（检测技术与自动化装置专业论文）电子式电流互感器的研究.pdf

浙江1 j 业人 硕士学位论文 电子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 己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 而电子 式电流互感器具有动态范围大 测量精度高 频率响应范围宽 节约空 间 重量轻 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电子式电流互感器的研究现状 发展概况 探讨了电子式电流互感器的设计原理 最后给出了电子式电流互感器的 详细设计方法 针对电力工业对电子式电流互感器的要求 采用 r o g o w s k i 线圈作为高压母线上的传感头 根据理论分析设计了一 r o g o w s k i 线圈 仿真分析知道该r o g o w s k i 线圈不但在测量稳态电流上 有很高的精度 而且还能很好地反映故障电流的暂态过程 并在动态试 验中得到了验证 同时通过仿真分析得到 适当提高带负反馈积分器的 积分电容的参数则可以改善其暂态响应性能 i u 实验结果表明该 r o g o w s k i 线圈具有良好的线性度 将该r o g o w s k i 线圈的输出信号数字 化后 通过光纤传送到低压端 实现对高压端母线电流的测量 系统采 浙江 1 业火学硕十学f t 论文 用低压端控制高压端的方式来实现整个工作电路的时序发生和同步协 调 利用光纤数字传输系统实现高压部分和低压部分的完全电气隔离和 信号传输 提高了信号传输的抗干扰性 实验结果表明光纤传输部分运 行非常可靠有效 以及基于d s p 控制的液晶显示屏系统采用s e d l 3 3 5 控制器为核心器件的液晶显示模块 实时地显示采样信号的波形 有效 值 频率和周期 为用户提供了友好的人机界面 论文最后对全文所做的工作进行了总结 指出研究的不足之处 提 出有待进一步研究和解决的问题 关键词 电子式电流互感器 r o g o w s k i 线圈 d s p 光纤 浙江i 业人学硕十学位论文 r e s e a r c ho nt h ee 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 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 eh a r dt om e e tt h ed e v e l o p m e n t a l r e q u i r e m e n to ft 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 e c o m p u t e rc o n t r o l l i n g b e c a u s eo fi t so w nm e c h a n i s ml i m i t s a n dt h e 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 sh a v eb e e nt h eh e a dt i d eb e c a u s et h e yh a v e t h e g 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 ga c c u r a c y w i d e rf r e q u e n c y a n s w e r i n gb o u n d m o r es a v i n gr o o m l i g h t e rw e i g h t b e t t e ra n t i ja m m i n g h i g h e rs e c u r i t y a n dm o r e s i m p l ec o n f i g u r a t i o n t h o s e v i r t u e sa r e c 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 s t e s t i n g c o n t r o l l i n g a n dp r o t e c t i n gw h i c ha r et o w a r d st ot h e d i g i t a l m i c r o m a t i o na n di n t e l l i g e n t i z i n gd i r e c t i o n f i r s t l y t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h er e s e a r c h a c t u a l i t y 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 no fe 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 s d i s c u s s i n gt h e 浙江工业大学硕士学位论文 d e s i g np r i n c i p l eo ft h 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 s a n dt h e n p r e s e n t i n g t h ep a r t i c u l a rd e s i g nm e t h o d t h i st e x td i r e c t sa g a i n s tt h er e q u i s i t i o nf o rt h e 