關(guān)于電子式電流互感器的設(shè)計(jì)分析

周迅燕

摘 要：近年來(lái)，由于社會(huì)對(duì)電能的需求量不斷增加，電力企業(yè)的傳輸容量也在不斷的增加，而電子式電流互感器的設(shè)計(jì)成功，有效的確保了電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，而且有效的降低了成本，為數(shù)字化變電站的建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。文中從電子式電流互感器的類(lèi)型和特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步對(duì)電子式電流互感器的設(shè)計(jì)思想、光電池的選擇及電源性能參數(shù)進(jìn)行了具體的闡述。

關(guān)鍵詞：電子式電流互感器；高壓側(cè)電源；供能電路

前言

傳統(tǒng)的電磁式電流互感器對(duì)于當(dāng)前電力系統(tǒng)傳輸容量不斷加大，而且電壓等級(jí)不斷提升的情況其適用性越來(lái)越差，使電力系統(tǒng)的發(fā)展帶來(lái)了一定的制約作用。在這種情況下，開(kāi)發(fā)電子式電流互感器則具有必然性，由于于其通過(guò)利用光通信及微電子技術(shù)，并采用新型的傳感原理，有效的規(guī)避了傳統(tǒng)電力互感器所存在的不足之處，利用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行輸出，確保了電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，不僅實(shí)現(xiàn)了成本的節(jié)約，而且也實(shí)現(xiàn)了對(duì)二次設(shè)備的優(yōu)化。目前數(shù)字化變電站的建設(shè)更是需要以電子式互感器和光纖通訊網(wǎng)作為其基礎(chǔ)，所以電子式電流互感器在當(dāng)前電力系統(tǒng)運(yùn)行了具有極為重要的意義。

1 電子式電流互感器類(lèi)型及特點(diǎn)

1.1 無(wú)源式

無(wú)源式電子式電流互感器是不需要電源供電的光電電流和電壓測(cè)量的裝置，利用磁光晶體和光纖作為傳感器，而且光纖不僅可以作為信號(hào)傳輸通道，而且也可作為傳感元件，由于無(wú)源式互感器其種類(lèi)較多，所以利用了較多的物理效應(yīng)。

1.2 有源式

有源式電子式電流互感器其是以電子器件為其傳感頭，同時(shí)需要在一次側(cè)提供電源，利用一次側(cè)的采術(shù)傳感器來(lái)進(jìn)行取樣，信號(hào)通道以光纖為主，將一次側(cè)的光信號(hào)在地面進(jìn)行處理后將其還原為被測(cè)信號(hào)。這種有源式的互感器具有非常好的絕緣性和抗電磁干擾性，而且不僅制造成本得到了有效的降低，而且無(wú)論是體積還是重量都有所減小，而且能夠更好的將常規(guī)電流測(cè)量裝置的優(yōu)勢(shì)有效的發(fā)揮出來(lái)，利用電子器件作為傳感頭，有效的規(guī)避了傳統(tǒng)傳感頭光路復(fù)雜及對(duì)溫度及振動(dòng)敏感的問(wèn)題。由于在有源式電流互感器上所采用的電阻和電容器件都是沿用了傳統(tǒng)的器件，具有更高的精確度，而且結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，易與實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的聯(lián)通，更具有實(shí)用性。

2 電子式電流互感器的設(shè)計(jì)思想

2.1 基本原理

電子式電流互感器共分四個(gè)模塊傳感頭、光纖傳輸、信號(hào)接收單元、電子式互感器校驗(yàn)儀，而傳感頭又是由Rogowski線圈、小信號(hào)鐵芯CT、A/D采樣及溫度補(bǔ)償、電能供應(yīng)四個(gè)部分組成。

小信號(hào)鐵芯CT根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1208-1997對(duì)電流互感器的規(guī)定，對(duì)于測(cè)量通道，應(yīng)保證在小于1.2倍額定電流的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)正常測(cè)量，誤差在規(guī)定的范圍之內(nèi)；鐵芯采用硅鋼片或超微晶合金材料，環(huán)形穿心結(jié)構(gòu)，沒(méi)有氣隙、漏磁少。

A/D轉(zhuǎn)換電路是整個(gè)傳感頭的核心部分，它的要求是A/D轉(zhuǎn)換器件功耗小、采樣率足夠高；線圈輸出的電流為正弦波，因此A/D轉(zhuǎn)換器件要具有雙極性輸入，串行輸出；采用時(shí)分復(fù)用方式傳送下行信號(hào)。

高電位側(cè)的電源供應(yīng)問(wèn)題現(xiàn)階段共有四種供電方式：特制CT線圈從母線采電的供能方式；激光供能方式；蓄電池或太陽(yáng)能電池供能方式；超聲電源供能方式。

基于Rogowski線圈的電子式電流互感器主體是一個(gè)空心線圈，待測(cè)的母線電流從線圈中心流過(guò)，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。由于線圈中沒(méi)有鐵芯，其輸出的電壓值很小，可以直接輸入微機(jī)系統(tǒng)，這樣就形成了集數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)于一體，經(jīng)由光纖輸出數(shù)字信號(hào)的電子式電流互感器。

