电子式电流互感器的基本原理及应用-课件

电子式电流互感器的基本原理与应用1ppt课件主要内容发展背景光学电流互感器空心线圈电流互感器应用与展望2ppt课件发展背景3ppt课件电力互感器的作用将电力系统一次侧的电流、电压信息传递到二次侧，与测量仪表和计量装置配合，可测量一次系统的电流、电压和电能(称之为测量用互感器)。当电力系统发生故障时，互感器能正确反映故障状态下电流、电压波形，与继电保护和自动装置配合，可以对电网各种故障构成保护和自动控制(称之为保护用互感器)。目前，电力系统主要是采用传统的电磁式电流、电压互感器和电容式电压互感器。4ppt课件传统互感器存在的问题绝缘结构复杂，体积笨重，造价高（造价随电压等级呈指数关系上升），特别是用于超高压系统并且要满足大短路容量的动稳定及热稳定要求时；传统互感器测量稳态电流时，线性度较好；但在暂态时，由于线路中存在直流电流，使得电流互感器易发生饱和，造成测量误差，可能导致继电保护的误动或拒动；电压互感器可能出现铁磁谐振，损坏设备；5ppt课件传统互感器存在的问题由电流、电压互感器引至二次保护控制设备的电缆是电磁干扰的重要耦合途径；采用油浸纸绝缘，易燃易爆，不安全；电磁式电流互感器的二次侧输出对负载要求严格，若二次负载较大，测量误差就增大，准确度下降；传统互感器的模拟量不能直接与计算机相连（电流互感器模拟量输出为5A或1A），难以满足新一代电力系统自动化、数字化的发展需要。6ppt课件电子式互感器的优势消除了磁饱和现象。电子式互感器没有铁芯，暂态性能好。对电力系统故障响应快。现有保护装置是基于工频量进行保护判断的，而使用电子式互感器可以实现暂态信号量作为保护判断参量。消除铁磁谐振。优良的绝缘性能。电子式互感器的绝缘相对简单，高压侧与地电位之间的信号传输采用绝缘材料制造的玻璃纤维，体积小、重量轻。7ppt课件电子式互感器的优势适应电力计量与保护数字化的发展要求。电子式互感器能直接提供数字信号给计量、保护装置，有助于二次设备的系统集成。动态范围大，频率响应范围宽。额定电流为几十安到几十万安培，能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。经济性好。在电压等级升高时，成本只稍有增加。可以组合到断路器或其他高压设备中，共用支撑绝缘子，可减少变电站的占地面积。8ppt课件电子式电流互感器的需求更迫切故障情况下，传统互感器的测量都有不同程度的失真，但电流互感器远比电压互感器严重。光学互感器采用光纤传输，而光纤传输方式对于电流互感器可以大幅度简化绝缘结构和降低制造成本，对于电压互感器却达不到此种效果。电力系统中，电流互感器的数量远多于电压互感器，市场规模更大。9ppt课件电子式电流互感器的定义《电子式电流互感器》标准：IEC60044-8:2002，GB/T20840.8—2007电子式互感器：一种装置，由连接到传输系统和二次转换器的一个或多个电压或电流传感器组成，用以传输正比于被测量的量，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。在数字接口的情况下，一组电子式互感器共用一台合并单元完成此功能。电子式电流互感器：是一种电子式互感器，在正常使用条件下，其二次转换器的输出实质上正比于一次电流，且相位差在连接方向正确时，接近于已知相位角。10ppt课件电子式电流互感器的基本结构11ppt课件电子式电流互感器的基本结构12个二次转换器数据通道对来自二次转换器的电流和/或电压数据进行时间相关组合，通信标准为IEC61850。12ppt课件电子式电流互感器的分类光学电流互感器。采用光学原理、器件做被测电流传感器，光学原理器件由全光纤、光学玻璃等构成。传输系统用光纤光缆，输出电压正比于被测电流。在高压侧不需要电源供电。