有源式电子电流互感器高压侧供能电路的设计研究毕业设.doc

摘要随着高压输电项目的开展，我国的电压等级向更高迈进。以及电力系统朝大机组、高电压、大电网、高自动化方向发展,系统的短路电流愈来愈大,传统的电磁式电流互感器的弊端日益凸现,而基于Rogowski线圈原理的有源型电子式电流互感器(ECT)因其测量精度高,响应速度快,无磁饱和等优点，于是电子式电流互感器已经成了国内外研究的热点，但有源型ECT的高压侧信号处理单元必须要有供电电源,因此有源电子式互感器高压侧电路的供能问题则是研究工作中的关键技术。本文首先简要地综述了电子式电流互感器的研究状况和发展趋势,然后重点介绍有源电子式电流互感器中高压侧电路的供电问题,对电子式电流互感器的工作原理作了分析，对国内外的研究现状进行了探讨,并对基于Rogowski线圈原理的有源型ECT作了整体的设计，得到了一些有益的结论。电流互感器是电力系统中的重要设备，本文选用一种适用于有源电子式电流互感器高压侧供能电源的的设计方案，通过CT取能，经整流，滤波，稳压等后续电路处理后，给高压侧提供稳定的12V电压。将该电路进行实验，成功得到测试结果，并应用protel软件完成其PCB电路板设计。关键词：电子电流互感器 有源式 高压侧电源 供能方式AbstractAlong with the development of hv-transmission project, our voltage rating to higher ahead. And power system toward large units, high voltage, power grid, high automation direction, system short circuit current, the traditional assolenoid style increasing the disadvantages of current transformer is the protruding, and based on the principle of the active Rogowski coil electronic current transformer (annual autocatalyst output) because of its high measurement precision, fast response, without magnetic saturation, etc. So electronic current transformer has become the hotspot research at home and abroad, but active type of high pressure side annual autocatalyst output signal processing unit must have the power supply, and therefore active electronic instrument transformer of high voltage side circuit problem is powering the key technology research work. This paper firstly reviewed briefly the electronic current transformer is research status and development trend, then the key introduction active electronic current transformer in high pressure side of the power supply circuit, the working principle of electronic current transformer is analyzed, and the research situation at home and abroad are discussed, based on the principle of the active type Rogowski coil the overall design annual autocatalyst output, and some useful conclusion are obtained. Current transformer is the important equipment power system, this paper selects a kind