高准确有源光学电流互感器的研制

高准确有源光学电流互感器的研制

1aoct的应用作为传统电磁性电流传感器（ct）的理想替代品，该装置引起了全球研究人员的注意。按高压侧的传感头是否需要工作电源,可以将光学电流互感器分为有源式和无源式两种。一般地,无源光学电流互感器(POCT)采用法拉第磁光效应原理(被称为磁光电流互感器)。磁光电流互感器易受温度等环境因素引起的双折射的影响,而且受光学工艺和光学材料的制约,其测量准确度和长期运行稳定性难以达到实用化要求。和磁光电流互感器相比,有源光学电流互感器(AOCT)具有价格低廉、工艺简单、准确度高和稳定性好等优点,具有更好的实用前景。AOCT采用光纤连接高压端和低压端,具有简单的绝缘结构和优良的绝缘性能,这使其在高压和超高压电流测量应用中更优于传统的CT。以上优点使AOCT吸引了越来越多研究者们的兴趣。研究集中在降低传感头功耗、高压端供电电源和提高测量准确度等方面。文献采用独特的相位编码调制方式驱动发光二极管,实现了传感头的超低功耗设计(3.3mW);设计了激光器和电力线联合供能方案,准确度达1%。AOCT研究的主流是Rogowski线圈式,希望同时兼顾计量和保护应用。Rogowski线圈式AOCT受线圈的制作工艺水平、线圈和积分器参数的稳定性、一次导体位置等因素影响,其测量准确度理论上最高可达0.1%,实际应用时通常为1%～3%,所以Rogowski线圈式AOCT适合于继电保护应用,是否能满足计量需要还有待进一步的研究和实践检验。文献设计的Rogowski线圈式测量准确度达到了0.5级。文献研制的AOCT取得了两年的挂网运行经验,从文中介绍采用0.1级标准CT校验推断,其测量准确度也达到了0.5级。虽然,最近有用于气体绝缘开关的Rogowski线圈式AOCT达到了0.2级的准确度要求,但到目前为止还未见有满足计量要求的悬挂式AOCT出现。因为用于气体绝缘开关的AOCT调制电路位于低压侧,易于由开关获得电源;而悬挂式AOCT调制部分位于高压侧,芯片选择和电路设计等都受电源供能容量的限制。提高测量准确度是AOCT研究的重点和难点之一,也是实用化的关键。本文研制的悬挂式AOCT在-40℃～60℃工作温度范围内测量准确度达到了0.2级,能够满足电力计量的应用要求。2发射电路及光纤有源光学电流互感器采用小型高准确度电磁式电流互感器将待测的大电流信号转换为小电流信号,经精密电阻变为弱电压信号后经电子线路调制成数字电信号,再由光电转换元件转化为数字光信号,经光纤传送到低压端解调恢复成和待测电流成比例的弱电信号,并获得电流幅值和相位信息。系统的原理结构如图1所示。作为传感头电流变换元件的小型高准确度电磁式电流互感器,由于一次和二次绕组同处于高电位侧,不必考虑高压绝缘问题,所以体积可以做的很小。本论文研制的小CT采用匝数补偿方法,变比为300A/20mA,准确度为万分之一。传感头电路的调制方式可以有多种,如光强调制、脉宽调制、频率调制和ADC数字调制等。本论文选择频率调制方式,因为其抗干扰性能好,结构简单,可靠性好,能够很好地适应高压侧恶劣的电磁环境。由于高压侧难以提供大功率的供电电源,所以调制电路选择低功耗、单电源供电的VFC集成芯片AD537,供电电压范围:5～36V,非线性误差不超过0.1%,调制频率可达100kHz。AD537只能处理单极性的输入信号,而小CT二次电流经高精密电阻变换为双极性的弱电压信号,必须附加直流偏置电压后才能输入给AD537,为此本论文构建了以低失调运放CA3140和AD537电压基准为核心的偏置电路。AD537输出的频率信号驱动发光二极管转换为光脉冲经光纤传输到低压端,具有传输距离远、抗干扰性能好的优点。本论文选择Agilent公司具有良好性价比的光发送组件HFBR1414。HFBR14X4的核心部件是一个工作波长为820nm的AlGaAsLED。