（检测技术与自动化装置专业论文）有源型光电电流互感器的研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 有源型光电式电流互感器的研究 摘要 传统的电流互感器受其自身机理的限制 已难以满足现代电力系统在线检测 高准确度故障诊断 计算机控制与管理等发展需要 而光电电流互感器具有动态范 围大 测量精度高 频率响应范围宽 体积小 重量轻 节约空间 抗干扰性好 安全性能高等优点 顺应了电力系统的测量 控制和保护向数字化 微机化和智能 化方向发展的要求 成为电流互感器发展的主流趋势 本文首先简单地介绍了传统电流互感器的概念和发展概况 然后介绍了光电电 流互感器的研究现状 发展概况 探讨了光电电流互感器的设计原理 最后给出了 有源型电流互感器的详细设计方法 通过对各种电源优劣的比较 综合小型电流互感器 1 a 在线供能和电池供能 的优点 提出了1 a 在线采集电压信号驱动电池管理电路 锂离子电池供电的方案 采用依据法拉第定理的r o g o w s k i 线圈作为传感头 提高了测量精度 从根本上解决 了传统电流互感器易饱和的缺陷 传感电路采用光纤传输 传送速率高 误码率低 绝缘性能好 无危险 f p g a 为d a 转换提供时序并协调d a 转换与高压端的a d 转 换 保证了数据的准确传输 低压侧采用d s p 芯片对信号进行处理 以便于实现测 量 控制 保护的数字化 智能化 最后 对研究内容作出总结 指出研究的不足 之处 并展望了该领域的研究方向 关键词 有源型光电电流互感器 r o g o w s k i 线圈 f p g a a d 转换 d a 转换 d s p e o 转换 o e 转换 浙江工业大学硕士学位论文 t h er e s e a r c h e so nt h ea c t i v ee l e c t r o o p t i c a lt y p e c u r r e n tt r a n s f o r m e r a b s t r a c t t 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 sa r ch a r dt om e e tt h ed e v e l o p m e n t a lr e q u i r e m e n to f t h eo n l i n et e s t i n g h i g ha c c u r a t eh i t c ht e s t i n ga n dt h ec o m p u t e rc o n t r o l l i n gb e c a u s eo f i t s o w nm e c h a n i s ml i m i t s a n dt h ea c t i v ee l e c t r o o p t i c a lt y p ec u r r e n tt r a n s f o r m e r sh a v e b e e nt h eh e a df i d eb e c a u s et h e yh a v et h eg r e a t e rd y n a m i cb o u n d h i g h e rt e s t i n g a c c u r a c y w i d e rf i e q u e n c ya n s w e r i n gb o u n d s m a l l e rc u b a g e l i g h t e rw e i g h t m o r es a v i n g l o o m b e t t e ra n t i j a m m i n g h i g h e rs e c u r i t ya n dm o r es i m p l ec o n f i g u r a t i o n t h o s ev i r t u e s a r ec o n f o r m a n c et ot h ed e v e l o p m e n t a lr e q u e s to ft h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m st e s t i n g c o n w o l l i n ga n dp r o t e c t i n gw h i c ha r et o w a r d st o t h e d i g i t a l m i c r o m a t i o na n d i n t e l l i g e n t i z i n gd i r e c t i o n f l r s t t y t h i sp a p e r i n m d u c e st h ea m e n tt r i m s f o r m e r s c o n c e p t a n dt h e d e v e l o p m e n t a ls i t u a t i o ns i m p l y s e c o n d l y s t r e s s i n gt h er e s e a r c ha c t u a l i t ya n dt h e d e v e l o p m e n t a ls i t u a t i o n o ft h e e l e c t r o