器最大连续工作电流：= 3 0 5 3 a 4 华中科技大学硕士学位论文 分流器最大消耗功率： = ，矗r m = 9 3 2 1 1 0 6 2 5 x 1 0 “= 2 3 3 w( 3 - 1 5 ) 电流密度i 。：在长期连续运行的情况下，自然通风，锰铜制成的分流器电流密度 一般为2 0 a m m 2 3 0 m m 2 ，此处选取中间值= 2 5 a m m 2 。母线棒的电流密度 一般为1 0 a m m 2 1 3 m m 2 ，此处选取保守值= 1 1 m m 2 根据以上基本参数，设计了具有下列几何尺寸的鼠笼式分流器。分流器中间为柱 状锰铜合金，5 0 根分两层对称均匀排列，长l = 7 5 m m ，2 r = 6 m m ，n = 5 0 ，电位引出端位于 两侧铜接头上，其直径2 r = 1 9 0 m m ，铜接头梯形过渡为直径较小的铜柱体，右侧采用铜 软线相连，左侧铜接头与母线排相连。分流器接体结构安装图如图3 4 所示。 图3 4 分流器整体结构安装图 1 1 。连接头2 铜接头3 锰铜分流器4 2 。连接头5 铜软线束 6 3 。连接头7 螺母 华中科技大学硕士学位论文 4 空心线圈的测量原理和设计 4 1 空心线圈测直流谐波电流的工作原理及特点 近年来，电力系统谐波问题日益严重，主要因为电力电子设备及其新技术的大量 采用；为了节省原材料，铁芯设备的工作点更接近于饱和区，引起谐波的增加；电弧 炉用户的增多及其容量增大。这些因素导致电力系统谐波水平日益升高，成为相当严 重的危害。 过大的谐波进入交直流网络，将会产生的危害有：谐波在旋转电机和电容器中产 生附加损耗和发热；当系统结构具备谐振条件时，产生谐振而使送电不稳定；谐波会 恶化换流器的工作条件，引起逆变器换相失败或换流器控制不稳定；谐波在 2 0 0 3 5 0 0 0 h z 范围内，对通信设备的干扰较为严重嘲1 2 1 。 由于直流分量会引起铁心磁通偏移，常规用于测量交流谐波电流的铁心互感器在 直流系统中无法使用，法拉第磁光效应除温度和振动影响外，响应灵敏度太低也影响 了它在直流谐波测量中的应用。空心线圈测直流谐波电流则优点突出。 下面以应用最为广泛的环形线圈为例，说明空心线圈的工作原理。 环形空心线圈的结构如图4 1 所示。设空心线圈的平均半径为r ，载流导体从线 圈中心穿过，将导体看作无限长载流导体，由b i o t - s o w a n t 定理可知，被测电流在空 心线圈中距中心r 处的磁感应强度为： 坏2 取丢i 心= 4 石x 1 0 4 为真空磁导率( 4 - 1 ) 当空心线圈截面积s 相对很小时，可认为s 为一个点元，其上的磁感应强度处处相等， 通过该截面s 的磁通： 矿= 从l 心。 “2 艘 ( 4 2 ) 1 6 华中科技大学硕士学位论文 图4 1 环形空心线圈的结构 i 1 1 f a ll ： r 七| “脚 一a 如果环形螺骛小线圈截面积s 大小一致且均匀密绕，线圈总匝数为n ，则整个空 心线圈所交链的磁链为： 妒州t o 蠢心( 4 - 3 ) 值得注意的是1 3 l ：环形螺管小线圈以r 为半径形成了一个大的单线匝，单线匝内所交 链的磁链为甲与甲叠加。一般空心线圈绕制中，采用偶数层绕制且使其循行途径相 反，由此使得新的线匝中磁链甲。= 一甲，故： 甲= 1 壬，”+ 甲+ 甲= 、王，( 4 - 4 ) 当被测电流变化时： p ( r ) ：一塑一t o n s 一d i ( t ) ( 4 - 5 ) 、7 d t2 z rd t 在直流输电系统中： i ( t ) = i 一+ t ( r ) ，一为直流分量，i ( t ) 为谐波分量。 船一百i z o n s 型i t o n s 型( 4 - 6 ) 一 2 艘d t2 z rd t 由上式可见：线圈的感应输出只与被测电流中的谐波分量有关，而与直流分量无 关。也就是说，对被测电流中占比例较小的谐波分量，可以通过设计空心线圈传感器 的结构参数，获得较大的感应系数，而不受直流分量的影响。这个突出的优点，解决 了传统互感器工作点与直流分量大小有关的难题。 空心线圈体积小，结构简单，适合电力系统测量长期可靠的要求；同时在空心线 圈中无任何铁磁物质，动态特性好：二次输出可方便地转换为光信号，结合光纤可大 大简化高压绝缘设计；以上优点，使空心线圈作为高压直流谐波电流传感器极具研究 华中科技大学硕士学位论文 价值和实用价值。 4 2 空心线圈幅频特性分析 从空心线圈工作原理可知，空心线圈在测量电流时实际是一个微分环节，因此， 要对被测电流进行还原，还必须有一个积分环节。 根据积分电路的不同，空心线圈有两种不同的工作状态：自积分状态和微分状态。 图4 2 是空心线圈与采样电阻构成的测量电路，其中厶，分别是空心线圈的自感和 内阻，尼是采样电阻。 