空心线圈电流互感器。以Rogowski线圈作为电流传感器，在高压侧需要电源供电。铁芯线圈式低功率电流互感器(LPCT)。通过一个分流电阻将二次电流转换成电压输出，实现I/V变换，具有低功率输出特性，动态测量范围大。13ppt课件光学电流互感器（全光纤电流互感器）14ppt课件法拉第效应1864年，法拉第发现在磁场的作用下，本来不具有旋光性的物质也产生了旋光性，即光矢量发生旋转，这种现象称作磁致旋光效应或法拉第效应。15ppt课件法拉第效应维尔德(Verdet)常数磁场在光传播方向的分量

光通过物质的光程l16ppt课件法拉第效应载流导体通以交变电流，其周围将有交变磁场，此时旋转角正比于磁场沿着线偏振光通过材料路径的线积分若将光路设计成围绕电流导体N圈的闭合环路，则上式是闭合环路的线积分，根据全电流定律电流与θ角成正比，环路数N越多，测量灵敏度越高。17ppt课件法拉第效应目前尚无高精度测量偏振面旋转角的检测器，因此，通常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，然后通过光电转换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。一般用光电探测器(检偏器)将角度信息转换为光强信息。为此必须先用起偏器将光变成线偏振光，经被测磁场后用光电探测器求光强信息。18ppt课件基于偏振检测方法的全光纤电流互感器光源发出的单色光经起偏器变换为线偏振光，由透镜将光波耦合到单模光纤中。高压载流导体通有电流，光纤缠绕在载流导体上，这一段光纤将产生磁光效应。光纤中线偏振光的偏振面旋转θ角，出射光由透镜耦合到渥拉斯顿棱镜，棱镜将输入光分成振动方向相互垂直的两束偏振光，并分别送达到光电探测器，经过信号处理，即能获得外界被测电流。19ppt课件基于偏振检测方法的全光纤电流互感器当载流导体没有电流时，使渥拉斯顿棱镜的两个主轴与入射光纤的线偏振光的偏振方向成，可获得最大灵敏度。当载流导体通以电流时，光电探测器接收到的光强为经过信号处理电路此结果是以光在全程中保持线偏振为基础的，即要求光纤在这个长度上尽可能接近无双折射。20ppt课件基于干涉检测方法的全光纤电流互感器基于干涉检测方法的全光纤电流互感器并不是直接检测光的偏振面旋转角度，而是通过法拉第效应作用的两束偏振光的干涉，检测其相位差的变化来测量电流。系统中处于高压侧的传感光纤为经退火处理的单模光纤;而处于高、低压两侧之间的传光光纤为椭圆芯保偏光纤。21ppt课件基于干涉检测方法的全光纤电流互感器由低压侧光源发出的光束经过光纤起偏器后变为线偏振光，其偏振方向与椭圆光纤的长、短轴成45度角，故在传光光纤中传输的是互为垂直的二束线偏振光。通过高压侧的λ/4波片后再变为旋转方向相反的圆偏振光，即左旋偏振光和右旋偏振光。它们在传感光纤中继续传输，并在电流产生的磁场作用下，各自旋转不同角度。22ppt课件二束光在光纤末端被反射镜反射，它们的旋转方向发生交换，即左旋偏振光变为右旋偏振光,右旋偏振光变为左旋偏振光。返程的二束光在电流作用下,偏振角再次发生旋转，再经λ/4波片后，变为互相垂直的两束线偏振光，但它们原来的偏振方向发生了交换，即正向传播时在x方向的偏振光，返程时变为y方向的偏振光，反之亦然。基于干涉检测方法的全光纤电流互感器二束光在起偏器中产生干涉,根据偏振干涉原理可获得被测电流值。23ppt课件全光纤电流互感器存在的问题全光纤电流互感器存在的主要问题是传感光纤的线性双折射难以处理。光波入射非均质体(光学性质随方向而异)，除特殊方向(光轴方向)以外，都要分解成振动方向互相垂直，传播速度不同，折射率不等的两种偏振光，此现象称为双折射。引起双折射的因素有很多，例如，光纤本身的不完善(椭圆度和内部残余应力)、外界温度及光纤机械状态变化等。