光電互感器校驗(yàn)的探討

■ 福建電能計(jì)量中心 郭志偉 陳明杰

寧德電業(yè)局 郭惠光

福州電業(yè)局 林同源

石獅電力公司 施宏蕩

福州億森電力設(shè)備公司 賴振文

一、引言

傳統(tǒng)電磁式互感器以其固有的體積大、磁飽和、鐵磁諧振、動(dòng)態(tài)范圍小和頻帶窄等缺點(diǎn)，已經(jīng)難以滿足新一代電力系統(tǒng)自動(dòng)化、數(shù)字化等的發(fā)展需要。隨著光纖技術(shù)和光電子學(xué)的發(fā)展，各種基于光學(xué)和光電子學(xué)原理的電子式電流互感器得到了迅猛的發(fā)展。Rogowski線圈以其不飽和性和易實(shí)現(xiàn)性，被廣泛用于電子式電流互感器高壓側(cè)的傳感單元中。但是，由于它在人工繞制和多層繞制過(guò)程中會(huì)引人額外誤差，而且、線圈骨架材料的溫度特性對(duì)線圈的輸出也有很大的影響，因而影響了Rogowski線圈的工業(yè)實(shí)用化進(jìn)程。

針對(duì)這種情況，本文采用低功率電流互感器（LPCT）作為高壓側(cè)傳感單元。LPCT作為一種電磁式電流互感器，具有輸出靈敏度高、技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、易于大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)；此外，由于其二次負(fù)荷較小，加上高導(dǎo)磁鐵心材料的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大動(dòng)態(tài)范圍電流的測(cè)量。 LPCT的輸出電壓信號(hào)由位于高壓側(cè)的信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字光脈沖信號(hào)，經(jīng)由光纖傳至低壓端控制室，然后由低壓側(cè)信號(hào)處理電路將光信號(hào)還原為電信號(hào)，并提供測(cè)量和保護(hù)兩個(gè)信號(hào)通道的輸出接口。由于采用光纖作為高低壓側(cè)信號(hào)連接的通道，所以在很大程度上降低了對(duì)電流互感器絕緣結(jié)構(gòu)的要求。

二、LPCT的測(cè)量原理

如前所述，LPCT實(shí)際上是一種具有低功率輸出特性的電磁式電流互感器，在IEC標(biāo)準(zhǔn)中，它被列為電子式電流互感器的一種實(shí)現(xiàn)形式，代表著電磁式電流互感器的一個(gè)發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。由于LPCT的輸出一般是直接提供給電子電路，所以二次負(fù)載比較?。黄滂F心一般采用微晶合金等高導(dǎo)磁性材料，在較小的鐵心截面（鐵心尺寸）下，就能夠滿足測(cè)量準(zhǔn)確度的要求。

三、系統(tǒng)構(gòu)成

電子式電流互感器的設(shè)計(jì)思路是在高壓側(cè)將從LPCT取得的模擬信號(hào)就地進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)；互感器本體提供標(biāo)準(zhǔn)的光通信接口，光信號(hào)通過(guò)該接口由光纖傳至控制室的信號(hào)接收單元。在控制室由低壓側(cè)信號(hào)處理單元將該光信號(hào)還原為數(shù)字電信號(hào)，并按照繼電保護(hù)和測(cè)量設(shè)備的要求，將信號(hào)進(jìn)行分離，并提供保護(hù)通道和測(cè)量通道的輸出接口。圖1是電子式電流互感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

系統(tǒng)中僅采用一個(gè)LPCT同時(shí)作為測(cè)量通道和保護(hù)通道的傳感元件，因此，首先必須保證LPCT在很寬的一次電流變化范圍內(nèi)有很好的線性度；其次，由于LPCT的二次輸出電壓變化范圍比較大，所以實(shí)現(xiàn)對(duì)全范圍信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量有一定的難度，這對(duì)高壓側(cè)信號(hào)處理電路也提出了較高的要求。

圖1中，高壓側(cè)信號(hào)處理電路主要由儀用放大器、4階Bessel抗混疊濾波器、14位A/D轉(zhuǎn)換器、復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）和電光轉(zhuǎn)換模塊組成。其中CPLD負(fù)責(zé)A/D轉(zhuǎn)換器所需控制信號(hào)的產(chǎn)生以及數(shù)字脈沖的編碼。

當(dāng)輸人模擬信號(hào)較小時(shí)，由于量化誤差的影響，A/D轉(zhuǎn)換的誤差將增大。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，一般將A/D轉(zhuǎn)換器的輸入調(diào)整為其滿量程值附近。本文中的高壓側(cè)信號(hào)處理電路中，共設(shè)置了3個(gè)模擬輸入通道。其中：1個(gè)用于測(cè)量傳感頭處溫度（通過(guò)安裝于傳感頭側(cè)的溫度傳感器提供模擬信號(hào)）；另外2個(gè)用于測(cè)量LPCT的輸出信號(hào)，將其放大增益分別設(shè)置為1和10，其中1倍增益回路作為保護(hù)通道信號(hào)，10倍增益回路作為測(cè)量通道信號(hào)，這是因?yàn)樵?00～120%的額定一次電流范圍內(nèi),LPCT的二次輸出電壓較小，將其放大10倍后再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，可以減小轉(zhuǎn)換誤差，提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

