电子式互感器的关键技术及应用-黄建华

电子式互感器的关键技术及应用国电南京自动化股份有限公司黄建华目录定义及分类基本原理关键技术几点思考结论电子式电流互感器的定义及分类根据IEC60044-8«Electroniccurrenttransformers»(2002)的定义：光学电流互感器（光学玻璃、全光纤、光栅）空芯电流互感器（传光型）铁心线圈式低功率互感器（传光型）电子式电压互感器的定义及分类根据IEC60044-7«Electronicvoltagetransformers»(1999)的定义：光学电压互感器（传感型）阻容分压型电压互感器（传光型）光学电流互感器的基本原理根据Faraday磁光效应,线偏振光在磁场的作用下,其偏振面会发生旋转。ViNHdlVllBLopt光学电流互感器的基本原理光学玻璃型全光纤型（FOCT)偏振检测方法干涉检测方法双折射是指光纤中传输的两个模式的传播常数或相速随着模式偏振不同而不同的现象，反映了由线性双折射在两个偏振本征模之间引入的相位延迟。（形状双折射、应力双折射）sin2-P2sin2121IIIIP无双折射有双折射光学电流互感器的基本原理由于线性双折射的存在，将使得电流测量灵敏度减小，并且不稳定。减小了电流测量灵敏度。这是因为双折射使线偏光的两个正交光振动分量之间产生一个位相差，结果输出光变成了椭圆偏振光。对于不同的入射偏振面，传感器具有不同的测量灵敏度。灵敏度随偏振面方位的改变而周期性变。测量灵敏度受外界温度的调制。2sin2121IIIIP无双折射sin2-P有双折射光学电流互感器的基本原理在光纤电流传感器中，由于光纤内存在的线性双折射对于温度与振动等环境因素变化十分敏感，而双折射会造成偏振光偏振态输出的不稳定，影响测量的精确度，因此利用各种方法降低双折射是FOCT实用化过程中需要解决的关键问题。采用保偏光纤是最主要的技术手段。保偏光纤是利用光纤的双折射特性、对传输的偏振光的偏振态能够加以保持并传输的光纤。（螺旋（Spun）光纤、扭转光纤等）光学电流互感器的基本原理基于干涉检测方法的全光纤电流互感器（FOCT）干涉型的FOCT并不是直接检测光的偏振面的旋转角度，而是通过受Faraday效应作用的两束偏振光的干涉并检测其相位差的变化来测量电流。干涉型FOCT主要可以分为Sagnac环形结构（也称Loop结构）和反射结构（也称in-line结构）。光学电流互感器的基本原理基于Sagnac反射结构的FOCT由光源发出的光经过保偏光纤耦合器后由光纤起偏器起偏变成线性偏振光，恰在保偏光纤的光轴上的光能保持这种偏振状态，然后经过一个45度融解进入第二段保偏光纤，因此在这段光纤两个光轴上的电场矢量的分量相等。这两个分量成为两个分别在两个光轴上互相垂直（X和Y轴）的线性偏振光，分别沿保偏光纤的x轴和y轴传输。这两束光经过λ/4波片，分别转变成为左旋和右旋的圆偏振光，并进入传感光纤。由于被测电流会产生磁场和在传感光纤中的Farada磁光效应，这两束圆偏振光的相位会发生变化(△θ=2VNI)，并以不同的速度传输。光学电流互感器的基本原理基于Sagnac反射结构的FOCT两束圆偏振光在反射膜端面处反射后，偏振模式互换(即左旋光变为右旋光，右旋光变为左旋光)，然后再次穿过传感光纤，使Faraday效应产生的相位加倍(△θ=4VNI)。两束光再次通过λ/4波片后，恢复成为线偏振光，并且原来沿保偏光纤X轴传播的光变为沿保偏光纤y轴传播，原来沿保偏光纤y轴传播的光变为沿保偏光纤x轴传播。分别沿保偏光纤x轴、y轴传播的光在光纤偏振器处发生干涉。通过测量相干的两束偏振光的非互易位相差，就可以间接地测量出导线中的电流值。光学电流互感器的基本原理基于Sagnac反射结构的FOCT在理想情况下，探测器探测到的光强信号大小为：)]cos(1[210IIout相位调制器在检测电路的驱动下产生一个与大小相等方向相反的反馈相移，通过检测反馈信号的大小即能确定相位，从而得到被测电流的大小。