u 图4 2 空心线圈自积分测量电路 在谐波电流的测量中，其谐波频率最高不超过2 5 k h z ，而且线圈自感l 较小，应 取较大的尼，整个线圈工作是处在微分状态。还必须另外加一积分环节。另外由分 析得出，通频带的增菇和转折频率与采样电阻尼无关，或受尼变化的影响非常小。同 时可以采用带反馈电阻的运放积分器来解决灵敏度和频带难以兼顾的问题。 n ( d n ) 6 0 图4 3 如取不同值时的幅频特性曲线 对通频带内增益波动的要求不同，其转折频率也不同，如表4 1 所示。当对增益 8 华中科技大学硕士学位论文 要求为0 2 时，其上限频率可达7 2 2 5 x1 0 5 r a d s e c 。( 实际电路参数) 表4 1 增益波动范围不同时的转折频率 沁 o 1 o 2 o 5 1 甜，( r a d s e c ) 4 6 4 2 1 0 33 7 2 0 1 0 32 3 5 7 x 1 0 31 6 4 5 1 0 3 ( r a d s e c ) 6 2 0 6 1 0 57 2 2 5 1 0 。8 8 9 1 1 0 51 0 4 9 x 1 舻 目前，综合考虑上述诸多因素后，我们制作的空心线圈对应l o o h z 、i o o a 被测谐 波电流，线圈的感应输出为8 0 m y ，积分电路的输出约为l o o m y ，这对测量3 0 a 以上的 谐波电流可以满足要求。 必须注意的是，罗氏线圈是靠电磁感应原理来测最电流的，较强的外磁场将对其 二次绕组和测量回路产生干扰，故需屏蔽罗氏线圈，以减小测量误羞。 1 9 华中科技大学硕士学位论文 5 直流电流采集转换及处理电路的设计研究 5 1 高压侧直流电流信号处理电路的设计研究 分流器在额定一次电流i 时，对应输出7 5 m v 的直流电压信号供测量用，7 5 m v 直 流电压信号，在换流站的工作环境下，属于弱电信号，同时，它还可能伴有谐波及噪 声等干扰。直流输电系统要求互感器测量电流最大为额定电流i 。的6 倍( 短时过流1 ， 并在i 眦6 0 0 1 。范围内保证0 5 级的测量准确度：对单位阶跃响应，最大上升时问 4 0 0u s ；高压侧电路环境温度：一2 5 c 4 0 c 。本测量系统实质上采用的是开环直接测 量方法，该方法要求每个环节都要保证优良的线性及低噪声性能；攘个系统应能快速 响应，高压处理电路还应具有低功耗的特点。下面对高压侧电路中的低噪声放大、模 数转换器的快速响应及低功耗电路设计方法进行分析研究。 5 1 1 直流放大的低噪声和低漂移设计原理 为解决系统中积分器的运算放大器漂移问题，选择元器件时尽可能选输入失调电 压小的高性能运放，在积分电容两端并联大电阻，使电路对直流是一个闭环的负反馈 系统，可大大减小失调电压的影响。另外，在分合操作或系统发生短路故障时会在初 级回路中产生陡峭的电流波形，在罗柯夫斯基线圈的出线端产生高电压，为此需采取 措施保护积分器及其后的电子回路。在本系统中采用了两套积分器，用于证常情况下 的测景及故障时的保护，对这两个通道，根据使用中的不同要求，在电路上分别处理。 低噪声设计是所有多级放大必须面临的问题，合理的设计可有效抑制噪声的影响，提 高测量电路的准确度。解决直流漂移最有效的途径是采用斩波放大器。斩波放大器是 由两个放大器构成的低漂移放大器，如图5 1 所示。a 为主放大器，& 为辅助放大器。 若失调电压分别为v 惦。、v 。，则因失调电压引起的零位输出电压为： v 0 = 一a d 。v 惦。- v 。蛆a d ，a d 。，( 5 一1 ) 若将其折算到输入端，其等效失调电压为： v o w = v o ( _ a a a ) = k 。十v 髂。a 。k ：( 5 2 ) 华中科技大学硕士学位论文 可见，靳波放大器的失调电压主要取决于辅助放大器，即斩波放大器就是以降低辅助 放大器失调电压及其漂移的一种低漂移放大器。 v o 图5 1 斩波放大器原理图 德州仪器公司采用先进的l i n c m o s 工艺制成高准确度斩波稳零运算放大器，该工 艺连同其独特的斩波稳零电路一起，在温度、时间、共模电压和电源电压变化期间， 通过连续地高频斩波调零输入失调电压以获得极高的直流精度，与此同时，低频噪声 也显著降低。目前的斩波稳零运放已达到了亚微伏输入失调电压、亚微伏噪声电压， 失调电压随温度的变化被控制在n v c 范围以内。此类斩波稳零运算放大器的失调、 漂移及噪声等直流性能，已能满足本研究中毫伏级直流电压测量的要求。 逐次逼近式a d 转换器能满足系统对指标的要求。对于抗干扰能力不强的弱点， 则必须从结构设计和抗干扰防护上加以弥补。本测试系统选择的逐次逼近式a d 转换 器为a d 公司的a d 7 8 9 4 ，分辨率1 4 位，积分非线性为0 i ，功耗2 0 m w ，串行数字输 出，转换时间5 胛。由于原理上为