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 ro fp o w e ri n d u s t r y w ed e s i g nar o g o w s k ic o i l a ss e n s o ro nt h eh i g h v o l t a g el i n e t h ea n a l y s i so fs i m u l a t i o ns h o w st h a tt h i s r o g o w s k ic o i lc o u l dm e a s u r es t e a d ya cc u r r e n ta c c u r a t e l y i ta l s oh a sa g o o dp e r f o r m a n c ei nd e s c r i b i n gt h et r a n s i e n tp r o c e s so f f a u l tc u r r e n t a n di t h a sb e e nv e r i f i e di nt h ed y n a m i ct e s t f r o mt h es i m u l a t i o na n a l y s i s w e k n o wt h a ti m p r o v et h ei n t e g r a t o rc a p a c i t o rp a r a m e t e r so ft h en t e g r a t o rw i t h n e g a t i v ef e e d b a c kc a ni m p r o v ei t s t r a n s i e n tr e s p o n s ep e r f o r m a n c e i u e x p e r i m e n ts h o w st h i sr o g o w s k ic o i lh a sag o o dl i n e a rr e l a t i o n a f t e r d i g i t i z i n gt h eo u t p u to fr o g o w s k ic o i l w ec o n v e yi tt ot h el o w v o l t a g ep a r t b yd i g i t a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m a n d r e s u m ei ti n t oo r i g i n a ls i g n a li no r d e rt o r e a l i z et h em e a s u r e m e n to ft h ec u r r e n to ft h eh i g h v o l t a g eb u s s y s t e m a d o p t st h ew a yo fl o w v o l t a g ep a r tc o n t r o l l i n gh i g h v o l t a g ep a r tt or e a l i z e t h es y n c h r o n i z a t i o no ft h et w op a r t s w em a k eu s eo fd i g i t a lt r a n s m i s s i o n s y s t e m t or e a l i z e t o t a l l y i s o l a t ea n ds i g n a lt r a n s m i s s i o nb e t w e e nt h e h i g h v o l t a g ep a r ta n dl o w v o l t a g ep a r t t h i sm e t h o dh a si m p r o v e dt h e a n t i i n t e r f e r e n c eo fs i g n a lt r a n s m i s s i o n a n di th a sb e e np r o v e dt h a to p t i c a l t r a n s m i s s i o ni sv e r yr e l i a b l ea n de f f e c t i v e a n dt h e nad s pd i s p l a y i n g s y s t e mb a s e do nt h ek e r n e ls e d 13 3 5c o n t r o l l e ri si n t r o d u c e d w h i c hc a l l d i s p l a yt h ew a v e f o r m v i r t u a lv a l u e f r e q u e n c ya n dc y c l ep e r i o do ft h e s a m p l i n gs i g n a l a n ds u p p l yaf r i e n d l yh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c et ou s e r s i v 浙江工业大学硕七学位论文 i nt h ee n d t h ep a p e rs u m m a r i z e st h er e s e a r c hc o m e m p o i n t i n go u tt h e r e s e a r c hd e f i c i e n c y a n dt h ep r o b l e m st h a tn e e dt ob ef u r t h e rr e s e a r c h