根据双折射的特点，可以分为线性双折射、圆双折射和椭圆双折射。24ppt课件双折射对电流测量的影响降低了电流测量灵敏度。双折射使得线偏振光的两个正交光振动分量之间产生位相差，结果输出光变成了椭偏振光。当使用偏振仪进行测量时，由于椭偏振光偏转角的测量灵敏度比偏振光小，因此，整体的测量灵敏度也相应减小。对于不同的入射偏振面，传感器具有不同的测量灵敏度。由于线性双折射的存在，对不同偏振面的入射线偏振光，双折射引入的位相不同，使得整个探头的灵敏度随偏振面方位的改变而周期性变化。25ppt课件双折射对电流测量的影响测量灵敏度受外界温度的影响。弯曲光纤引入的线性双折射分布是随温度的变化而变化的，导致传感器的灵敏度也随温度变化而产生漂移，且沿光路上不同部分的灵敏度是逐渐变化的，分布不均匀。振动影响。周期性振动会引起传感头内线性双折射周期性改变，从而影响输出的稳定性。振动时，上行传导光纤的作用会使进入起偏器的光强发生波动，对系统产生不良影响。由于线性双折射对温度和振动等环境因素变化十分敏感，会造成偏振光偏振态输出的不稳定，影像测量准确度。因此，利用各种方法降低双折射是全光纤电流互感器实用化过程中需要解决的关键问题。26ppt课件解决双折射问题的方法减少双折射分量。采用低双折射的螺旋光纤（通过自旋方式拉制的低双折射光纤）或将光纤绕成适当的结构，减少双折射的影响。引入圆双折射。设法使光纤中的圆双折射远大于线性双折射，常用的措施有采用扭转光纤或采用高圆双折射光纤。扭转光纤就是将传感光纤沿轴向扭转多圈，以增加其固有圆双折射，这样，电流磁场产生的法拉第旋转将叠加在其固有圆双折射上，使测量灵敏度增加。这种方法的主要问题是扭转产生的圆双折射随温度变化，需要采取复杂的温度补偿措施。27ppt课件解决双折射问题目前所采用的方法采用退火光纤。将绕制完成后的传感光纤加热到大约800℃，然后慢慢冷却，可以消除光纤弯曲引起的线性双折射。缺点是退火后光纤变得非常脆，且透光率会受到影响。补偿法。采用两种不同偏振态的传感光波，一种为线偏振光，一种为圆偏振光。将其交替输入传感头，则输出信号可同时反映法拉第旋转和线性双折射效应，通过数据处理算法补偿双折射的影响。28ppt课件光学电流互感器（磁光电流互感器）29ppt课件磁光电流互感器基本原理由于光纤的线性双折射问题解决起来较为困难，一种新的方案应运而生。用块状玻璃作为传感头，通过材料内部多次反射形成环绕导体的闭合光路，其基本原理与光纤传感头相同。这种传感头可以选用高维尔德常数的玻璃材料，它不受光纤中存在的本征双折射及弯曲引起的线性双折射影响，温度折射和应力折射也都比较小。30ppt课件磁光电流互感器存在的主要问题磁光电流互感器存在的主要问题是反射引起的光偏振态变化。光学块状传感头中，线偏振光是通过多次全反射形成围绕被测电流的光回路的。由电磁场理论可知，当入射角大于临界角时，光矢量的s分量和p分量全反射后会产生一定的相位差，使线偏振光的偏振态发生变化（变为椭偏振光），从而降低测量的灵敏度，这与全光纤电流互感器中线性双折射产生的效果是一样的。因此，如何消除内反射引起的偏振态变化时研制这种传感器的关键。31ppt课件问题解决方案正交双全反射法。将构成封闭光路所需的每一次入射角度为45度的全反射都设计成两次正交全反射，由于这两次全反射的入射面是相互正交的，第一次全反射所产生的相位差在第二次全反射中抵消了，因而实现了无相差全反射。日本的Sato在1966年提出。多层反射膜保偏法。在光学玻璃的各个反射面上镀上特制的多层反射薄膜，并使入射角介于布诺斯特角与临界全反射角之间，则在该反射面上产生的反射无相位差。Kard在1959年提出。但这种方法对膜层材料、厚度及镀膜工艺要求极高，并且一种镀膜结构只对应特定波长的光源。