由于采用了特殊的双透镜耦合系统,HFBR14X4具有很高的耦合效率,允许采用低的驱动电流,从而使发射电路具有低功耗和高可靠性的优点。高的耦合效率保证了发送器可以将光功率有效地耦合进多种规格的光纤,本文选用普通的62.5/125μm多模通信光纤。HFBR1414数据传输率可达155MBd,最大传输距离为2.7km,具有宽的工作温度范围:-45℃～85℃,采用标准的光纤连接头,连接方便。光接收组件为Agilent公司的HFBR2416,工作波长为820nm。HFBR24X6具有和HFBR14X4一样的高效率光耦合系统,可以和多种规格的光纤相耦合,耦合效率具有很好的一致性。HFBR24X6包括一个PIN光电二极管和一个低噪声变阻抗前置放大集成电路,将接收到的光信号转换为模拟电压信号输出。由于HFBR24X6接收器集成有前置放大功能,它的输出信号幅值远大于一般的单PIN光电二极管检测器,抗电磁干扰性能好。光接收组件输出的电压信号由信号处理单元进行解调,并完成补偿算法。高压端传感头电路由地面大功率激光器供能,大功率激光器经由供能用光纤将光能传送到高压端,再由光电池组件将光能转换为电能。本论文采用具有高转换效率的光电池组件(PD:CJ061,在0℃时的转换效率为42%,温度升高,转换效率下降,60℃时转换效率比0℃时的转换效率下降约7.5%)。光电池组件耐受的最大输入光功率为1W,则一个光电池组件最大可提供约350mW的电功率。光电池可靠工作寿命达30年。本论文设计的传感头电路功耗为100mW,按最低转换效率30%计算,光电池需要的光功率约350mW,供能光纤采用芯径为200μm的多模光纤(如果提高激光器的出纤耦合效率,则可以采用和传输信号相同的芯径为62.5μm多模光纤,这样只需铺设一根光缆即可),设传输距离为300m,每公里损耗光功率约2.8dB,连接头耦合损耗0.7dB,入纤光功率应为500mW,激光器和光纤的耦合效率为60%,则供能激光器输出功率应为800mW,本文选择1W的激光器。光电池组件的工作波长为750～850nm,选择工作波长为808nm的激光器。对LD的驱动采用了半导体制冷技术,使LD输出恒定的光功率。光电池为非线性器件,存在最佳阻抗匹配问题,经实验测试:光电池组件的最佳匹配负载约为390Ω,所以通过合理设计使传感头电路的等效电源负载为350Ω。3测试通道的校验能力有源光学电流互感器的输出信号不同于传统的电流互感器,难以用传统的电流互感器校验仪测试其性能,为此,本文基于虚拟仪器技术,依据IEC60044-8标准,设计了AOCT的测试和校验系统。如图2所示,测试系统由大电流发生器、校验通道和虚拟校验仪三部分组成。电流信号发生器和升流器提供额定电流为300A的稳态工频电流信号,校验通道包括标准电流互感器、精密电阻和虚拟仪器信号采集卡三部分。虚拟校验仪计算并显示校验结果。测试系统的设计思想是采用比较测量法来校验AOCT的性能指标,即把AOCT的输出与校验通道的输出直接进行比较,比差和角差由式(1)和式(2)给出式中u——AOCT的输出幅值φ——AOCT的输出相位us,φs——校验通道的输出幅值和相位校验通道的准确度必须满足微小误差原则,即与被校验测量通道的测量误差相比可以忽略,则校验通道的测量结果可作为“真值”来对待。设D1为被校验测量通道相对校验通道的测量误差,D2为校验通道的测量误差,则根据误差传递定律,被校验测量通道的测量误差ξ可表示为设D2为微小误差,忽略D2后被校验测量通道的测量误差为ξ′,则有:ξ≈ξ′。若采用一位有效数字表示测量误差,近似式成立的条件是即一般地,误差取一位有效数字D2≤0.3ξ。用分数表示有式(6)说明校验通道的测量误差必须不大于被校验通道的测量误差的三分之一,本文待校验传感器的准确度等级为0.2级,即额定电流情况下比值测量误差不超过0.2%,相对应的校验通道测量误差应不超过0.06%。