o p t i c a lt y p e c u r r e n tt r a n s f o r m e r s t h i r d l y d i s c u s s i n gt h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h ee l e c t r o o p t i c a lt y p ec u r r e n tt r a n s f o r m e r s f i n a l l y p r e s e n t i n gt h ep a r t i c u l a rd e s i g nm e t h o d t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r dt h ep r o j e c tt h a ti st h et a so n l i n eg a t h e r i n gv o l t a g ef o r d r i v i d gt h eb a r e r i c ss u p c r v i s c dc i r c u i ta n dt h el i l o ns u p p l y i n gp o w e rb yc o m p a r i n gt h e v i r t u e sa n dt h ef l a w s t h i sp r o j e c tc o l l i g a t e st h ev i r t u e so f t h es m a l lc u r r e n tt r a n s f o r m e r s p o w e rs u p p l ya n dt h eb 刮脚e s w eu s et h er o g o w s k ic o i la st h et r a n s f o r m e rh e a d 浙江工业大学硕士学位论文 a c c o r d i n gt ot h ef a r a d a yt h e o r y t h i sm e t h o da d v a n c e st h et e s t i n ga c c u r a c ya n ds e t t l e s t h ef a c i l e s a n u m t e df l a wa b o u tt h et 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 sr a d i c a l l y s e n d i n g c i r c u i tu st h eo p t i c a lf i b e rt ot r a n s m i t w h i c hh a st h eh i g ht r a n s m i t t e dr a t e l o wm i s t a k e c o d er a t e g o o di n s u l a t e dc a p a b i l i t ya n dn od a n g e r f p g ao f f e r st h et i m i n gf o rt h ed a c o n v e r s i o na n dc o r r e s p o n d st ot h et i m i n gb e t w e e nt h ed ac o n v e r s i o na n dt h ea d c o n v e r s i o na tt h eh j g hv o l t a g es i d ew h i c he n s u r e st h ed a t ew a n s m i t t i n gt r u l y a tt h el o w v o l t a g es i d ew eu s et h ed s pc h i pt od e a l i 也t h es i p s ot h a ti tc 锄b ee a s yt om a k e t h et e s t i n g c o n t r o l l i n ga n dp r o t e c t i n gt ot h ed i g i t a l i n t e l l i g e n t i z i n g a tl a s t w e 曰珊t h i s p a p e r sr e s e a r c hc o n t e n t p o i n t i n go u tt h et h er e s e a r c hd e f a u l t a n dp r o s p e c t i n gt h e r e s e a r c ho r i e n t a t i o n k e yw o r d s a c t i v ee l e c t r o o p t i c a lt y p ec 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 f p g a a dt r a n s i t i o n d at r a n s i t i o n d s po em m s r i o n e ot r a n s i t i o n i i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所提交的学位论文是本人在导师的指导下 