空芯电流互感器的基本原理整个线圈均匀地绕在非磁性骨架上，由全电流定律和电磁感应定律可得到线圈互感系数M0ln2aiNhRMRE=M×jω×Ip对于稳态下的正弦电流，空芯线圈的输出电压为优点：不饱和，线性范围宽缺点：信号小，且需要积分还原低功率电流互感器的基本原理LPCT仍然是基于电磁感应原理的铁芯CT，它实际上代表了传统CT的发展。特别之处在于所用的铁芯材料是微晶合金铁芯，并且集成了一个取样电阻，将电流输出转换成电压输出。P1IpNpP2NSRshS1S2RbUS二次输出电压US=Rsh×IS=Rsh×Np/Ns×Ip=1/KR×Ip光学电压互感器的基本原理基于Pockels效应:电光晶体在外电场的作用下,其折射率会线性地发生变化,从而使偏振光的两个分量之间产生位相差。VVdlVrn)(2413Pockels晶体¼波片起偏器检偏器自聚焦透镜自聚焦透镜电容分压型电压互感器的基本原理10kV、35kV一般采用电阻分压。110kV以上一般采用电容分压或阻容分压。(A)电容分压器;(B)信号调理单元;(C)光供电单元;(D)供能光纤;(E)激光器;(F)信号解调单元;(G)信号传输光纤.传统互感器与电子式互感器的比较传统CT、PT、CVTCT、PT测量准确度高，温度稳定性好；可靠性高（故障率？）CVT体积小,成本低CT具有铁芯结构，易发生磁饱和，造成保护拒动或者误动；PT、CVT（补偿电抗器、中间变压器）易产生铁磁谐振；高频响应差，新型的基于高频暂态分量的快速保护难以实现电子式互感器没有铁芯，无磁饱和现象，提高了故障测量的准确性绝缘结构简单，没有因含油而产生的易燃、易爆炸等危险ECT二次侧开路时不会产生危险的高压抗电磁干扰能力强频率响应范围宽，可促进保护新原理的研究适应了电力计量和保护数字化、微机化和自动化发展的方向传统互感器与电子式互感器的比较关键技术电容分压型的电子式电压互感器偏差式测量原理，易受温度、振动的影响线圈的准确度、积分器的性能优化、高压侧供电串级分压易受外界干扰、暂态特性空芯电流互感器光学电流、电压互感器光学电流、电压互感器的关键技术光学电流、电压互感器被认为是传统互感器的理想替代品，但是经历了几十年的发展，仍然没有得到大面积的推广应用——长期稳定性问题是阻碍OCT实用化的关键。造成OCT长期漂移的主要因素温度使传感头内部产生线性双折射使材料的Verdet常数发生变化振动造成光强的波动产生应力双折射造成OCT长期漂移的根本原因光学传感头为开环结构,测量原理为偏差式测量原理，因而测量准确度难以提高。测量原理的分类偏差式测量：在测量过程中，用仪表指针的位移(即偏差)决定被测量的测量方法，称为偏差式测量法。零位式测量：在测量过程中，用指零仪表的零位指示，检测测量系统的平衡状态；在测量系统达到平衡时，用已知的基准量决定被测未知量的测量方法，称为零位式测量法。可以获得比较高的测量准确度。测量过程比较复杂，在测量时，要进行平衡操作，花费时间长。测量原理的分类微差式测量：将被测的未知量与已知的标准量进行比较，并取得差值，然后，用偏差法测得此差值。微差式测量法的优点是反应快，而且测量精度高，它特别适用于在线控制参数的检测。例如：传统互感器的校验仪OCT实用化的另外的问题测量的动态范围有限：测量小电流时准确度和分辨率都不高。测量频带和其他原理的互感器存在同样的问题，受信号处理电路的限制：传感头的测量频带宽，但是仍需要后续电路进行信号的分离、滤波等信号处理，为了提高测量准确度，降低噪声，需要压缩频带。FOCT实用化存在的问题反射式光纤电流互感器实质上是一种偏振干涉仪，要求光在传播过程中保持特定的偏振态，而非理想的光学器件会造成偏振光之问的串扰，影响测量准确度。FOCT的户外部分为全光学器件，光学器件工作在变电站恶劣的环境下，因此FOCT同样存在所有干涉检测型传感器的偏振态变化和相位随机漂移而导致的信号衰落问题。