32ppt课件问题解决方案临界全反射法。让入射角等于临界角，从而发生临界全反射，此时，线偏振光经过全反射后偏振态不变。这种方案对反射面角度的加工精度要求比较高，并且临界角会随着光源波长、外界温度等因素的改变而发生变化，使其偏离临界全反射状态。由于临界态本身就是一种不稳定状态，因而目前还没有将这种结构用于现场长期运行的报道。33ppt课件光学电流互感器（补偿式光学电流互感器）34ppt课件比较式光学电流互感器由于传感材料的Verdet常数的不恒定、线性双折射和全反射造成的相移等问题，光学电流互感器的灵敏度并不恒定，性能容易受环境因素的影响，在长期运行过程中往往表现出相对时间的长期漂移。比较式光学电流互感器在原有光学电流互感器的基础上引入一个稳恒参考磁场，通过将被测电流磁场与参考磁场进行比较，得到与环境温度无关，仅与被测电流磁场大小有关的最终测量结果。这种方法能够对传感头内部的线性双折射和传感材料的Verdet常数同时进行补偿。35ppt课件比较式光学电流互感器测量臂用来传感被测电流产生的磁场，参考臂用来传感参考稳恒磁场，二者在空间位置上相互正交。实现补偿的关键在于测量臂和参考臂的一致性，必须取自同一块均质的磁光材料，并且加工成同样大小，同样形状。这样，两条传感臂中的线性双折射相等，同时也保证了两臂受外界因素影响的程度一致。36ppt课件比较式光学电流互感器δ

为传感头内部线性双折射引起的相位延迟。37ppt课件自适应光学电流互感器普通光学电流互感器是一个典型的开环结构，这是导致其准确度不高的内因。如果改变光学电流互感器的开环机理，使其具有闭环系统特性，环境温度对光学电流互感器的测量性能就不具有决定性作用。基于上述思想出现了自适应光学电流互感器的补偿校正方案。自适应光学电流互感器的基本思想是：构造两组或两组以上的独立输出量，通过对这些独立输出量进行自适应运算获得与干扰（包括温度干扰）无关的测量输出结果。38ppt课件自适应光学电流互感器自适应光学电流互感器可以看作一个多输入、单输出的滤波器，该滤波器具有可调节的参数，参数的调节由自适应算法完成，而自适应算法又是由光学电流互感器的输出量和其他独立变量经过数字信号处理后的误差信号驱动的。39ppt课件自适应光学电流互感器光路独立量：将输入线偏振光分解为两束光，即线偏振光和经1/4波片后的圆偏振光。两束光经光学电流互感器后成为两组独立的电流信号，即与双折射和法拉第旋转角有关的电流和与双折射有关的电流。经自适应运算处理后，可以得到与双折射无关的高精度测量输出。40ppt课件自适应光学电流互感器光电独立量：光学电流互感器和稳态参考模型同时测量被测电流（稳态电流传感器的作用是提供基波电流量测量），由此得到两组相互独立的电流信号，即与双折射角和法拉第旋光角有关的电流及与二者无关的基波电流。经自适应算法处理后，可以得到与温度漂移无关的高精度测量输出。41ppt课件自适应光学电流互感器自适应算法：关键在于获得适当的自适应校正系数，需要寻找最佳权系数的搜索方法。Kalman滤波器能够用于解决从噪声中提取信号的过滤或预测问题，以估计的结果与信号真值之间误差的均方值最小为最佳准则。Kalman滤波算法是递推形式，非常适合计算机处理。Kalman算法既适用于平稳过程，也适用于非平稳过程。42ppt课件自适应光学电流互感器自适应算法：当电力系统出现故障时，由于稳态电流参考模型的电流测量原理是基于电磁传感原理的，会在电流中出现非周期分量，导致稳态电流参考模型会由于磁饱和而出现严重的波形失真。因此在电力系统出现故障后，必须停止自适应计算。电力系统故障时，系统电流中会出现奇异点。小波变换具有多尺度分析和良好的视频局部化特征，可以准确捕捉突变信号。正是根据这个特征，自适应光学电流互感器利用小波变化判断系统是否发生故障，从而闭锁自适应计算。