独立进行研 究工作所取得的研究成果 除文中已经加以标注引用的内容外 本论文不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 也不含为获得浙江工业大 学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料 对本文的研究作出重要贡献 的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人承担本声明的法律责任 作者签名劫啦佛 日期 如产 月习日 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 本人授权浙江工业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 不保密口 请在以上相应方框内打 中 作者签名 砌钍乍 日期 叼年胁月研日 导师签名 i 绷 日期 1 年侈月呷日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 电流互感器是电力系统的眼睛 是电力系统自动化最基本的测量设备之一 电流互感器是一次系统和二次系统问的联络元件 用以向继电保护 自动装置 和测量仪表的电流回路供电 正确反映电气设备的正常运行和故障情况 电流互感 器 1 a 是电力系统中广泛采用的电流传感及变送设备 它将高低压一次系统的大 电流变换成低电压的标准电流信号 传送给二次设备迸行测量 控制和保护f 根据国家标准 g b l2 0 8 1 9 9 7 对电流互感器的要求 电流互感器分为两类 测 量用互感器和保护用互感器 对于测量用电流互感器的要求是在正常工作条件下能 真实地传变一次侧电流 以保证与之相连的二次测量设备测量准确 对于保护用电 流互感器 则要求其在短路故障情况下 在一定的过电流值范围内仍能输出符合要 求的二次电流 以保证与之相连的继电保护装置的正确动作 此外 根据电力系统 要求切除短路故障和继电保护动作时间的快慢 对保护用互感器保证误差的条件提 出了不同的要求 在电压比较低的电网中 继电保护动作的时间相对说来比较长 可达0 5 秒以上 此时短路电流已进入稳态值 因此对互感器规定稳态下的误差就能 满足使用要求 这种互感器称为一般保护用电流互感器 而对于高压超高压线路 一方面是短路电流不仅数值大而且非周期分量衰减时间变长 另一方面 为了避免 电力系统稳定性的破坏 要求切除故障的时间变短 继电保护动作的时间通常规定 在0 1 秒以内 此时电流互感器还处在暂态工作状态中 因此必须对电流互感器提出 保证暂态误差的要求 这种互感器称为暂态保护用电流互感器 无论哪一种电流互 感器 真实地传变一次电流 正常工作电流或短路暂态电流 是其基本要求 这对于 电流测量和继电保护动作的准确性具有极为重要的作用 同时也是减少互感器测量 误差和提高互感器工作性能的关键田 电流互感器在电力系统中具有广泛的应用口 无论是生产电能变换电能还是传 输电能的设备 也无论是低压小功率设备还是高压大功率动力系统 电流互感器都 浙江工业大学硕士学位论文 是不可缺少的一部分 其准确度和可靠性与电力系统的安全 可靠 经济运行紧密 相关 其作用体现在以下几方面 1 与测量仪表结合 对线路的电流进行测量 与继电器配合 对电力系统 和设备进行保护 将一次回路的大电流变为二次回路的标准值 通常额定二次电流 为5 a 或1 a 使保护装置和测量仪表标准化 2 所有二次设备可用小电流的控制电缆联接 使屏内布线简单 安装方便 同时便于集中管理 可实现远方控制和测量 3 使二次设备和工作人员与高电压部分隔离 且互感器二次侧均接地 从 而保证了设备和人身的安全 国家标准 g b l2 0 8 1 9 9 7 按电流互感器用途的不同规定了不同的电流互感器 准确级别 测量用电流互感器分为0 1 o 2 0 5 l 3 5 共六级 有特殊使用要 求 如与特殊电度表相连 在1 n 1 2 0 额定一次电流范围内作准确测量 的电流互 感器分为0 2 s 和0 5 s 两级 保护用电流互感器分为5 p 和1 0 p 两级1 2 1 2 课题研究的目的和意义 目前电力系统多采用传统的电磁感应式电流互感器 电压互感器和电容式电压 互感器实现对电压 电流信号的测量 电磁式互感器基于电磁感应原理工作1 4 1 它的一次线圈串联在一次系统线路上 二次线圈接仪表和继电器 如图1 1 所示 电流互感器的结构较为简单 由相互绝缘的一次绕组 二次绕组 铁心以及构 架 壳体 接线端子等组成 其工作原理与变压器基本相同 一次绕组的匝数 n 较少 直接串联于电源线路中 一次负荷电流 i 通过一次绕组时 产生的交变磁 通感应产生按比例减小的二次电流 1 2 二次绕组的匝数 n 2 较多 与仪表 继电 器 变送器等电流线圈的二次负荷 z 串联形成闭合回路 一次线圈内的电流 取决于线路的负荷的大小 与二次负荷无关 接在二次侧 的测量仪表和继电保护系统回路的各类继电器的线圈阻抗都很小 所以电流互感器 在正常运行时 接近于短路状态 这时电流互感器与变压器的主要区别 2 新江工业大学硕士学位论文 镁o 图1 1 电磁式电流互感器原理图 从1 8 3 0 年法拉第发现电磁感应定律 1 8 8 2 年第一台互感器设计出来以后 电 磁式互感器经历了一百多年的发展 从铁心材料 