of suitable for active electronic current transformer is powering the high-pressure side, the design of power by CT take the rectifier, filtering, voltage circuit, such as processing, subsequent to high voltage side provide stable 12V voltage. PCB design of the circuit is completed by protel. The experiment is done with the circuit, and the test results are quite well. Keywords：electronic current transformer; active; high voltage power supply ; supply method目录摘要IAbstractII1绪论 11.1引言 11.2电磁式电流互感器面临的主要问题11. 3电子式电流互感器的更高要求 .11.4电子式电流互感器的生产及影响 .21.5电子式电流互感器的主要特点 .31.5.1电子式电流互感器的优点31.5.2电子式电流互感器的缺点 .41.6电子式电流互感器的发现状及应用前景51.7电子式电流互感器的研发难点及解决途径 .71.8本论文研究的主要内容 .82电子式电流互感器原理概述 92.1引言 .92.2常规电子式电流互感器原理概述 .92.3电子式电流互感器的简介 .102.4电子式电流互感器的工作原理 .112.4.1无源式电子电流互感器的分类 .122.4.2有源式电子电流互感器 .142.5电子式电流互感器的基本结构 .192.6本章小结 .203高压侧供能电路的研究 .223.1有源电子式电流互感器的基本原理 .223.2几种供能方法的分析比较 233.3已有供能方法的改进 .273.4组合供能方式的探讨 . 273.5新技术应用的可能 .273.6高压侧供电电路电源方案探讨 .283.7电源具体实现方案 .303.8原理图设计.353.9本章小结 .36结论 .37致谢 .38参考文献 .39附录大图电路原理图 401 绪论1.1 引言电流互感器是电力系统中较重要的高压设备之一，它被广泛地应用于继电保护、电流测量和电力系统分析之中。然而，随着现代科学的发展，许多传统的电力电气设备都已被采用高新技术的新设备取代。作为这一趋势的一个崭新的例证，电子式电流互感器（ECT）将有可能成为传统的电流互感器（CT）的更新换代产品。1.2 电磁式电流互感器面临的主要问题传统的电流互感器是电磁感应式的，它的主要优点在于性能比较稳定，适合长期运行。但随着输电线路电压升高到超高压与特高压，传统的充油式CT已暴露了出一系列内在的、致命的缺点，主要表现在：潜在的突然危险，例如，突然性爆炸及绝缘击穿引起单相对地短路等系统的不稳定因素；若输出的二次测负荷开路将会产生高压，对配电设备甚至人身安全造成危害；随着电网电压等级的不断提高，绝缘问题的解决，必然使得电流互感器体积增大，成本增高，设备变得极为笨重；由于电磁感应式电流互感器是用铁心制成，因此，对高频信号响应特性较差，这样，对高压线路上的暂态过程不能正确反应。它的二次侧输出对负荷要求很严格，若二次负载较大，测量误差就增大，准确度下降；对于高压及特高压电厂（站）来说，占地面积较大，传输二次侧的电信号距离较远，故要求使用的二次侧电缆的横截面积增大，容易产生干扰；维护工作量大，如对于油浸式电流互感器还要定期对绝缘油进行化验、测介质损耗和解决渗漏油等问题；目前使用的电磁式电流互感器在正常工作时磁通密度很低，而在系统发生短路故障时，由于远方短路电流很大，使磁通密度大大增加，有时甚至远远超过饱和值，从二次侧的电流与原电流相比，在大小和相角上不可避免地出现误差。13电子式电流互感器的更高要求我国超高压输电项目的开展，电压等级大幅增加，电网容量越来越大，对互感器提出了更高的要求，主要体现在以下几个反方面：1.向更高的电压等级迈进，要求绝缘安全可靠。对电压互感器而言，其绝缘应证在电网最高工作电压下长期工作，同时可以承受各种短时的过电压作用而不受损伤；2.当温度设计可靠，动热稳定性好。对电流互感器而言，在母线通过最大电流时，互感器各个部分的温升不允许超过设定值，以保证安全运行。同时在大电流下，一，二侧绕组要能够承受电动力的作用而不损坏。对电压互感器来说，要确保在一次电压 下，二次侧发生短路并历时1S时间内，互感器无热效应和机械性损伤；3.小型化，维护方便，适应市场和用户需求。