43ppt课件空心线圈电流互感器44ppt课件基本原理空心线圈电子式电流互感器是一种基于传统电流传感原理、采用有源器件调制技术，由光纤将高压端转换得到的光信号传送到低压端解调处理得到被测电流信号的新型电流互感器。高压端需要电源，因此又称为有源式电流互感器。45ppt课件关键技术——电流采集以空心线圈为保护通道传感单元，低功率铁芯线圈为测量通道传感单元。一般来讲，手工绕制罗氏线圈比较困难，难以满足高精度计量要求。采用印制电路板设计的线圈，可以通过计算机辅助设计将印制导线均匀布置在印刷电路板上，数字加工技术能保证每匝线圈的横截面积相等。由于加工工艺的限制，PCB板通常不能很厚，布线匝数不能很多，单个线圈产生的电压不足以满足输出的要求，需要几块PCB板串联使用。46ppt课件关键技术——电流采集平板型空心线圈组合型空心线圈47ppt课件关键技术——积分技术模拟积分器结构简单、响应速度快、输入动态范围大，但是由于实际器件不是理想器件，运放的失调、电容的泄露与损耗、时漂和温漂等因素都会造成积分误差。其次，模拟积分器的反馈和补偿设计不够灵活，且补偿环节易引入新的误差。而积分器需要长时间稳定工作，完全克服这些因素造成的误差是十分困难的。数字积分器的优点是：性能稳定，相位特性优良，结构灵活，调节方便。48ppt课件关键技术——信号调制光强调制式。电路变换后驱动高亮LED实现电光转换，LED工作在线性区，其输出光强和待测电流成比例。LED的输出信号经多模光纤传输到低压侧，由光电检测器实现光电转换后，送往信号处理电路实现放大、滤波和显示等功能。光强调制式的缺点是传输的是模拟信号，易受外界因素影响，因而精度较差。49ppt课件关键技术——信号调制脉位调制式。电流互感器输出的二次交流信号经过整流、滤波电路变为直流信号，再由PWM(脉冲宽度调制)电路将被测信号调制为脉宽信息，然后再通过PPM(脉冲位置调制)电路获得对应于脉宽的脉位信号去驱动发光二极管。脉冲调制式的缺点是只能测量有效值，测量精度受整流电路的影响较大，特别是当测量电路含有不同谐波分量时对测量精度造成较大影响。50ppt课件关键技术——信号调制数字调制式。待测电流转化为电压信号，送往前置放大电路，然后经快速采样和A/D转换电路转换为数字信息去驱动发光二极管。低压侧的光电转换器件将由光纤传送来的光信号转换为电信号，然后由数字信号处理器实现数字滤波、信号解调和显示等功能。数字调制的缺点是在高压侧数据发送电路和低压侧接收电路必须有同步的时钟信号，才能保证数据的正确性，因此需要两个光电传输系统来完成高低端之间的数据传送和同步，增加了整个系统的成本，并且采用位串传送数据，抗干扰能力较差。51ppt课件关键技术——信号调制脉冲频率调制式。待测电流经电流/电压变换后，由V/F变换电路转化成与逻辑电路兼容的脉冲串或者方波，其输出频率与输入模拟量呈精确的线性比例关系。低压侧的解调部分可以采用F/V变换，也可以由微处理器采用计数方法在给定的计数周期内测量输入脉冲串或者方波的个数，就可以得到在这一计数周期内输入模拟量的平均值，通过选择正确的计数周期，这种方式可以得到高精度的测量信号。52ppt课件关键技术——高压侧供能空芯电流互感器采用悬浮式电源变换器的供电方式(简称小CT方式)从一次导线上取能量。但当一次电流很小，如低至额定电流的5%甚至1%以下时，电源变换器则不足以维持正常的激励状态，无法供出能量，存在小电流供电死区，可能使电子式互感器无法正常工作。后来发展为采用低压侧的半导体激光器通过供能光纤给高压侧的调制电路供电，但存在的关键问题是高压侧工作的电路功耗过大，60mW左右。当然功耗可能进一步降低，但功耗的降低意味着互感器的性能将会随之降低，在功耗和性能之间必须寻求一个最佳的平衡点。