制作工艺的不断改进 到为提高 测量的准确度而采取的各种补偿措施 电磁式电流互感器已经发展到相当成熟的阶 段 电磁式互感器具有在线性范围内测量准确度高 制造工艺成熟 试验校验规范 有国家标准可以依据等优势 在很长的时间内适应了电力系统测量要求1 5 l 但是电 磁式互感器受其传感机理的限制 某些性能仍然无法令人满意 主要存在的问题如 下 体积大 动态范围小 使用频带窄 电磁式电流互感器存在铁磁谐振 二次侧 不能开路 采用变压器油绝缘的互感器还存在爆炸危险 过去为了便于继电保护自 动装置和测量仪表等二次设备在设计制造时的标准化与系列化 通常规定电压互感 器的二次额定电压为1 0 0 v 电流互感器二次侧额定电流为5 a 或l a 然而随着微 机保护技术和现代测量装置的发展 继电保护装置和二次测量及其自动装置不需要 大功率驱动 传统互感器的输出信号不能直接和微机相连 难以适应电力系统自动 化 数字化发展的趋势 6 j 研 上述问题说明 传统的电磁式互感器已经难以满足现 代电力系统在线检测 高准确度故障诊断 计算机控制与管理等发展需要 寻求更 理想的新型电压 电流互感器势在必行 4 随着光电子技术的迅速发展 许多科技发达国家已把目光转向利用光学传感技 术和电子学方法来发展新型的电子式电流互感器 简称光电电流互感器 光电互感 器与传统电磁式互感器比较主要有以下几个优点 1 优良的绝缘性能以及便宜的价格电磁感应式电流互感器的高压母线与二次 浙江工业大学硕士学位论文 线圈之问通过铁芯耦合 它们之间的绝缘结构复杂 其造价随电压等级呈指数级上 升 光电电流互感器 o c t 所用材料为玻璃光纤等绝缘材料来传输信息 所以绝缘 结构简单 其造价一般随电压等级升高略有增加 2 不含铁芯消除了磁饱和和铁磁谐振等问题电磁感应式电流互感器由于使用 了铁芯 不可避免地存在磁饱和及铁磁共振和磁滞效应等问题 而o c t 则不存在这 方面的问题 3 抗电磁干扰性能好 低压边无开路高压危险电磁感应式电流互感器二次回路 不能开路 低压边存在开路危险 由于o c t 的高压边与低压边之间只存在光纤联系 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 低压 边开路无高压危险 免除电磁干扰 动态范围大 测量精度高电网正常运行时电流互感器流过的电流并不大 但 短路电流一般很大 而且随着电网容量的增加 短路电流越来越大 电磁感应式电 流互感器因存在磁饱和问题 难以实现大范围测量 同时满足高精度计量和继电保 护的需要 o c 晴很宽的动态范围额定电流 可测到几十安培几千安培 过电流范 围可达几万安培 一个o c t 可同时满足计量和继电保护的需要 可免除多个1 a 的冗 余需求 5 频率响应范围宽传感头部分由于采用r o g o w s k i 线圈 不存在饱和 可以测 出高压电力线上的谐波 还可进行电网电流暂态 高频大电流的测量 而电磁感应 式电流互感器难以进行这方面的工作 鳓没有因充油而产生的易燃 易爆炸等危险电磁感应式电流互感器一般采用充 油的办法来解决绝缘问题 这样不可避免地存在易燃 易爆炸等危险 而光电式电 流互感器绝缘结构简单可以不采用油绝缘 在结构上可避免这方面的危险 7 体积小 重量轻 节约空间光电式电流互感器传感头本身的重量一般小于l k g 据美国西屋公司公布的3 4 5 k v 的磁光式电流互感器 m a g n e t o o p t i c a lc u r r e n t t r a n s f o r m e r m o c t 高度为2 7m 重量为1 0 9k g 而同电压等级的油浸式电流互感 器高为5 3m 重量为2 3 0 0k g 这给运输和安装带来了很大的方便 8 适应了电力计量和保护数字化 微机化和自动化发展的潮流随着计算机和数 字技术的发展 电力计量与继电保护已日益实现自动化 微机化 电磁感应式电流 互感器的5 a 或1 a 输出规范必需采用模数转换技术才能与计算机接口 而光电式电流 浙江工业大学硕士学位论文 互感器本身就是利用光电技术的数字化设备 可直接输出给计算机 避免中间环节 9 对变电站自动化系统的影响 光电互感器简化了继保设备 目前电力系统中广泛应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 电量变送器等设备就可以将高电压大电流变换为微机保护所要求的电压电流水平 光电互感器模拟输出省去了继保的小t a t v 光电互感器数字输出 省去了继保的 模数转换 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 例如使纵差保护的可靠性大大提高 对电力系统的故障快速响应 灵敏性高 现有的保护装置 包括微机保护 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 磁饱和等的影响 其保护性能难以满足当今电力系统向 着超高电压 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等都有较高的要求 光 电互感器能满足这一要求 而传统互感器则不能 促进变电站自动化的发展 光电互感器与微机保护接1 3 的标准化将大大促进 光电互感器和变电站自动化的发展 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n o 2 级 