1.4 电子式电流互感器的产生及影响随着超高压输电网络的建设，冲击电流达10 A甚至更大的电力装备的应用，传统的电磁式电流互感器很难满足电力系统的进一步发展要求，需要更理想的新型电流互感器。一种基于现代光电、半导体技术和计算机技术成就而发展的电气测量的新方法应运而生。与已知的在高压侧装置的一次和二次回路之间利用磁的，电的，无线电的，热的，辐射的，光耦合为基础的电流测量方法一样，光电方法是最有发展前景的方法之一。光电测量的物理原理是将输入的电信号变换成为光信号，光信号沿光通道传输又重新变换成为带有后级放大的电信号。这一电信号经过后级信号处理电路的处理后，将传送给计算机或继电保护等装置。利用光纤技术把高电位的电气信号传输到地面，可以很容易的解决绝缘问题。高压输电线上的电流测量问题完全可以用光纤技术来实现，利用光学和光纤通讯技术的研究成果，世界上的一些发达国家已经研制出了多台电子式电流互感器。这些新型的电流互感器具有高的测量精度，大的动态电流范围和宽的频率测量特性，能够满足表计和继电保护的数字化。这些电流互感器的基本测量部分与电压等级无关，应用于不同的电压等级时只要改变光纤的长度和绝缘套管的长度就可以了。电子式电流互感器对变电站自动化系统的影响主要有：(1) 简化了继保设备:目前电力系统中广泛用以微机为基础的数字保护，不需要大功率驱动，只需弱电信号就可以了，因此采用光电互感器不必经过电量变送器就可以将高电压，大电流变换为微机保护所需的电压电流水平。光电互感器模拟输出省去了继保的小CT,PT,光电互感器的数字输出省去了继保的AD.(2) 促进了微机保护的精度和可靠性：光电互感器促进了微机保护的发展，提高了微机保护的精度和可靠性，例如纵差保护的可靠性大大提高。(3)对电力系统的故障快速响应，灵敏性高：现有的保护装置由于受传统的互感器性能的限制，其保护原理基本上是基于工频量进行保护判断的。易受过渡电阻和系统振荡，磁饱和等影响，其保护性能难以满足当今电力系统向着超高压，大容量，远距离方向的发展要求。利用故障时的暂态信号量作为保护判断，是微机保护的发展方向。它对互感器的线性度，动态特性都有较高的要求，光电互感器能满足这一要求，而传统互感器则不能。(4) 促进变电站自动化的发展：光电互感器与 微机保护接口的标准化将大大促进光电互感器和变电站自动化的发展。(5) 满足电力系统精确计量的要求：光电互感器的测量精度高，可以达到0.2级，测量范围宽；输出数字信号，更方便与数字电能表接口；可动态显示和存储电能，有功无功功率等参数。(6) 可方便实现电力系统自动化功能：将电压电流传感器集于同一绝缘结构中，构成组合型光电互感器，大大提高性价比；光电互感器不仅可以做成独立式的互感器，而且可以装在GIS,PASS等高压开关和变压器的电流套管中，与其他光纤传感器一起使一次设备智能化和多功能化。(7) 有利于实现变电站数字化，光纤化和智能化：光电互感器的信号和传输形式都可以采用光缆实现，而光信号的突出优点和光纤通信技术的广泛采用使得变电站内部以及和上级站之间的数据传输更加可靠和迅速 。开创了未来光纤化变电站的美好前景。1.5 电子式电流互感器的主要特点1.5.1 电子式电流互感器的优点(1) 电子式电流互感器没有磁饱和，铁磁振荡等问题。由于电磁式电流互感器使用了铁芯，不可避免的存在磁饱和，铁磁共振和磁滞效应等问题，而电子式电流互感器采用的是磁光玻璃，光纤或电子线路，不存在这方面的问题。(2) 电子式电流互感器绝缘结构简单，绝缘性能好。电磁式电流互感器的绝缘结构非常复杂，尤其是对于电压等级比较高的电流互感器来说，绝缘部分要消耗大量的电工材料，体积也非常庞大；而电子式电流互感器由于采用了光纤和比较轻便的绝缘子支柱，其绝缘结构比较简单，绝缘性能也比较好。(3) 动态测量范围大，精度高： 电网正常运行时，流过电流互感器的电流并不大，但短路电流一般很大，而且随着电网容量的增加，短路故障时的电流越来越大。电磁式电流互感器因为磁饱和问题，难以实现大范围测量，不能同时满足高精度计量和继电保护的需要。电子式电流互感器有很宽的动态范围，额定电流可测到几十安培至几千安培，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。从而避免多个CT的冗余问题。(4) 抗电磁干扰性能好，低压侧无开路高压危险：根据电磁式电流互感器的测量原理，它的二次回路不能开路，低压侧存在开路高压危险。由于光电式电流互感器的高压侧与地压侧之间只存在光纤的联系，而光纤具有良好的绝缘性能，保证高压回路与二次回路在电气上完全隔离，低压侧没有因开路而产生高压的危险，从而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上的谐波，还可以进行暂态电流，高频大电流与直流电流的测量。