2.2 Rogowski線圈介紹

Rogowski線圈（羅氏線圈）又叫電流測(cè)量線圈、微分電流傳感器，其利用非鐵磁性材料進(jìn)行環(huán)形纏繞，通過(guò)電流對(duì)時(shí)間的微風(fēng)來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行輸出，而且可以對(duì)輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行積分，從而實(shí)現(xiàn)輸入電流的真實(shí)還原。而且該線圈可以實(shí)時(shí)進(jìn)行電流的測(cè)量，能夠快速的進(jìn)行響應(yīng)，不會(huì)有飽和和相位誤差的產(chǎn)生。所以可以用于繼電保護(hù)及一些大電流的場(chǎng)合。

2.3 其他模塊

首先，在進(jìn)行光纖傳輸與光纖絕緣子設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于傳光光纖需要通過(guò)絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)是允許的，而且要對(duì)各種過(guò)電壓具有較好的耐受性，抗震能力要相當(dāng)好。同時(shí)在進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)時(shí)需要確保絕緣結(jié)構(gòu)具有小巧、靈活的特點(diǎn)，而且傳輸上需要采取無(wú)線傳輸。但這種設(shè)計(jì)也避免不了會(huì)存在一定的缺陷，即會(huì)存在傳輸?shù)拿^(qū)，而且容易發(fā)生故障，不具有獨(dú)立性。

其次，信號(hào)接收機(jī)的組成分為四個(gè)部分：O/E變換部分（光電轉(zhuǎn)換）；邏輯控制電路部分-提供控制信號(hào)；信號(hào)接收機(jī)的模擬通道-數(shù)字還原成模擬信號(hào)；信號(hào)接收機(jī)的數(shù)字通道-將數(shù)據(jù)采集進(jìn)計(jì)算機(jī)。O/E變換部分（光電轉(zhuǎn)換）將傳感頭傳下來(lái)的兩組信號(hào)：一組是數(shù)據(jù)信號(hào)，另一組是時(shí)鐘信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，器件采用PIN光電二極管，同時(shí)放大整形電路將微弱的電信號(hào)還原成標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平信號(hào)。器件采用高精度的比較器。邏輯控制電路將系統(tǒng)的四路時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)分離開(kāi)來(lái)，并產(chǎn)生器件要求的時(shí)序；送入D/A轉(zhuǎn)換器和PC機(jī)接口卡，分別進(jìn)行處理。信號(hào)接收機(jī)的模擬通道將傳感頭傳輸?shù)拇行盘?hào)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)字信號(hào)，送入到D/A轉(zhuǎn)換器件中。

最后一個(gè)模塊是電子式互感器校驗(yàn)儀，它的原理是信號(hào)調(diào)理箱將基準(zhǔn)信號(hào)和待測(cè)信號(hào)變換成高精度數(shù)據(jù)采集卡能承受的電壓信號(hào)，經(jīng)采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)，得到兩個(gè)離散數(shù)據(jù)序列；通過(guò)對(duì)這兩個(gè)離散序列的軟件分析得到兩個(gè)信號(hào)各自的特征和它們之間的比差和角差；軟件分析的主要算法是基于離散信號(hào)的傅立葉變換。

3 電子式電流互感器光電池的選擇

光電轉(zhuǎn)換器件即光電池，其能夠?qū)⑷肷涔饽苻D(zhuǎn)化為電能，從而實(shí)現(xiàn)激光器供電發(fā)出的能量以光的形式來(lái)進(jìn)行傳送。目前可以選用的光電池具有較多的種類(lèi)，但在實(shí)際工作中最為經(jīng)常采用的還是硅光電池。由于其具有較高的轉(zhuǎn)換效率，所以更易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化和商業(yè)化的發(fā)展。而且電子式電流互感器的激光器輸出波長(zhǎng)正好處于硅光電池的峰值波長(zhǎng)之間，所以在光電池的最佳轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)正好處于激光器輸出的波長(zhǎng)之下。而且在高壓設(shè)備測(cè)量時(shí)，利用硅光電池的光照強(qiáng)度不會(huì)對(duì)器件及周?chē)h(huán)境的變化帶來(lái)敏感性。同時(shí)硅光電池的輸出電壓、電流及峰值功率都決定了其具有較好的寬廣光譜響應(yīng)。光照靈敏度和良好線性，而且硅光電池自身也具有較好的穩(wěn)定性，這就決定了在電子式電流互感器內(nèi)選擇硅光電池是較為適宜的。

4 電子式電流互感器電源的性能參數(shù)

電子式電流互感器電源由光電轉(zhuǎn)換模塊和激光輸出共同組成，激光輸出模塊是主要有電流驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電流為2.2A電流，可達(dá)到驅(qū)動(dòng)電流要求。光纖的出口處光功率是1.6W，在利用光電進(jìn)行轉(zhuǎn)換后的電功率可達(dá)125mW左右。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，電子式電流互感器在我們的生活中得以廣泛的應(yīng)用，所以需要確保電子式電流互感器的質(zhì)量和可靠性，確保其在應(yīng)用過(guò)程中能夠發(fā)揮更好的作用，同時(shí)我們也要加強(qiáng)對(duì)電子式電流互感器的研究力度，使其在應(yīng)用過(guò)程中不斷完善，推動(dòng)電力行業(yè)的健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]王濤，鄭薇，潘晨.電子互感器在智能變電站中的應(yīng)用研究[J].華章， 2011.

[2]李世良，李忠良.新型中高壓電子式電壓互感器的傳感原理及結(jié)構(gòu)[J].華章，2013.

[3]穆國(guó)平，周富強(qiáng)，朱勝輝.電子式互感器現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及誤差分析[J].供電企業(yè)管理，2014.