测量范围宽 输出数字信号更方便与数字电能表接1 3 可动态显示和存储电能 有 功无功功率等参数 光电互感器更容易满足电力系统精确计量的要求 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o i s p a s s 等高压开关和变压器的电流套管中 与其它光纤传感器一 起 使一次设备智能化和多功能化 有利于实现变电站数字化光纤化和智能化 光电式互感器的信号和传输形式 都可以采用光缆 光纤 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 光电互感器与光纤通讯 技术和微机相结合组成光纤局域网应用于电力系统 是变电站自动化的一个重要的 发展方向 开创了未来光纤化变电站的美好前景 浙江工业大学硕士学位论文 据国家有关部门公布的资料 我国每年将新建3 5 5 0 0 k v 变电站约1 0 6 0 个 新增发电机组2 7 1 台 并且每年将以5 1 5 速度增加 加上改造的发 变 电站 自动化系统每年的市场需求为4 6 亿元 当年与之配套的o c t o p t 市场需求也达 到3 6 亿元以上 因此研究电流互感器具有非常重要的现实意义 1 3 国内外光电电流互感器的研究现状及发展趋势 随着光电子技术的迅速发展 许多科技发达国家己把目光转向利用光学传感技 术和电子学方法来发展新型的电子式电流互感器 简称光电电流互感器嘲 作为电磁式电流互感器的升级换代产品 光电电流互感器受到各国普遍重视 在2 0 世纪6 0 年代 国外就开始利用法拉第效应从事c t 的研究 n 8 0 年代和9 0 年代初 期o c t 就已初具商品使用价值 据有关资料统计 目前大约有2 0 0 0 多台o c t 已经挂 网试运行 有的公司已经形成正规产品 在5 0 0 k v 系统中投入运行 如美国的五大 电力公司各自在1 9 8 2 年左右成立了o c t 专题研究小组 且研制成功了1 6 1k v 独立式 o c t 1 9 8 6 1 9 8 8 年 1 6 1k v 组合式o c t 光学电压互感器 0 y r 和1 6 1k v 的继电保 护式o c t 1 9 7 8 年 日本除研究5 0 0 l v 1 0 0 0 k v 高压电网计量用的o c t 外 还进行5 0 0 k v 6 6 k v 电压等级的零序电流电压互感器的研究 三菱公司制造的6 6 k v 6 0 0 a 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 1 1 9 8 5 标准 已在1 9 8 9 年末通过实验鉴定 1 9 9 4 年a b b 公司推出有源式电流互感器电压等级为7 2 5k v 7 6 5k v 额定电流为6 0 0 a 6 0 0 0 a 3 m 公司在1 9 9 6 年已宣布开发出用于1 3 8k v 电 压等级的全光纤电流测量模块 据称可用于5 0 0 k v 电压等级 p h o t o n i c s 公司推出了 一种用光推动的光电式电流互感器称之为混合式光电电流互感器 他们曾于1 9 9 5 年至1 9 9 7 年期间在美国英国瑞典的超高压电网上试运行哺j 近十几年 我国的清华大学 华中科技大学 上海科技大学 西安交通大学 燕山大学 大连理工大学 沈阳沈变互感器制造有限公司和上海m w b 互感器制造 有限公司等都在光电式电流互感器的研究中投入了很多人力和物力 也取得了一定 的成果 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1 1 0 k v o c t 它们于1 9 9 1 年通过国家鉴定并挂网试运行 华中科技大学与广东新会供 电局于1 9 9 3 年1 2 月在广东新会供电局大泽变电站进行正式挂网运行 于1 9 9 4 年通 6 浙江工业大学硕士学位论文 过原电力部鉴定 对外公布技术指标为1 1 0k v 1 0 0 3 0 0 a 精度为o 3 级 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 己经研制成功了 额定电压1 1 0 k v 额定电流1 0 0 0 a 精度为0 2 级的混合式光纤电流互感器样机 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 很快进行挂 网试运行 西安同维电力技术有限责任公司 其开发设计制造的磁光电流互感器具 有体积小 重量轻 可靠性好 维护简单 结构中无铁芯 无剩磁影响 在故障电 流条件下不会产生磁饱和 设备内无需充油 没有s f 6 绝缘气体 绝缘性能优异 安装简便 可直接挂网 无需大规模线路施工 二次输出可开路 本身无须保护装 置保护 具备绝对安全性 华中科技大学于2 0 0 4 年设计了电子式低功耗电流互感器 电子式l i c t 针对额定电流6 0 a 的l p c t 进行了相关误差实验 结果表明 l p c t 具有较宽的测量范围 一个二次绕组即可周时满足o 2 级计量及5 p 2 0 保护的要求 使得l p c t 的尺寸较传统电流互感器 t a 大为降低 表1 1 是国内外光电式电流互感器产品与i e c 标准对比情况 由表可发现国外 产品的适用性更广 表1 1 国内外光电电流互感器产品与i e c 标准对比情况 同维 n x t p h a s etr e