53ppt课件关键技术——高压侧供能一般光电转换的效率较高时为30%，这就要求光源（半导体激光器）的出纤功率至少达到180mW以上，而出纤功率在这种数量级的光源，一般寿命较短，远远不能满足电力系统对互感器的寿命要求。目前高压侧的供能方法一般是采取复合供能的方式：一次电流较大时，采用CT供电方式；一次电流较小时，采用激光供能方式。这种方法可以尽量降低大功率激光器工作的时间，延长其寿命。54ppt课件应用与展望55ppt课件发展与应用早在20世纪60年代,国外即开始研究光学电流互感器,但由于精度低,温度特性差,皆未成功挂网运行,处于理论探索阶段。从20世纪70年代起大部分国家都集中在无源式电流互感器的研制工作上。例如，美国以块状结构的磁光式电流互感器为主，对它的传感探头结构、温度问题、信号处理、计量、显示、以及长期可靠性问题都作了较为深入的研究。西屋公司研究组研制出的样机于1986年进行过单、三相计量与继电保护的方面的挂网运行试验，后来这个研究组被ABB收购。目前，ABB公司已有69kV-765kV全系列磁光式电流互感器产品。56ppt课件发展与应用系统电压72.5-800kV绝缘水平350-2050kV额定一次侧电流至2000A额定二次电流1A精度超过0.2级(IEC)57ppt课件发展与应用加拿大的NxtPhase公司利用美国Honeywell公司先进的光纤陀螺导航技术成果，成功研制了全光纤式电流互感器，精确度达0.2级，产品已在美国的亚利桑那州电力公司运行。2009年，AREVA（阿海珐）输配电公司收购Nxtphase公司，并开始在全球范围内推广这一先进技术。到目前为止，在北美和欧洲等23个国家共有1073套系统已经投入运行，电压等级覆盖36kV到550kV，包括高压交流和高压直流应用、超大直流电流应用和GIS应用等。阿尔斯通与施耐德电气完成阿海珐输配电收购。德国西门子公司也在研究类似的全光纤式电流互感器。另外，日本及英、法、瑞士等国在磁光式电流互感器上进行了大量的研究工作。58ppt课件发展与应用我国在光纤电流互感器方面的研究起步比较晚，上世纪80年代才开始，相对其它国家比较落后。清华大学、华中科技大学、西安交大、哈尔滨工业大学、燕山大学、华北电力大学、武汉大学、电子部26所、北京电科院、沈阳互感器厂和上海MWB互感器制造公司等都在这方面取得了一定的成果。目前，国内提供光学电流互感器的主要厂家有：许继电气和南瑞继保，此外还有武汉烽火富华、珠海成瑞（光供电混合型）、北京水木源华、西安高研等等。2010年12月，中国电科院研发的500千伏全光纤电流互感器通过鉴定，其测量准确级达0.2S级/3P级，达到行业应用对于互感器产品的最高要求。59ppt课件发展与应用60ppt课件发展与应用61ppt课件发展与应用62ppt课件发展与应用许继在黑河挂网运行的电子式电流互感器63ppt课件发展与应用许继自适应光学电流互感器64ppt课件展望通过多年探索,上面介绍的几种主流结构也都有挂网运行的经历及产品出现,但由于成本、精度、长期运行的可靠性等方面的原因,目前离大规模替代传统电流互感器还有距离。今后,除了可能出现新的方法外,总的发展趋势将集中表现在继续探索解决上述问题的方案上,并可能在以下方面获得突破:研究新型传感光纤。随着光纤材料研究的进展,可能出现高维尔德常数且对温度不敏感的新型传感光纤,提高全光纤型电流互感器的精度及稳定性。65ppt课件展望集成光学的发展。研究集成光学组件,将光路中用到的有关光学器件集成在一个组件上,简化系统结构,提高性能。例如,目前已经出现的用于光纤陀螺的集成组件,采用LiNbO3作为功能材料,将光分路器、相位调制器、偏振器等集成在一个芯片上,使系统性能大大提高,经过改进,这种集成组件可望用于全光纤型电流互感器。磁光玻璃型传感头结构设计。在保证反射保偏性的前提下,优化光路设计,提高传感头的易加工性。