e da n d r e s o l v e da r ep r o p o s e d k e yw o r d s 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 r o g o w s k ic o i l d s p o p t i c a lf i b r e v 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 却 日期 沙彤年 月 伯 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 不保泓 请在以上相应方框内打 作者签名 茭i l 鹫 日期 2 口莎年j 月 厂日 刷磁轹闭a 嗝醐一嘭年m 佣 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间的联络元件 用于向继电保护 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 器是电力系统中广泛采用的电流传感及变送设备 它将高压端一次系统的大电流变 换成低电压的标准电流信号 传送给二次设备进行测量 控制和保护 l 根据国家标准 g b l 2 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的测量精度 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 在电压较低的电网中 继电保护动作的时间相对来说比较长 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 o 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 2 电流互感器在电力系统中具有广泛的应用 无论是生产电能和变换电能还是传 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 3 1 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 使保护装置和测量仪 表标准化 2 所有二次设备可以用小电流控制和电缆联接 使屏内布线简单以及安装方 便 同时便于集中管理 可实现远程控制和测量 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 l 2 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 0 2 0 5 1 3 5 共六级 有特殊使用要求 如与特殊电度表相连 在1 到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 2 1 1 2 课题研究的目的和意义 目前电力系统大多采用传统的电磁式电流互感器对电压 电流信号测量 电磁 式电流互感器在过去很长的时间内适应了电力系统的要求 但是随着电力系统中电 压等级的不断提高以及传输容量的的不断增大 传统的电磁式电流互感器的一些问 题也就日益暴露出来 如 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侧额定电压为1 0 0 v 电流互感器二次侧额定电流为 5 a 或1 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 传统电磁式电流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 数字化的发展趋势 4 5 1 上述问题说明 传统 的电磁式电流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流互感器势在必行 6 j 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 电子式电流互感器与传统的电磁 2 浙江工业大学硕士学位论文 式电流互感器比较主要有以下几个优点 1 优良的绝缘性能以及低廉的价格电磁式电流互感器的高压母线与二次线圈 之间通过铁芯耦合 它们之间的绝缘结构复杂 而且其造价随电压等级呈指数级上 升 电子式电流互感器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 不含铁芯消除了铁磁谐振和磁饱和等问题电磁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谐振和磁滞效应等问题 而电子式电流互感器则 不存在这方面的问题 3 抗电磁干扰性能好以及低压端无开路高压危险电磁式电流互感器二次回路 不能开路 低压端存在开路危险 由于电子式电流互感器的高压端与低压端之间只 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 低压端无开路高压危险 4 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 电磁式电流互 感器因存在磁饱和问题 难以实现大范围测量和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电流范围 可测量几十安培到几千安培 过 电流可达几万安培 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 可 免除多个电磁式电流互感器的冗余需求 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 不存在饱和问题 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 