而电磁式电流电流互感器则难以进行这诸多方面的工作。(6) 体积小，重量轻，运输与安装方便，节省空间：它可以用来测量电网中不同地点的电流。据美国西屋公司公布的345KV的光学电流互感器，其高度为2.7米，重量为109公斤。而同电压等级的充油电磁式电流互感器高为5.1米，重达2300公斤，这给运输与安装带来了很大的方便。因其重量轻，可以将其做成便携式的产品，用来测量电网不同地点的电流。(7) 没有因充油而产生的易燃，易爆炸等危险：电磁式电流互感器一般采用充油的办法来解决绝缘问题，这样不可避免的存在易燃，易爆炸等危险；而电子式电流互感器绝缘结构简单，可以不采用油绝缘，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，电流互感器应该能够提供数字化的电流信号，电子式电流互感器与电磁式电流互感器相比更容易实现这些功能。可以广泛的应用于电流测量，继电保护，高频分析等各个方面。1.5.2 电子式电流互感器的缺点：(1) 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，电子信号处理部分的线路将比较复杂特别是低电位侧的电子线路尤为突出。(2) 对于有源式电子电流互感器而言，传感头主要由电子线路组成，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，将大大影响到系统的精确度。此外，供电电源所能提供的能量有限，所以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的问题。 但是，这些缺点被认为是暂时的，随着光电子技术和计算机技术的进步，这些缺点是可以消除的。1.6 电子式电流互感器的研究现状及应用前景早在20世纪60年代，一些科技发达国家就开始着手研究电子式电流互感器，而到80年代末期就已具运行价值。目前，全世界已投入运行的电子式电流互感器已有不少，有些公司已经形成正规产品投放市场，如ABB公司，在1991年就宣布生产了用于计量和继电保护用的345KV电压等级的新型电流互感器。美国于 1988年左右就研制出用于 161KV 的电子式电流互感器，1992年又研制成功了345KV的电子式电流互感器。该互感器的最大测量值达2KA，准确等级为0.3级。此外，前苏联和日本也较早组织有关研究院和电力公司进行电子式电流互感器的研究，前苏联研制出电压等级达750KV的频率脉冲调制式的电子式电流互感器，而日本已研制成功300KV的电子式电流互感器及 1000KV的电子式电流互感器测量系统样品。在 2002 年国际大电网会议涉及保护与就地控制研究委员会的会议上，几个跨国公司介绍了他们研制和运用电子式电流互感器的成功经验。 ABB 公司介绍了混合输入（既有模拟量输入，又有数字量输入）的条件下误差保护的成功经验。西门子公司认为，采用电子式电流互感器、电压互感器的关键在于同步采样。解决的途径是：过采样，用极高的速率采样；在间隔层内实现同步；全站通过变电站自动化系统传输同步信号。法电集团公司（EDF）介绍了新型互感器的试验情况。他们在一个400KV变电站、一条170KV没有架空地线的线路（故障率大）上，装设法拉第效应光纤电流互感器，采用点对点通信协议与微机保护通信。试验从2001年开始，共9次故障，保护装置均正确动作。实验室试验和现场运行试验的结论是：新型互感器的精度和可靠性都有保障，通信协议灵活，可用于不同的功能，点对点通信节省投资。目前他们正在同一个变电站做进一步试验，包括安装测量表计以验证新型互感器的测量精度、采用Rogowski线圈的互感器的试验等。我国的一些厂商、科研院所和高等院校也在努力探讨研制电子式电流互感器，并取得一些理论上的成果。但真正应用于实际工程中时，仍然有一些具体的技术问题需要解决。例如，互感器的配置数量和安装位置、与二次设备的接口等，新型互感器的研制一定要和相关二次设备的开发同步进行，相关的单位需要密切配合，提出一个全面解决方案。沈阳变压器帮是我国最早开始研制电子式电流互感器的厂家之一，其在20世纪80年代就把研制出10KV的电子式电流互感器挂网运行，但在当时由于运行不太理想而后又被拆除。在1991年，由清华大学和中国电力科学院共同研制的110KV电子式电流互感器通过国家鉴定并挂网试运行。1993年底，由原华中理工大学研制成功的110KV电子式电流互感器在广东省新会供电局挂网试运行。随着电力系统输电电压不断提高和电网容量的不断增大，电力系统在发生短路故障时短路电流大大增加，非周期分量的衰减周期延长，系统要求保护切除故障的时间越短越好。