圖1中，高、低壓側(cè)之間的信息傳輸由光纖來(lái)完成。光纖具有良好的絕緣性能，利用光纖作為高壓端和低壓端的信號(hào)傳輸媒質(zhì)，具有絕緣簡(jiǎn)單、造價(jià)低、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。光纖中傳輸?shù)氖枪庑盘?hào)，必須在高壓端增加電光轉(zhuǎn)換模塊以及在低壓端增加光電轉(zhuǎn)換模塊。為了提高測(cè)量的可靠性，增強(qiáng)抗干擾能力，在進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換之前，將 LPCT輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這樣，光纖中傳輸?shù)氖菙?shù)字光脈沖信號(hào)，能夠進(jìn)一步提高抗干擾能力。

光信號(hào)由光纖傳輸至低壓端后，由信號(hào)處理電路將光信號(hào)還原為電信號(hào)，并按照繼電保護(hù)和測(cè)量設(shè)備的要求，分離出測(cè)量通道信號(hào)和保護(hù)通道信號(hào)。低壓側(cè)信號(hào)處理電路主要由光電轉(zhuǎn)換模塊、FPGA和D/A轉(zhuǎn)換器組成，低壓側(cè)信號(hào)處理電路主要完成對(duì)各路信號(hào)的分離、移相以及必要的增益調(diào)節(jié)。

電子式電流互感器中，為保證高壓側(cè)信號(hào)處理電路正常工作，需要一定的能量，本文采用一種激光供能的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

四、試驗(yàn)

（一）試驗(yàn)方案

電子式電流互感器的測(cè)試方案如圖2所示。圖中,A為電流源，電流傳感頭由LPCT構(gòu)成，高準(zhǔn)確度電流互感器為0.1級(jí)，其二次輸出信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與電子式電流互感器輸出信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。本文采用一種基于比對(duì)技術(shù)的ES互感器校驗(yàn)儀來(lái)完成對(duì)電子式電流互感器的校驗(yàn)。

互感器測(cè)試系統(tǒng)的輸出結(jié)果和高準(zhǔn)確度電流互感器的輸出結(jié)果都將送入ES互感器校驗(yàn)儀中的DSP進(jìn)行處理，其中高準(zhǔn)確電流互感器的輸出結(jié)果被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)值，而電子式電流互感器測(cè)試系統(tǒng)的輸出結(jié)果則被認(rèn)為是測(cè)量值，ES互感器校驗(yàn)儀儀器通過(guò)比較兩路信號(hào)的大小的比對(duì)即可計(jì)算出電子式電流互感器測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量誤差。對(duì)ES光電互感器校驗(yàn)儀內(nèi)部電路可（參1）中，可得出測(cè)量誤差可達(dá)到0.05%。

（二）準(zhǔn)確度試驗(yàn)

當(dāng)一次電流從額定電流（100 A）的500～12000變化（5A-120A）時(shí)，電子式電流互感器測(cè)量通道的比差和角差電子式電流互感器測(cè)量通道在5%～120%額定一次電流變化范圍內(nèi)比差、角差測(cè)量值滿足0.2級(jí)電子式電流互感器準(zhǔn)確度的要求。

此外，還對(duì)保護(hù)通道在20倍額定電流下進(jìn)行了測(cè)試，（參2）采用ES光電互感器校驗(yàn)儀，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，電子式電流互感器保護(hù)通道滿足5P20級(jí)電子式電流互感器準(zhǔn)確度的要求。

（三）溫度特性試驗(yàn)

電子式電流互感器實(shí)際工作在-30℃～70℃溫度范圍內(nèi)，所以，必須對(duì)電子式電流互感器做溫度特性試驗(yàn)。因條件所限，本文（參3）采用等安匝法對(duì)額定一次電流下測(cè)量通道做了溫度試驗(yàn)。將LPCT、高壓側(cè)信號(hào)處理電路和高壓側(cè)電源先后分別放置在烘箱和冰箱內(nèi)，調(diào)節(jié)溫度變化范圍為70℃～20℃和-30℃～20℃。測(cè)量得到的系統(tǒng)比差和角差隨溫度變化曲線如圖3所示。

?

從圖3可以看出，電子式電流互感器在-30℃～70℃范圍內(nèi)，系統(tǒng)比差變化小于±0.1%，角差變化小于±2°，具有很好的溫度特性。

四、結(jié)語(yǔ)

本文所介紹的ES光電互感器校驗(yàn)儀采用大規(guī)?？删幊碳呻娐纷鳛楹诵?，具有體積小巧、成本低廉、性能優(yōu)異、可拓展能力強(qiáng)的特點(diǎn)。尤其是FPGA中的自適應(yīng)位同步模塊和快速序列同步模塊設(shè)計(jì)獨(dú)特、功能完善，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。隨著該ES光電互感器校驗(yàn)儀外部設(shè)備的不斷完善和改進(jìn)，它將向更多的專業(yè)用戶提供更全面更優(yōu)質(zhì)的支持與服務(wù)，本儀器儀成功的在寧德電業(yè)局、福州電業(yè)局、石獅電力公司等多個(gè)電能計(jì)量部門中大批量采用。

參1：賴振文《低壓電器》2009年第19期《AT89C51單片機(jī)在單雙電橋檢定裝置中的應(yīng)用》

參2：郭志偉《福建電力與電工》2 0 0 6年第4期《發(fā)電廠下網(wǎng)電量計(jì)量方案探討》。

參3：陳明杰《福建電力與電工》2 0 0 9年第2期《變送器錯(cuò)接線對(duì)測(cè)量的影響》。