6 没有因充油而产生的易燃和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 这样不可避免地存在易燃 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 在结构上可避免这方面的危险 7 体积小 重量轻 节约空间电子式电流互感器传感头本身的重量一般在i 逛 范围以内 据美国西屋公司公布的3 4 5 k v 的电子式电流互感器高度为2 7 m 重量为 1 0 9 k g 而同电压等级的电磁式电流互感器高为5 3 m 重量高达2 3 0 0 k g 这给运输 和安装带来了很大的方便 8 适应了计量和保护数字化以及微机化和自动化发展的潮流随着计算机和数 浙江工业大学硕士学位论文 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l a 输出规范必需采用模数转换技术后才能与计算机接口 而电子式电 流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 9 对变电站自动化系统的影响 电子式电流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 因此采用电子式电流互 感器不必经过电量变送器等设备就可以将大电流变换为微机保护所要求的电流信 号 电子式电流互感器的模拟输出省去了继电保护的小型电流互感器 数字输出省 去了继电保护的模数转换模块 提高了微机保护的精度和可靠性 电子式电流互感器促进了微机保护的快速 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 远距离控制方向的发展要求 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 电子式电流互 感器能满足这一要求 而传统的电流互感器则不能 促进变电站自动化的发展 电子式电流互感器与微机保护接口的标准化将大 大促进电子式电流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 电子式电流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 电子式电流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 将电压和电流互感器集中于同一绝缘结构 中 构成组合型电子式互感器可大大提高性价比 电子式电流互感器不仅可以做成 独立的互感器 而且可以装在g i s 和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 电子式电流互感器信号的传输 形式可以采用光缆 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 电子式电流互感器与 4 浙江工业大学硕士学位论文 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 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 当年与之配套的互感器市场需求也达到3 6 亿元以 上 因此研究电子式电流互感器具有非常重要的现实意义 1 3 国内外电子式电流互感器的研究现状及发展趋势 作为电磁感应式电流互感器的升级换代产品 电子式电流互感器受到各国的普 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电子式电流互感器的研 究 到8 0 年代和9 0 年代初期电子式电流互感器就已初步具有商品使用价值 据有关 资料统计 目前大约有2 0 0 0 多台电子式电流互感器挂网试运行 日本除研究5 0 0 k v 1 0 0 0 k v 高压电网计量用的电子式电流互感器外 还进行 6 6 k v 一 5 0 0 k v 不同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 的电子式零序电流电压互感器 经过长期的运行试验后 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 公司推出的电子 式电流互感器电压等级为7 2 5 k v 7 6 5 k 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 8 k v 电压等级的电子式电流测量模块 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电子式电流互感器 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 7 1 近十几年来 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 沈阳互感器制造有限公司和上海 v l w b 互感器制造有限公司 等都在电子式电流互感器的研究中投入了很多的人力和物力 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 的电 子式电流互感器 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试运行 于 1 9 9 4 年通过原电力部鉴定 对外公布技术指标为1 1 0 k v 1 0 0 一 3 0 0 a 精度为0 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 已经研 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 