n c h 公司 i e c6 0 0 4 8 额定一次电流a i o o 2 0 0 0 1 3 6 0 0 5 0 5 0 0 0 多种规格 顿率h z 5 0 1 6 2 3 5 0 6 0 1 6 2 3 5 0 6 0 额定二次电压v 0 0 2 2 5 2 2 5 多种规格 颧定短时电漉 6 3 k a 3 s 0 2 级 0 3 级 0 2 级 0 5 级 0 2 缓 0 5 级 准确级 0 2 级 5 p 缀 5 p 级 t 0 缀 5 p 级 5 p 级 电流互感器作为电力设备中较关键设备 目前已有较明确的标准规范 如 国 际i e c 标准的i e c 6 0 0 4 4 系列标准就是就针对各种互感器而制订的 其中 i e c 6 0 0 4 4 8 2 0 0 2 则适用于光电电流互感器 此外欧洲标准等效采用了此标准 国内国家标准和j b 标准也都制订了电流互感器的标准 如 g b1 2 0 8 1 9 9 7 电 流互感器 j b9 6 5 2 1 9 9 9 控制用电流互感器等f 9 1 由于光电式电流互感器和传统的电磁式电流互感器相比有很多突出的优点 预 计未来的5 0 年中 光电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 除此之外 光电式电流互感器还可以用于一些其他场合 比如便携式电流互感器 7 浙江工业大学硕士学位论文 高频电流测量 冲击大电流测量等 1 4 本文的研究思路及安排 电流互感器是保证电力系统安全 可靠运行的重要组成部分 本文以电流互感 器的设计为目的 共分为七章 具体章节安排如下 第一章针对本文要设计的对象 引出电流互感器的概念 对传统电流互感器的 工作原理及其存在的缺陷做了介绍 指出光电电流互感器研究的目的 意义和本文 的研究思路 研究内容 第二章简明地介绍了光电电流互感器的概念 分类 最后提出有源型光电式电 流互感器的总的设计方案 第三章具体介绍了有源型光电式电流互感器的高压侧供电电源的设计 第四章详细介绍了r o g o w i s k i 线圈的设计原理 积分放大电路的设计 给出了 r o g o w i s k i 线圈的制作注意事项及影响r o g o w i s k i 线圈测量精度的因素 第五章对信号的传输系统的设计做了详细设计 具体分为a d 转换 e o 转换 0 e 转换 d a 转换以及基于f p g a 的d a 转换的时序电路的设计 第六章详细介绍了基于d s p 的信号处理方法 并给出了显示电路的设计和系统 软件实现方案 第七章对本文的研究内容作了总结 指出研究中的不足之处 并展望了该领域 的研究方向 1 5 本文完成的任务 本文主要做豹工作如下 1 r o g o w s k i 线圈作为光电电流互感器的传感头 对整个系统的设计性能起着关 键性的作用 r o g o w s k i 线圈是一个由漆包线绕制的非磁性环形空心螺线管 它测量 线性度好 无饱和 测量频率范围宽 反映速度快 被测电流大小不受限制 受被 测电流位置影响较小 不存在磁饱和的问题 适用于测量变化速度快的大电流 保 护和控制 本文基于法拉第原理提出了r o g o w s k i 线圈的实际原理 给出了积分放 大电路的设计方案 并在仿真结果正确的基础上给出了具体的设计制作 实验结果 证明 本文设计的r o g o w s k i 线圈被测电流与输出电压成良好的线性关系 整个测 0 浙江工业大学硕士学位论文 量系统拓宽了电流互感器的带宽 达到了转换精度0 2 级 提高了电流互感器的测 量性能 2 高压侧供电一直是有源性光电式电流互感器制作的难点 本文综合了t a 在线 采集电压便利的优点和锂离子电池供电稳定的优点 采用t a 在线采集电压信号驱动 电池管理电路 锂离子电池供电的方案 为高压侧的积分放大电路 a d 转换 w o 转换 o e 转换提供工作电压 3 e 自r o g o w s k i 线圈和积分放大电路得到的电压信号经由a d 转换器转换成数字 信号 由e o 转换器h f b r 一1 4 1 4 将其转化成光信号进入光纤传输到低压侧 传感电 路的设计理念保证了信号的可靠传输 减小了误码率 利用光纤传输 保证了高低 压侧之间绝缘 提高了安全性 4 信号传输到低压侧 经o e 转换后用一片d s p 芯片对信号进行预处理 给出了 信号显示电路和系统的软件实现方法 并为数字继电保护和模拟输出预留了接口 以方便与当前电力系统其他器件兼容 1 6 本章小结 本章简要介绍了电流互感器的概念 给出传统电流互感器的工作原理及工作缺 陷 引出光电电流互感器的概念 并简单介绍了其发展现状和发展趋势 最后给出 本文工作安排及作者主要完成的工作 9 浙江工业大学硕士学位论文 第二章光电电流互感器概述 2 1 光纤电流互感器的基本原理 光纤电流互感器从传感头有无电源供电可分为无源o c t 和有源o c t 两大类 目 前研究最具代表性的主要全光式光电电流互感器 m o c o 和有源型光电电流互感器 n o c t 2 1 1 有源型 有源型又可以称为混合型 简写为h o c t 所谓有源型光电电流互感器乃是高 压侧电流信号通过采样传感头 将电信号传递给发光元件而变成光信掣1 0 l 再由光 纤传递到低电压侧进行光电转换变成电信号后输出 有源型光电电流互感器的方框 图如图2 1 所示 图2 1 有源型光电式电流互感器方框图 