随着微机保护技术的不断成熟和发展，为电力系统的安全运行提供可靠的保障。根据电力系统分析理论，我们知道，电力系统在发生短路故障时，按特征来分，其过程以时间的先后顺序可分为行波过程、电磁暂态过程和稳态过程。微机保护技术可以做到在电力系统发生短路而出现行波过程时，判断出系统发生故障和故障类型，从而以最短的时间切除故障。但由于电磁式电流互感器在系统发生故障时，在行波过程和电磁暂态过程中，由于受磁饱和及铁心对高频信号灵敏性不够的影响，不能将电力系统发生短路开始瞬间的高压侧丰富的频率信号如实而不失真地转变成二次侧信号，从而阻碍了微机保护的进一步发展电子式电流互感器有良好的应用前景。国际电工委员会关于电子式电流互感器标准的出台，以及我国已经酝酿起草的电子式电流互感器国家标准，预示着电子式电流互感器的产品化应用已初步具备了行业规范，为电子式电流互感器的市场化提供了基础平台。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510年中，电子式电流互感器会在各种电压等级的电网中大量安装和使用。国内外研究单位对电子式电流互感器的技术进行了近30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电子式电流互感器已经具备了产品化的条件。国内外不少企业斥资投入电子式电流互感器制造领域，也推动了电子式电流互感器的市场化应用进程。另外，国内已有公司针对无源型ECT的光学玻璃传感头中线性双折射问题，从传感头材料这个根本问题入手，投入巨资刻苦攻关，研制出热膨胀系数极小的ECT专用玻璃，一举攻克了这个困扰多年的技术难题，成功地研制出了采用光学玻璃电流传感头的无源型ECT，从而为我国无源型ECT研究开发开创了一条新路。1.7 电子式电流互感器的研制难点及解决途径电子式电流互感器高压侧电路的研究是研究有源电子式电流互感器研制中的关键技术，目前常用的供能方式主要有利用电流互感器或电容分压器从母线上取能，激光供能，太阳能供电及蓄电池供电等，本课题主要针对CT供能方式进行研究。CT供能的基本原理是利用特制CT从母线上感应电压，通过整流，滤波，稳压等后续电路处理后，给高压侧电子电路提供所必需的电源。采用这种方法面临两个困难：当母线电流处于空载等小电流状态时，如何保证电源的正常供应;而当母线处于超过额定电流的大电流状态,甚至是短路故障电流时,又要给予电源板足够的保护.为了解决这些问题，可采取以下措施：一是对CT铁心材料进行筛选，选择坡莫合金构造特制CT；二是设计了相应的控制方案，确保在母线电流变化比较大，尤其是出现大电流情况下，能够有稳定可靠的电源输出。采取这些措施后，在31000A的电流变化范围内，取得了5V的稳定电压输出。如选取铁基纳米晶材料构造CT铁心，并在过电压防护，能量泄放电路，电磁兼容设计等方面进行研究，能够提供两路5V和一路12V电源，各路电源的纹波均小于20mV，提供的总功率为200mW，确保了高压侧电路的正常工作。另外，其他供能方法如激光供能及太阳能供电方式如能在核心技术上取得突破，将具有更光明的应用前景。而在新型供能方法的研究上，超声波输电与微波输电方法在很多领域都有多年研究经验的积累，如能在某些技术难点上加以提高，有可能应用到有源电子式电流互感器中。1.8 本论文研究的主要内容(1) 有源式电子电流互感器实现高压侧对传感头的输出信号进行模拟量与数字量的转换，需要设计相应的电子电路，本论文将解决该电路的供能问题做为研究的主要内容。(2) 利用CT从母线上取能的电路设计即特制CT从母线上感应电压，通过整流，滤波，稳压等后续电路处理后，提供给高压侧电子电路所必需的电源。作出电路实物连接线路，并进行实验。(3) 根据所做电路完成相应的电路板设计.2 电子式电流互感器原理概述2.1引言 电流互感器是电力系统中计量和继保所需要的重要设备，新型的电子式电流互感器以无磁饱和，测量精度高，响应频带宽等突出的优点而成为研究的热点，根据高压部分是否需要供电，电子式电流互感器（ECT）可分为有源电子电流互感器和无源电子电流互感器。本章对几种电子式电流互感器的工作原理和整体结构进行了介绍。2.2常规电子式电流互感器原理概述电流互感器是变换电流大小的互感器,其二次电流与一次电流实质上成正比,相位差接近于零.电流互感器按其用途可分为测量用电流互感器和保护用电流互感器,有时一台互感器可兼作两种用途.测量用电流互感器的用途是传递电流信号给指示仪表,计算仪表,以测量线路正常工作时的电流和电能.对测量用电流互感器的主要要求是:在规定的负荷下有足够的准确度;同时为保护测量仪表,其最大二次电流应有一定的限制. 保护用电流互感器分为稳态保护和暂态保护,稳态保护用电流互感器常用于系统的过负荷,发电机的接地保护,以及发电机,变压器的差动保护.