级的电子式电流互感器样 5 浙江工业大学硕士学位论文 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 目前 虽然有各种类型的电子式电流互感器的样机在现场运行的报道 但一般 都是与传统测量装置并联运行 真正能够实用 长期单独可靠运行的例子尚未见报 道 在电子式电流互感器运行的若干年限里 一般是l 3 年 其运行情况一般能满 足实际测量要求的需要 但这段时间后的追踪报道尚未见到 然而 电子式电流互 感器以其优越的特性以及明显的经济效益和社会效益 对于保证日益庞大和复杂的 电力系统的安全可靠运行 并提高其自动化程度具有深远的意义 正因为如此 国 外许多技术发达国家都投入了大量的人力 物力和财力从事这项研究工作 我国在 这方面起步较晚 与国外先进水平还有一定的差距 我们必须加快步伐 尽快开发 出拥有自主知识产权的电子式电流互感器 借鉴国内外在该领域研究中已取得的经 验 广泛消化和吸取已有的研究成果 研制出适合我国国情的电子式电流互感器是 我们追求的目树8 1 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 本文以电子式电 流互感器的设计为目的 为浙江省科技厅资助项目 共分为六章 具体安排如下 第一章针对本文要设计的对象 引出电流互感器的概念 指出了电子式电流互 感器的研究现状 意义和本文的研究思路 研究内容 第二章简明地介绍了电子式电流互感器的概念 分类 最后给出电子式电流互 感器的总体设计方案 第三章详细介绍了r o g o w s k i 线圈的设计原理 积分放大电路的设计 仿真结 果表明本次设计的r o g o w s k i 线圈不但在测量稳态电流上有很高的精度 而且还能 很好地反映故障电流的暂态过程 并在动态试验中得到了验证 i u 实验结果表明 该r o g o w s k i 线圈具有良好的线性度 给出了r o g o w s k i 线圈的制作注意事项及影响 r o g o w s k i 线圈测量精度的因素 第四章对信号的光纤传输系统的设计做了详细说明 具体分为a d 转换 光电 转换 电光转换 实验证明光纤传输部分运行非常可靠有效 第五章详细介绍了基于d s p 的信号处理方法 系统采用以s e d l 3 3 5 控制器为核 6 浙江工业大学硕士学位论文 心器件的液晶显示模块 为用户提供了友好的人机界面 另外 系统采用串口通讯 协议将数据上传给上位机处理 上位机可采用l a b v i e w 软件对上传数据处理 第六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 本文主要做的工作如下 1 r o g o w s k i 线圈作为电子式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 不 受被测电流位置影响 不存在磁饱和的问题 适用于测量变化速度快的大电流 本 文基于法拉第原理分析了r o g o w s l d 线圈的测量原理 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 线圈具有良好的线性度 2 f l j 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 由电光转换器将其转化成光信号进入光纤传输到低压端 传输系统的设计理 念保证了信号的可靠传输 减小了误码率 利用光纤传输 保证了高低压端之间绝 缘 提高了安全性 实验证明光纤传输部分运行非常可靠有效 3 信号传输到低压端 经光电转换后送往d s p 芯片进行数据处理 给出了信号 显示电路和系统的软件实现方法 并为数字继电保护提供信号 系统采用串口 r s 2 3 2 通讯协议将数据上传给上位机处理 1 6 本章小结 本章简要介绍了电流互感器的概念 给出了传统的电磁式电流互感器暴露的一 些问题 引出了电子式电流互感器 并简单介绍了其研究现状和研究意义 最后给 出本文工作安排及作者主要完成的工作 7 浙江工业大学硕士学位论文 第二章电子式电流互感器概述 2 1 电子式电流互感器的基本概念 在国内 电子式电流互感器又称为光电式电流互感器或光学电流互感器 直到 2 0 0 0 年 i e c j 定了关于电子式电流互感器的i e c 6 0 0 4 4 8 标准 明确电子式电流互 感器指采用传统电流互感器 c t 霍尔传感器 r o g o w s k i 线圈或光学装置作为一 次转换部分 利用光纤作为一次转换器和二次转换器之间的传输系统 并且装有电 子器件作测量信号的传输和放大 其输出可以是模拟量或数字量 本文研究的是以r o g o w s k i 线圈为传感头的 其他高压端的电子器件是需要电源 供电的电子式电流互感器 所以本次研究的电子式电流互感器是属于有源型电子式 电流互感器 而其又可分为压频转换式和a d 转换式两种 9 下面作简要介绍 1 压频转换式电流互感器压频转换式电流互感器的结构框图如图2 1 所示 采样线圈 高压母线 时序电路 e o 转换k j 1 堂一 l 纤 o e 转换 高压端 低压端 f 变换 i 星重塑坌h 堡量丝墨l 图2 1 压频转换式电流互感器的结构框图 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 h p 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 e 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 e 转换 将光信号还原成电信号 再经过频压转换电路即f 转换部分后 通过信 号处理单元最后进行显示 9 1 r 浙江工业大学硕士学位论文 压频转换式电流互感器的主要优点剐1 