有源型光电电流互感器可以分为以下两种 压频转换式和射d 转换式 4 1 压频转换式光电电流互感器结构框图如图2 2 所示 l o 浙江工业大学硕士学位论文 采样线圈 图2 2 压频转换式光纤互感器的结构框图 采样线圈将流过母线的电流转化为电压信号 通过压频转换电路 即v f 转换部 分 经过 转换后电压的变化将转换为脉冲频率的变化 电脉冲信号经过电光变 换器件 f o 变换 后 变为光信号 经过光纤传到低压端 低压端的光电转换器件 o r e 转换 将光信号还原成电信号 再经过频压转换电路b i j f n 转换部分通过信号处 理单元最后进行显示 压频式光纤电流互感器的主要优点是i l l l 2 1 结构简单 精确度抗干扰性能比较高 比较适合信号远距离传输 采用压频变换的方法可以减少低压端和高压端之间连接光纤的数量 目前的集 成 和f a r 变换电路 比如a n a l o gd e v i c e 公司的a d v f c 3 2 芯片能够通过引脚连接 方式不同实现v f 变换或者用于f n 变换 精度也不错 在1 0 k h z 的条件下最大误差为 0 0 1 9 幻 但是该芯片正常工作功耗比较大 2 5 m a 左右 这将需要更大的功率来支 持高压侧电子线路的工作 势必带来高压侧电源设计的复杂性 同时使整个系统的 起始工作的最小电力母线电流变大 减小了系统的测量范卧3 肌1 浙江工业大学硕士学位论文 2 a d 转换式光电电流互感器 a d 转换式光电电流互感器的结构框图如图2 3 所示 图2 3a d 转换式光电电流互感器结构框图 整个系统分为高压子系统和低压子系统两个部分 两个系统用光纤连接起来 高压子系统包括r o g o w s k i 线圈 积分电路 高压端供电电源 a d 转换器 时序协 调电路和e o o e 转换器 低压子系统包括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 在高压子系统中采 磊r o g o w s k i 线圈取得电压信号送入电子转换电路中 电子转 换电路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 通过光纤光信号就被传送到地面监控室中 在低压子系统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 a d 转换式光电电流互感器的主要优点是 目前a d d a 转换器的转换精度很高 可以通过选用合适的 d 变换器来满 足系统对精度的要求 浙江工业大学硕士学位论文 高压部分的功耗比较小 低压端具有模拟信号和数字信号两种输出 与光通信系统兼容 给未来的电 力通信带来良机 有源型光电电流互感器优点是长期稳定性好 在现代电子器件可靠性高 性能 稳定的条件下易于实现精度高 输出大的实用型产品 有源型光电电流互感器的技术难点是 传感头取信号绕组 即r o g o w s k i 线圈 的制作 采样绕组可以用传统的电流互感器 但用传统互感器仍然存在磁饱和问题 因 此 如何设计低功率输出 结构简单 线性度良好的r o g o w s k 线圈在这种互感器的 研究和设计中就显得尤为重要 积分器的设计 供电电源的设计 h o c t 高压侧的电子电路需要有电源供应才能够正常运行 由于高压侧和低压侧 没有电磁联系 因此如何解决高压侧的电源问题是h o c t 的难点 2 1 2 无源型 所谓无源型光电电流互感器乃是传感头部分不需要供电电源 传感头一般基于 法拉第 f a r a d a y 效应原理 即磁致光旋转效应 当一束线偏振光通过放置在磁场中 的法拉第旋光材料后 若磁场方向与光的传播方向平行 则出射线偏振光的偏振平 面将产生旋转 即电流信号产生的磁场信号对偏振光波进行调制 无源型光电电流 传感器系统框图如图2 4 所示 抑 1 4 1 r 卧 o 1 一一4 信号的检测与处理l 图2 4 无源型电子式电流互感器系统框图 无源型结构近年来比较盛行 其优点是结构简单 且完全消除了传统的电磁感 应元件无磁饱和问题 充分发挥了光电互感器的特点 尤其是在高压侧不需要电源 器件使高压侧设计简单化 互感器运行寿命有保证 其缺点是光学器件制造难度大 浙江工业大学硕士学位论文 测量的高精度不容易达到 尤其是此种电流互感器受费尔德 v e r d e t 常数和线性双 折射影响严重 而目前尚没有更好的方法能解决v e r d e t 常数随温度变化和系统的线 性双折射问题 所以很难实现高精度测量 全光纤型光电电流互感器实际上也是无源型的 只是传感头即是光纤本身 而无 源型光电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 其余与无源型完全一样 其系统框图如图2 5 所示 光纤传感头 图2 5 全光纤型电流互感器的结构框图 全光纤型光电电流互感器的优点是传感头结构最简单 比无源的容易制造 精 度和寿命与可靠性比无源型要高 但是光纤技术现在还没有达到用于互感器环境的 要求 传感光纤对环境具有十分敏感的线性双折射现象 影响测量精度及稳定性 虽然有的提出了校正手段 但因双折射随温度应力而变化 且这些变化都是随机的 因此难以维持校正时的数值 此后采用一种螺旋型光纤结构显著地降低了光纤双折 射 但是此螺旋光纤会逐渐变质难以长期使用 另外光纤材料的费尔德常数不够大 且随温度变化较大 也影响测量的准确性 在实现挂网过程中还存在长期稳定性的 