具有良好的暂态特性的电流互感器要求能够在要求的时间内,不失真的将一次电流转换为二次电流,为电力系统继电保护装置提供不失真的电流测量. 准确级电流误差（%）下列额定电流时（%）相位差，在下列额定电流时（%）( ) crad5201001205201001205201001200.10.40.20.10.1158550.450.240.150.150.20.750.350.20.2301510100.90.450.30.30.51.50.750.50.5904530302.71.350.90.91.03.01.51.01.01809060605.42.71.81.8表2-1 测量用电流互感器的误差限值控制室部分2.3 电子式电流互感器的简介 国际电工委员会为电子式电流互感器专门制定了标准.该标准不但对电子式电流互感器的各部分包括传感头,过程层和间隔层之间的通讯等等都作了详细规定而且还对电子式电流互感器的测试做了规定,对电子式电流互感器的一些重要参数作了严格定义和规定.由于以前的系统采用电磁式电流互感器,使用模拟接口,为了与原有的系统兼容,允许电子式电流互感器带有数字输出接口外,还应该有模拟输出接口.电子式电流互感器的应用技术主要考虑到以下几点： (1) 数据同步的问题数据同步问题是指二次设备需要采样的数据是在同一个时间点上采得的.即采样数据的时间同步,以避免相位和幅值产生误差.对于电磁式互感器的输出信号就不存在这个问题.解决同步问题有差值计算和使用两种方法.差值计算是由二次设备完成的,根据互感器提供的若干个时间点上的采样值,差值计算得到需要时间点上的电压电流值.使用则是站内统一的时钟信号,互感器在送出的采样值中打上时标,提供给二次设备.(2) 数据的实时传输问题通常应用在变电站自动系统各层中有大量的数据需要交换其中间各层和过程层需要交换的数据有互感器的电流电压采样实时数据,对设备的控制命令,对设备的监测和诊断数据.现代变电站的设备都是数字装置,电子式电流互感器直接提供数字信号,简化了数字装置的硬件结构;传送的是数字信号,不受负载的影响,系统误差仅存在于传感头自身,减小了系统误差;其输出的数字信号可以方便的进行数字通讯.以上诸多特点,将会对变电站产生综合影响.2.4 电子式电流互感器的工作原理电子式电流互感器的实现方法有很多种，总的来说，可分为有源式和无源式两大类。无源式电子式电流互感器的传感头 部分不需要电源，例如采用法拉第磁光效应的电子式电流互感器。有源式电子式电流互感器的传感头部分需要电源供给，例如采用激光供能的电流互感器。下图为电子式电流互感器的基本原理图：测量通道线圈保护通道线圈速饱和电流互感器A/D转换器电压监视DC-DC变换温度监视LED数据LED时钟数字仪表PC机D/A转换控制及信号处理PIN光转换PIN光转换高压母线绝缘子传感头部分时钟数据图2-1电子式电流互感器基本原理图2.4.1无源式电子电流互感器的分类无源式电子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以及混合型电流互感器三种。 (1) 磁光式电流互感器磁光式电流互感器是利用法拉第磁光效应的原理即磁致光旋转效应对电流进行测量的：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大小发生旋转。通流导体周围线偏振光偏振面的变化，就可以间接的测量出导体中的电流值。由于目前尚无高精度测量偏振面旋转的检测器，所以通常采用检偏器将线偏振光的偏振面角度变化的信息转化为光强变化的信息， 图2-2 磁光式电流互感器测量原理图然后通过光电管将光信号变为电信号，并进行放大处理，以正确反映最初的电流信息。这种电流互感器要求磁光晶体传感头具有较稳定的工作条件，而且在外界应力，温度等条件变化的情况下，保护较稳定的V常数，因此对系统的电子电路系统的稳定性要求较高。(2) 全光纤型电流互感器全光纤型电流互感器是指传光，传感部分都采用光纤。从原理上可分成光纤干涉型与全光纤效应型两类。光纤干涉型电流互感器又可分为利用光纤Mach-Zechnder干涉仪和利用全光纤Sagnac干涉一两种，但FOCT中最具代表性的还是基于法拉第次光效应型。为了减少温度的影响，传感头一般在导线上绕有n圈光纤，并有消除双折射的特殊结构设计。这种传感头具有结构简单，灵敏度可随光纤的长度变化而变化等特点。但在实现挂网运行中遇到提高精确度与长期稳定性的理论及实践问题，很复杂，需在理论与工艺性能等方面开展深入的研究。(3) 混合型电流互感器混合型电流互感器是只传光采用光纤，传感采用磁光材料，一般采用磁光玻璃。通过仔细选择传感头的光学材料与结构，制作出高性能的电流互感器。