0 1 1 结构简单 精确度和抗干扰性能比较高 比较适合信号远距离传输 采用压频转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v f 和f 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f 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 但是该芯片正常工作功耗比较大 这将需要更大的功率来支持高压端电子 线路的工作 势必带来高压端电源设计的复杂性 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围 刀 1 2 1 2 a d 转换式电流互感器 a d 转换式电流互感器的结构框图如图2 2 所示 图2 2a d 转换式电流互感器的结构框图 整个系统分为高压端和低压端两个部分 高低压端之间采用光纤进行连接 高 压端包括采样线圈 积分电路 高压端供电电源 a d 转换 时序电路和e o 转换等 模块 低压端包括o e 转换 d a 转换和信号处理电路等模块 高压端将采样线圈取得的电压信号送入电子转换电路中 电子转换电路将这一 9 浙江工业大学硕士学位论文 正弦电信号转换为数字信号 再驱动发光元件转换为光信号 光信号通过光纤传送 到地面监控室中 在低压端光信号经由光电转换器转换为电信号 该信号经过其他 电路处理后可以为数字信号输出和模拟信号输出 a d 转换式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a d 转换器来满 足系统对精度的要求 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信号输出 可与传统和新型的电力设备 都兼容 2 2 整体设计方案 由2 1 节中的介绍可以知道 基于v f 变换的电流互感器需要比较大的电源来驱 动v f 变换 而目前高压端的电源设计很难达到要求 又鉴于a d 转换式电流互感器 的一些优点 本次研究的电子式电流互感器的整体结构框图如图2 3 所示 图2 3 电子式电流互感器的整体结构框图 该系统的高压端电路主要有r o g o w s k i 线圈 积分器 a d 转换 电光转换和高 压端电源电路组成 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 臣p e o 转换 这样 被测电流信息就以光信号 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 形式通过光纤传输到互感器低压端信号处理电路 高压端电源保证高压端各有源器 件的正常工作 在互感器低压端 灵活的电路设计 除了从光信号中恢复出数字信号外 还可 以通过数字信号处理器 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信号的传送 也可以输出模拟信号 以便与传统的 电力器件相兼容 利用d s p 还可以组成电子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 也有利于向智能化互感器方向发展 另外 系统采用串口 r s 2 3 2 通讯协议将数据上传给上位机处理 2 3 本章小结 本章系统而简明的介绍了电子式电流互感器的概念 以及分析了两种电子式电 流互感器的优缺点 比较后给出了本次研究的电子式电流互感器的总体设计方案 浙江工业大学硕士学位论文 第三章传感部分的理论研究与设计 本文研究的电子式电流互感器是以r o g o w s k i 线圈为传感头的 所以r o g o w s k i 线圈的制作 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 r o g o w s k i 线圈按照线圈截面形状分 圆形截 面r o g o w s k i 线圈 矩形截面r o g o w s k i 线圈 矩形截面r o g o w s k i 线圈的结构误差 和频率特性没有圆形截面r o g o w s k i 线圈的好 r o g o w s k i 线圈用于电流测量时 具 有许多优点 主要表现在 1 4 f 1 5 1 测量精度高 精度可设计到高于o 1 一般为0 5 一1 2 测量范围宽 由于没有铁心饱和 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 一般可设计到0 1 h z 到1 m h z 特殊的可达2 0 0 m h z 的带通 4 可测量其它技术不能使用的受限制领域的小电流 5 生产制造成本低 3 1r o g o w s ki 线圈测量原理 根据r o g o w s k i 线圈横截面形状的不同 用来计算输出电压的互感系数也不同 r o g o w s k i 线圈横截面的形状主要有矩形和圆形两种 下面分别就这两种横截面形状 的r o g o w s k i 线圈传感头的互感系数进行分析计算 1 6 1 3 1 1 横截面为矩形的r o g o w s ki 线圈测量原理 横截面为矩形的r 0 9 0 w s l i 线圈测量原理图如图3 1 所示 m 在图3 1 中 设 i 一被测导体中流过的瞬时电流 厂一线圈骨架的任意半径 疋一 骨架外径 r 一骨架内径 h 一骨架高度 n 一绕组匝数 鳓一真空磁导率 其值为 4 7 x 1 0 7 h i m 根据全电流定律和电磁感应定律 可以推导出线圈骨架内磁通矽和 线圈感应电动势e f 6 18 1 由全电流定律得 q h d l i 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 有 所以得到 而 r o g