问题 因此在实际挂网之前需要更深入的研究 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 整体设计方案 综合2 1 节 因为有源型光电电流互感器的制作难点在电子学上易于克服 而无 源型光电电流互感器的双折射现象及费尔德常数问题目前还没有找到解决的途径 因此本文决定采用有源型光电电流互感器作为本文设计的目标 有源型光电电流互感器中 基于v f 变换的电流互感器需要非常大的电源来驱动 v 佰变换 而日前所设计的电源很难达到要求 因此本文决定采用a d 转换式光电电 流互感器 其硬件结构框图如图2 6 所示 图2 6 有源型光电电流互感器的硬件结构框图 如图所示 有源型光电电流互感器的可分为高压侧和低压侧两部分 其高压侧电路主要有r o g o w s k i 线圈 积分器 d 转换 f o 转换和高压侧电 浙江工业大学硕士学位论文 源电路组成 r o g o w s k i 线圈感应出的电压与被测母线电流的变化率 d i d t 成线性 关系 该信号经过反相积分放大输出后 与被测电流i 同相位 成正比 a d 转换 电路将积分器输出的模拟信号转换成数字信号 然后驱动光源 发光二极管l e d 将数字电信号转换成光信号 p f 2 0 转换 这样 被测电流信息就以光数字信号形 式通过光纤传输到互感器低压侧信号处理电路 高压侧电源保证高压侧各有源器件 正常工作 在互感器低压侧 灵活的电路设计 除了从光数字信号中恢复出数字电流信号 外 还可以通过数字信号处理电路 d s p 的处理 便于与微机保护装置 计算机 测量和控制装置及其它数字仪表进行通信和电流数字信号的传送 也可以输出模拟 电流信号 以便与传统的仪器仪表对接 利用d s p 还可以组成光电式电压和电流的 复合式互感器 以及将保护和控制集成在一起 也有利于肉智能化互感器方向发展 2 3 本章小结 本章系统而简明的介绍了光电电流互感器的概念和分类 并给出了本文设计的 总方案 浙江工业大学硕士学位论文 第三章高压侧供电电源的设计 3 1 供电电源的设计方案 电源技术是光电电流互感器的一项重要技术 也是其能否实用化的关键 同普 通电源相比 它的主要困难表现为 2 1 传感电路必须安装在高压端 要解决传感电路的电源 就首先要解决电源的 高压绝缘的问题 2 不同准确级不同用途的电流互感器对电源的要求也不相同 如测量用电流互 感器特别是s 级互感器要求的测量范围是o 0 1 i 一1 2 i n 其中i n 为额定一次电流 即一次侧电流很小时 要求电源仍能正常工作 而保护用互感器如p 5 级的保护用 互感器要求的测量电流是i h 5 i n p 1 0 级为i n l o i n 即一次侧电流5 倍 i o 倍 时 电源也能正常工作 3 无论是测量用还是保护用互感器 都必须在线路故障 如出现l o 倍或2 0 倍 额定电流以上的短路电流 时 具有自身保护 至少在允许跳闸时间内电源不能损坏 目前常用的光电电流互感器高压侧供能方式有 利用t a 或电容分压器从母线 上取电能 激光供电 太阳能供电及蓄电池供电等f 圳8 激光供电受激光输出功率的限制 嘲 特别是光电池转换效率的影响 供能有限 高压侧电路的微功耗设计难度大 成本高 太阳能供电的电压输出易受光强 环境 及季节的影响 电源不稳定1 2 0 1 2 q 光电池的能量转换效率太低 供能不高 应用受 限 本文采用直接用t a 在母线上直接获取电流的方法为高压侧供屯 供电电路图 如图2 2 所示 由特制的小型t a 稳压电路和电池自动管理电路组成 特制的小型电流互感器1 a 利用电磁感应从高压母线获得能量 稳压电路将电磁感应获得的能量经整流 滤波和稳压转换成稳定的输出电压 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 与以往的设计不同 稳压电路的输出电压只作为电池自动管理电路电源 不直接供 给高压侧信号处理电路使用 电池自动管理电路 用于对锂离子电池组的自动充放电管理 锂离子电池组提 供的输出电压作为高压侧转换电路的输入电压 本方案采用两组锂离子电池交替工 作 即当其中一组电池开始放电时 另外一组进入充电和备用状态 两个电池组交 替工作的方式 保持了电池始终在线工作 使电源的输出不受电网状态影响 电源 质量高 电池交替工作的另一优点是降低电池充放电次数 延长电池使用寿命 本 文采用的a a 型锂离子电池单个的端电压4 1 v 变换后的稳压输出为5 v 二4 篁离千鬯乜组 工 图3 i 高压侧供电电源设计图 3 2 小型电流互感器的设计 特制小型t a 的作用是从电网取能量 保证传感部分电子器件的工作电压 其 设计指标为 1 当一次电流从0 0 1i n 到5 1 n p 1 0 为1 0 i n 大范围变化时 直流侧电压从5 v 到4 0 v 以下的范围变化 2 结构简单紧凑 体积小 适应r o g o w s k i 线圈的安装方式 i 铁心设计 由于电流互感器要安装在高压端且尽量靠近传感电路 因此与r o g o w s k i 线圈 一样 电流互感器选为穿心式 这样两个线圈可方便地套在同一条母线上 并封装 在一起 使传感器结构更加紧凑 其铁心结构如图3 2 所示 1 8 浙江工业大学硕士学位论文 图3 2 电流互感器环形铁心结构图 铁心的截面积s 截面周长l 和平均磁路长度l 分别为 s a b 3 1 厶 2 6 口