根据传感头是否带有铁心，可分为加集磁环式混合型电流互感器与闭环式混合型电流互感器。加集磁环式混合型电流互感器传感头部分光路比较简单，但由于有铁心，仍存在故障电流下的饱和，磁滞现象及铁心材料的非线性及温度效应，加上测量结果根通流到体的位置有关，影响因数较多，使该类电流互感器难以实现高精度测量，因此高精度测量设备很少采用这种设计方案。 图2-3 加集磁环式混合型电流互感器原理图闭环式混合型电流互感器结构设计主要考虑线偏振光在两种不同界面上发生全反射时，电矢量相互垂直的两个分量之间要产生相位差而影响测量精度。为了减少这一相差影响，光路设计时要考虑相位补偿。常见的补偿方法是让光在改变光路方向时经过俩次全反射，前后两次全反射的入射面相互垂直，是相互垂直的两分量经过两次全反射后相移的大小相同，而总的相位查恰巧被抵消为零。这种方法具有几何特点，故被称之为几何相位补偿法。2.4.2 有源式电子电流互感器有源式电子电流互感器又被称为电子式光纤电流互感器。这种电流互感器与无源式电流互感器相比主要的不同之处在于它在高电位侧的传感头采用的是电子器件，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。根据传感头的采样方式以及信号调制方式不同，可分为调幅时，压频转换采样式和AD转换式三种电子式电流互感器。 (1) 调幅式电子电流互感器调幅式电子电流互感器结构图如图2-3所示。其具有结构简单，高速动作的特点。相角误差可以通过调节放大电路的内部相移而减小，但是要求发光二极管和光敏二极管的温度不稳定性进行特殊的补偿措施。理论和实验均表明，沿光纤被测电流的信息和校正信息一起传输是最好的解决办法。但是由于光纤传输的是模拟信号，温度和其他噪声因素对电路的影响比较大，系统工作不够稳定，因此调幅式电子电流互感器应用起来有一定困难。采样线圈电源供应E/O变换校正信号发生E/O变换滤波器放大校正信号解调解调器负载光纤U out 高压母线 图2-4 调幅式电子电流互感器结构图(2) VCF式电子电流互感器VCF式电子电流互感器的结构如图2-4所示。母线电流经过采样绕组后进入压频转换电路，即V/F转换后，电流的变化将被转变成脉冲频率的变化。这一脉冲信号经过电光变换器件后，变为光脉冲，经过光纤传到地电位侧。地电位侧的光电转换期间将光信号还原成电信号，经过放大器的放大后进入频率-电压转换电路，即FV转换部分。这样，母线侧的电流信号就可以变成可以反映在示波器上的模拟信号。也可以将该电信号送入单片机或微机进行信号处理，完成电能计量，继电保护，在线测量等功能。采用VF变换器的主要优点是结构简单，占用的计算机资源较少，精确度，抗干扰性能比较高，比较适合信号的远距离传输，比较容易满足同是传输多路信号的需要。 采样线圈时序控制电路V/F变换稳定的电源供应O/E变换前置放大F/V变换单片机示波器观测微机光纤U out 高压母线E/O变换图2-5 使用VFC的电流互感器(3) ADC式电子电流互感器ADC式电子电流互感器的工作原理：传感头对高压母线电流进行采样，然后将采样得到的电信号送到电光转换器件转换成光信号，由光纤将光信号传递到低压位侧。在低压位侧光信号经过光电转换元件变成电信号，进过信号处理系统处理后输出。ADC式电子电流互感器的结构如图2-5所示，这种互感器与VCF变换器的结构类似，但他又有如下的特点：高电位侧用A/D变换器取代了VF变换器，地电位侧用D/A变换器取代了F/V变换器；经过A/D转换出的信号驱动LED通过光纤将光信号串型串疏导地电位侧，经过放大器的放大后，在经过D/A转换器将数字信号还原成为模拟信号。随着集成电路工业的发展，A/D转换器件的品种越来越多，转换器的精度越来越高，转换时间在不断的减小。这些新产品的出现使得高电位侧采用A/D转换期间进行采样成为可能。由于A/D转换器对时序有要求，必须在高电位侧加上时序控制电路。在A/D转换式电流互感其中，常常要求传输多种信号，如温度，电压信号等。光纤传输一般采用两种方式，一种是多路频分复用，即将要传输的信号调制在不同的频率上， 在用同一根光纤传输，同样在信号接受方进行频率的解调，从而获得不同的信号。另一种方式是采用多路时分复用，即在不同的时段传输不同的信号，在接收端通过采样线圈时序控制电路A/D变换稳定的电源供应O/E变换前置放大D/A变换微机处理示波器观测低通滤波器光纤U out 高压母线E/O变换 图2-6 ADC式的电流互感器的结构不同的时段标志将信号解调出来。因此在这种情况下，为了将多路信号传送到低电位侧，必须采用两根光纤传递信息，一路是时钟信号，而另一路是数据采样信号。 ADC式电子电流互感器的主要优点是，由于A/D变换器的转换精度比较高，可以通过选用合适的A/D变换起来满足系统对精度的要求，传感头的功耗比较小，接收端的电路相对比较简单，可以直接和计算机进行数据传输。