更严格地,取D2≤0.2ξ,用分数表示为依据式(7),额定电流情况下校验通道比值测量误差应不超过0.04%。将测试通道整机送交权威部门检验是对测试通道校验能力最直接的评价,但遗憾的是目前我国还没有这样的权威机构。所以本文采用测试通道间接评价方法:将所有的部件送相应的权威部门检验,然后依据误差合成理论计算其综合误差,本文采用最严格的绝对值误差合成法,即式中n指测试通道的组成部件总数。由上式得出的测试通道的测量不确定度往往比实际值偏大,比通常的均方根合成法趋于保守,也最“保险”,由此给出的测试通道的校验能力也最为严格。文中标准CT的准确度经武汉高压技术研究所测定为0.01级;精密电阻的准确度经中国电力科学研究院测定为0.01%;本论文采用美国NationalInstrument(NI)公司生产的数据采集卡,经上海计量研究所(NI授权的检测单位)检定,测量误差<0.007%,软件程序引入的误差忽略不计。以上各项误差合成后的综合误差小于0.04%。角差对应于通道的延迟,经测试整个参考通道的角差小于1′。以上测试结果表明:本文设计的测试系统满足校验0.2级AOCT的要求。4测试结果和分析利用本文设计的测试系统对AOCT进行了线性度测试和温度特性测试。4.1ct比差和角差当待测电流从额定电流的5%～120%变化时,AOCT的比差和角差如图3所示。虚线表示IEC60044-8标准对0.2级电子式电流互感器的比差和角差要求。从图中可以看出AOCT具有很好的线性度。4.2温度和传感头温度的影响将有源光学电流互感器的传感头置于调温装置中,当温度在-40℃～60℃范围内变化时,AOCT的比差和角差变化曲线示于图4。从图中可以看出温度对角差的影响可以忽略,而对比差的影响较大。温度对传感头的影响是测量误差的主要来源,包括对AD537电压基准的影响、使运放产生温漂、影响AD537的振荡电容值、改变压频变换比例因子等。其中前两项使输出附加直流偏置,不影响交流输出信号,但后两项将影响比差。传感头部分的输入和输出具有以下关系其中F为输出频率信号,i为待测电流,ki为变换因子。相对应地解调电路的传递函数为其中F为输入频率,与式(9)中F相同,u为输出信号,ko为变换因子。由式(9)和式(10)可得:u=kokii,显然温度引起ki的变化将影响比差。4.3实验结果与分析采用微处理器可以用数学手段对测量系统的非随机误差特性进行补偿,达到精确测量的目的。从图4可以看出温度对系统比差的影响具有一定的规律,因此可求出系统在多项式回归模型下的温度响应函数,并据此对比差予以补偿。将传感头放置于不同的温度中,获得对应的输出电压值如表1所示。对表1中的实验数据(Ti,Ui)(i=1,2,3,…,n)进行m次多项式回归式中di是在Ti处由回归方程式的计算值与测量得到的Ui值之间的偏差。令通过选取m和aj使得ρ最小,则获得阶次m和对应的模型参数aj的最小二乘估计值,此时有确定阶次后,解正则方程组(14)可得回归模型。数据分析表明:m=2时,ρ=8×10-4满足要求,此时获得传感头的温度特性回归模型为式中a0=1.6211,a1=7.4006e-005,a2=1.1385e-006。采用以上温度特性回归模型补偿后,AOCT的比差曲线如图5所示,能很好地满足IEC60044-8标准0.2级的比差要求。采用本文的温度补偿方法需要温度信息。在高压侧装设温度传感器可以使补偿方法获得最好的效果。本文采用的AD537芯片内部集成有温度敏感元件,易于实现温度-频率转换功能,将此频率信号通过光纤传输到低压端即可实现传感头部分的温度信息监测。5校验系统设计原则有源光学电流互感器采用成熟的电子技术结合光纤传输,绝缘可靠简单,具有很好的实用前景。本文基于误差分析理论设计了标准校验通道,并据此对本文研制的0.2