虽然和FOCT技术类似的光学陀螺已经有产品面世，但这两种产品相比较，从运行环境、稳定性来看，显然FOCT具有更加严格的要求。变电站一次额定电流较小，同时被测电流的变化范围较大，当电流较小时，信噪比较低，对FOCT的信号调制和解调均提出了更高的要求。构成FOCT的关键光学器件（如激光器、保偏光纤等），甚至高性能的保偏光纤熔接机，都需要从国外进口，不但价格高，而且受制于人。空芯电流互感器关键技术之一空芯线圈的制作原则实现对电流的准确测量取决于一个稳定的互感系数。为了获得高测量准确度，空芯线圈绕制时必须遵循以下原则：二次绕组在一定大小的非铁磁材料骨架上对称均匀分布；每一匝绕组的形状完全相同；每一匝绕组所在平面与骨架所在的圆周的中心轴垂直。几何尺寸在微米量级均匀空芯电流互感器关键技术之二积分器的性能优化输出必须采用积分器还原被测电流信号。AVinVoR1R2R3C120logHlh理想的积分器实际的积分器0211lRCh由运算放大器本身的增益带宽积决定1101RCo2211(1)*V()H(s)=()inRRCSRsVsoo1o12()V()V(),V(0)0inVtdttCRdtR空芯电流互感器关键技术之二积分器的性能优化输出必须采用积分器还原被测电流信号，而积分器的时间常数有限，当系统短路、有大的衰减直流分量的时候，其暂态误差特性取决于测量的下限频率。空芯电流互感器关键技术之三高压侧供电技术以空芯线圈为传感单元，将高压侧的含有被测电流信息的电压信号转换成数字信号驱动发光二极管，通过信号传输光纤以光脉冲的形式传输至低压侧。因此，高压侧需要供电。空芯电流互感器关键技术之三高压侧供电技术高压侧电路的功耗过大。已经达到的最低功耗（国外的报道），一般在70mW左右。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200mW以上。出纤功率在这种数量级的光源，其寿命较短。高压侧的光电转换单元长期工作在户外环境，转换效率会逐渐衰减。空芯电流互感器关键技术之三高压侧供电技术如果采用一个CT供电+两个大功率激光器供电的方案成本较高：（＄900x1.17)/只可靠性：缺乏长期实际运行的经验和数据。电容型电子式电压互感器关键技术之一串级分压结构多级电容串联分压结构，容易受到外界的干扰。实际电容分压器的电容元件和大地或接地屏蔽之间存在分布电容，是造成分压器误差的主要原因。实际上,串级分压结构的电子式电压互感器的测量准确度很难做到很高。假设分压器高压臂是由n个电容单元串联而成，其中：CK—串联电容单元，CK=nC1；CL1—各电容单元对地或对接地屏蔽之间的电容；CS—各单元之间的纵向电容。电容型电子式电压互感器关键技术之二电荷滞留引起的暂态误差电网中由于过电压和开关操作引起暂态过程。滞留电荷量的大小取决于线路断开时线路电压的相位。线路重新接入时，取样电容上的电压随时间常数衰减，叠加在稳态正弦信号上造成误差。电荷滞留问题可能引入较大测量误差，对重合闸可能造成影响。传统互感器与电子式互感器的比较从测量的传感原理比较稳定性稳态准确度暂态准确度传统CT高不适合用于频带宽的场合低LPCT高不适合用于频带宽的场合低空心线圈高特别适合宽频较高光学互感器有待提高小电流时有待提高较高CVT有待提高有待提高中等结论：从保护的角度：空心和光学互感器为首选；从计量的角度：对于工频测量，LPCT是首选；对于冲击性负荷的宽频测量，空心线圈是首选。针对传统电流互感器和电子式电流互感器的思考关于绝缘结构：充油型充气型关于测量频带：如果采用LPCT，电子式互感器和传统的互感器没有任何差别。关于饱和问题：如果采用空心线圈，可以极大地改善。结论：将两者的优势结合起来，可以走出现有的误区。一种新的绝缘结构的电子式电流电压组合式互感器特点1：采用倒立式气体绝缘电流互感器的绝缘结构，使得电流测量线圈和信号调制电路板均位于地电位，因而可以直接采用普通电源用电缆供电，不再需要光供电，大大提