目前，英国的南安普顿大学已经研制出了这种光电电流互感器，他们通过采用中大规模CMOS集成电路，传感头的电功耗仅为1mW而传感头的电源提供是靠一个20mW左右的激光器提供的光能量通过硅光电池转化成为电能得到的，传感头通过多个物理传感器将多路采集信号传递给低电位电路，数据传递时钟2KHZ，传感头通过两路光纤将同步时钟和数据信号传递给低电位侧的接收电路。尽管这套系统的电功率很小，但是据报道，由于A/D转换器的转换时间较长，为1.28ms。由此引起的相角误差比较大，大约相当于23度的角差。系统的角差并不能够满足一般电力系统的要求。有源式电子电流互感器的研制过程中面临的主要问题是高电位侧传感头的电源供应问题和电磁兼容问题。由于传感头完全采用了电子线路，而它的电源供应是通过光电池等光电转换器件得到的，如果传感头电子线路消耗能量过大，那么也必将要求能量提供单元提供更高的能量输出，这会将整个系统的结构复杂化。因此，应该尽量减少电子线路的功率消耗。以有限的能量实现较为完整的功能。此外，由于传感头安装在高压输电线附近，电流流过母线将会造成空间强大的电磁辐射，这些辐射将对传感头电子线路产生比较强的电磁干扰，影响系统的可靠性。因此，对传感头采用适当的抗干扰措施和电磁屏蔽方法也是非常必要的。(4) 有源组合式光电电流互感器有源组合式光电电流互感器的电路工作原理如图2-6所示,它同时可以实现电流和电压的测量。传感头的电源采用串级变压器供能。根据电路所处的电压环境可以分为高压端电路和低压端电路。高压端电路主要由电压电流传感器，信号放大电路，A/D采样电路与编码电路组成。电流传感器采用Rogowski线圈。由于是空心线圈，它具有以下优点：二次电压与一次电流，频率成正比：不存在直流偏流和过电流的饱和问题，频率范围宽，响应快等。采用电容分压器提取电压信号，测量仅存在幅值误差而不存在角差问题。幅值误差完全可由CPU进行计算修正。为了提高测量精度以满足实际需要，测量电路设置8个档位，可测量40倍的额定电流与10倍的额定电压。电路可根据输入情况自动换档，并将档位状况送至A/D与编码电路，以便A/D选取模拟通道与对档位进行编码。编码的作用如下：方便提取时钟；提供桢的起始与终止序列；可采用前向差错控制纠错（FEC）编码后的信号经光纤传至低压端电路进行处理。在低压端电路中，信号经信号放大电路去噪整形后送至同步与解码电路。同步与解码电路的作用是产生时钟信号，转换结束信号与恢复原始A/D信号。根据转化结束信号CPU对Rogowski线圈的测量结果进行积分计算，并对积分结果与电压采样信号进行幅值与相位角修正。为了便于使用，互感器提供了数字信号输出与模拟信号输出端口。数字信号输出端口为系统的自动化控制提供了方便，模拟信号输出端口为用户的改型提供方便。光电转化信号输出接口同步解码电路光纤模拟信号生成电路CPU低压端信号放大电路电容分压器高压端模拟通道选择电路编码电路信号放大电路A/D采样电路导线Rogowski线圈图2-7 数字组合式光电互感器的电路原理结构2.5 电子式电流互感器的基本结构系统组成如图2-8给出了电子式电流互感器的整体结构图.系统分为高压端和低压端两部分,高压部分包括传感头,转换器,电压和温度的监视电路,电源部分,低压部分包括时序控制发生器,数据存取以及与机接口电路,模拟量输出部分.系统中的高压部分和低压部分用既能传输光信号有能起绝缘作用的光纤连接起来.测量通道线圈保护通道线圈速饱和电流互感器A/D转换器电压监视DC-DC变换温度监视LED数据LED时钟数字仪表PC机D/A转换控制及信号处理PIN光转换PIN光转换高压母线绝缘子传感头部分时钟数据图2-8 系统组成结构图2.6 本章小结本章主要介绍了几种电子式电流互感器的基本工作原理。总体上讲，这几种光电电流互感器的可行性都比较高，但各有其优缺点。 无源式电子电流互感器的优点在于其传感头在设计上没有电源供应的问题，但是这种互感器在技术上与磁光材料的选择有密切的关系，而且，磁光材料在外界环境的温度压力等参数变换的情况下的稳定性也是一个技术上难以解决的问题。有源式电子电流互感器的优点在于采样精度比较高，结构更加简单，比较容易和计算机实现直接通信，但是它的缺点在于传感头的电源供应和传感头的工作稳定性的问题，存在精度低，电子线路工作不稳定以及抗干扰能力差等缺点。综合以上情况，本文将稳定的电源供能方式作为研究对象。 3高压侧供能电路的研究 3.1 有源电子式电流互感器的基本原理典型的有源式电子电流互感器的基本原理见图3-1，它分为高压侧电路，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