o w s k i 线圈 图3 1 横截面为矩形的r o g o w s k i 线圈测量原理图 缈 忡 叮挚 e 屿2 x r 1 2 t o 万l h 三噜 例妒 掣三噜 所以 由电磁感应定律得 砸卜警 一警厶咒g a a 协i 设绕组互感系数为m 则有 m n l z hl z 生 2 万 砖 绕组的自感l 为 m n 2 1 t o h 三 z 竺巳 2 万 则式 3 1 可以表示为 1 3 3 1 丛栅 上撕 舻 h 肚 浙江工业大学硕士学位论文 鲍 m 豢 3 1 2 横截面为圆形的r o g o w s k i 线圈测量原理 横截面为圆形的r o g o w s k i 线圈测量原理图如图3 2 所示 16 1 r o g o w s k i 线圈 图3 2 横截面为圆形的r o g o w s k 线圈测量原理图 如图3 2 导线均匀地绕在截面为圆形的非磁性骨架之上 可以知道线圈截面为 圆形 图中r 一线圈中心到骨架中心的半径 一线圈截面的半径 一被测导体中的 电流 n 一绕组匝数 胁一真空磁导率 其值为4 r x l 0 一h m 由全电流定律 得到 进而有 h d i h 上 2 n r x 召 心日 筹 其中x 一线圈中心到线圈截面内任意距离 伊 忡 叮篆凼 拙乒训 厨 1 4 j 浙江工业大学硕士学位论文 则有 矽 缈 k t o n i r 一 尺2 一f 2 所以由电磁感应定律得 印 警 一i t o n r 厨 罢 3 2 设线圈互感系数为m 则有 m a o n r 一 r 2 一r 2 线圈绕组的自感l 为 l n m t o n 2 r 一 r 2 一r 2 则有 p f 一m 宰 由上面两种截面形状线圈输出电压的推导可知 其都可以归结为p f 埘 垒 的形式 由式 3 1 和式 3 2 可知 感应电动势e f 只与线圈的尺寸 匝数和一次电流有 关 而与其它因素无关 即当线圈的结构一定时 线圈的互感系数m 为一常量 故 不论线圈形状如何 输出电压均有p f 一m 掣 从此式可以看出 输出电压印 与 a t 被测电流 为微分关系 大小成正比 相位相差9 0 0 1 9 2 想要得到被测电流的真 实值则要在测量系统中增加一个积分环节 3 2r o g o w s ki 线圈测量电流的工作状态 由以上r o g o w s k i 线圈工作原理的推导可知 线圈的输出电压与被测电流的关系 可以归结为 e f 一m 粤 口 由此式可知测量值和被测值之间的关系是微分关系 为了得到与被测电流同相 位的信号 必需加以积分求得 这样就要在电路中加一积分环节 而r o g o w s k i 线圈 主要有两种工作状态一自积分工作状态和微分工作状态 在实际应用中 要根据具 体的情况做不同的处理 1 5 浙江工业大学硕士学位论文 3 2 1 自积分工作状态 1 1 1 3 3 为r 0 9 0 w 嫩线圈等效电路图 9 2 2 f l f r f 2 f 置 f 图3 3r o g o w s k i 线圈等效电路图 在自积分工作状态下 直接在r o g o w s k i 线圈的两出线端接一个小阻值的采样电 阻墨 一般为几欧姆 测量系统等效电路图如图3 3 所示 设f f 为被测电流 图中 毛 一线圈中感应出的二次电流 e t 一r o g o w s k i 线圈的电动势 己一线圈的等效电感 r 一线圈绕组和引线的总电阻 c l 线圈的等效杂散电容 墨一采样电阻 蚝 f 一待校准的输出电压 在该工作状态下 用于测量高频电流 且采样电阻墨阻值较小 可以不计c l 的 影响 由图3 3 可以得到电路方程 p f 掣 r 墨 御 3 3 d f 当尺 置很小且电流的变化率很大 满足功 尺 蜀时 则式 3 3 可以近似 为 g f l d i t 3 4 d f 又将e o 喇 掣代入 3 4 式得 口f 1 6 浙江 二业大学硕士学位论文 i t t 一了m 3 5 又因为l n m 代入式 3 5 得 荆 一万1 所以线圈的输出电压为 姒归托 r 一等稚 3 6 从上述分析和式 3 6 可以知道 在自积分工作状态下 线圈输出电压 与 被测电流i t 成比例 它们之间没有微分关系 这种情况适于采样电阻很小 测量 高炳由流的场合 3 2 2 微分工作状态 4 k f f 戮e 万上t 恹忿r 用丁测夏低拟电 侃 且术件电阻 阻僵投灭 根据等效电路图3 3 可知 印m 等鹕 州力 3 7 当去 蜀时 t f o f 之 f 弓 线圈处在微分工作状态下 则公式 3 7 可写为 m 篱地 尺1 沁 i l 丽d u t 半球r 3 8 将e f 一m 竺掣代入式 3 8 得 口f m 警 百l 酉d u b t 警小r 出 冠d 1冗 7 当吾穹祟 墨笋强 即国厂 只 蜀时 上式变为 墨d f 墨 7 一 卅警 警删 1 7 3 9 3 1 0 浙江工业大学硕七学位论文 姒忙一罴警 3 1 1 从上述分析和式 3 1 1 可以知道 在微分工作状态下 线圈输出电压 r 与 被测电流f f 的微分成比例 这种情况适于采样电阻很大 测量低频电流的场合 3 3 母线与r o g o w s k i 线圈位置对测量的影响分析 3 3 1 母线偏离圆心分析 前面推导r o g o w s k i 线圈工作原理时是假设一次母线穿过r o g o w s k i 线圈的圆 心 但实际的工程安装是不可能绝对保证一次母线在线圈圆心的 假设r o g o w s k i 线圈的几何尺寸是理想情况 如图3 4 所示 母线偏离圆心的距 离是b 了为线圈某一匝的法线矢量 j b 厂 弋 扔 r 图3 4 一次母线偏离圆心磁场分析图 根据几何关系有 r2 厂2c os2 口 厂s i n 口 6 2 厂2 b2 2r bs i n 口 0 r 由余弦定理得 浙江工业大学硕士学位论文 c osy 2 r2 一b 2 厂 bs i nt 2