10 kV無源電子式電流互感器的輸出特性研究及應(yīng)用分析

丁永生　馮娟　李自清

摘? ?要：在傳統(tǒng)技術(shù)中，電力網(wǎng)絡(luò)中使用有源電子式電流互感器存在很多問題，諸如溫漂較大、長期運行穩(wěn)定性較大、溫度變化較大、電磁波諧振等。這些因素將影響電力設(shè)備運行的精度和準(zhǔn)確性，并且傳統(tǒng)技術(shù)中采用羅氏線圈等有源互感器，由于線圈體積、重量都比較大，造成電路負(fù)荷較大。為此，采用無源電子式電流互感器，通過對其工作原理進行介紹，建立了應(yīng)用數(shù)據(jù)模型，對信號處理、算法實現(xiàn)、輸出特性進行了分析。并從原理上利用全光纖型傳感器，通過分壓模型將電路中的高壓轉(zhuǎn)換為低壓，并對電子線路中輸出信號進行積分、濾波、調(diào)幅、相位補償運算，提高了信息輸出的純潔性。實驗表明，采用電子式電流互感器能夠降低了電力設(shè)備應(yīng)用的誤差。

關(guān)鍵詞：電力網(wǎng)絡(luò);電子式電流互感器;有源互感器;全光纖型傳感器;分壓模型

中圖分類號：TM452? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：B

Research on Output Characteristics and Application Analysis of

10 kV Passive Electronic Current Transformer

DING Yong-sheng1 ，F(xiàn)ENG Juan2，Li Zi-qing1

（1. State Grid Electric Power Research Institute Co.，Ltd.，Nanjing，Jiangsu 211000，China;

2. Shagnhai Zhixin Electric Co.，Ltd.，Shanghai 200335，China）

Abstract：In the traditional technology，there are many problems in using active electronic current transformers in power networks，such as large temperature drift，long-term operational stability，large temperature changes，electromagnetic wave resonance，etc. These factors will affect the operation of power equipment. Accuracy and accuracy，and the use of active transformers such as Rogowski coils in the conventional technology，due to the relatively large volume and weight of the coil，resulting in a large circuit load. Aiming at this problem，passive electronic current transformer was adopted in this paper，through the introduction of its working principle，the application data model was established，and the all-fiber sensor in principle is used to convert the high voltage in the circuit to low voltage through the partial pressure model. And integrate，filter，amplitude-modulate，and phase-compensate the output signals in the electronic circuit to improve the purity of the information output. Tests have shown that the use of electronic current transformers can reduce the error of power equipment applications.

Key words：power network;electronic current transformer;active transformer;all-fiber sensor;partial pressure model

電流互感器（CT ）在電力系統(tǒng)中具有重要的作用，其在結(jié)構(gòu)上的構(gòu)造通常由閉合的鐵心和繞組組成[1-3]。電流互感器在電力系統(tǒng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其輸出性能關(guān)系到電力設(shè)備能否正常運行，其輸出特性和運行特性直接影響電力系統(tǒng)電路中測量的準(zhǔn)確性和保護裝置動作的可靠性[4-5]。電流互感器的工作原理通常根據(jù)電磁感應(yīng)原理將一次側(cè)大電流轉(zhuǎn)換成二次側(cè)小電流，電流互感器的一次繞組匝數(shù)通常比較少，在工作時串在需要測量的電流的線路中，因此電流互感器經(jīng)常能夠全部通過線路的電流，其二次繞組匝數(shù)比較多，在工作中，通常串接在測量儀表和保護回路中[6-7]。電流互感器在電力線路中起保護作用時，其內(nèi)設(shè)置的二次回路一直處于閉合狀態(tài)，此時的測量儀表和保護回路串聯(lián)線圈的阻抗都顯得比較小，此時的電流互感器的工作狀態(tài)接近短路狀態(tài)。

目前，有源電子式電流互感器存在溫漂問題、長期運行穩(wěn)定性問題、溫度變化、電磁波諧振等因素干擾。傳統(tǒng)技術(shù)中，無源電子式電流互感器通常采用電磁感應(yīng)原理進行工作，傳統(tǒng)研究方法是直接將大電流施加在被測電力設(shè)備或者比較儀上[8-9]，將電流互感器輸出電流施加在被測電力設(shè)備上，通過二者的比較，觀察電流互感器的輸出差異，進而進行評價。這種測量方式誤差較大，測量起來也極為不便。如果在輸出端存在高電流、大電流輸出時，則存在很大的安全隱患。因此就需要一種新型的測量方法來衡量電流互感器的輸出特性。

1? ?輸出特性研究模型

由于無源電子式電子互感器的傳感部分是由光學(xué)元件決定的，因此，傳感元件的性能特征關(guān)系到無源電子式電子互感器的輸出特性。下面介紹下降壓的分壓原理。如圖1所示，在電路中，通過電阻分壓實現(xiàn)高壓到低壓的轉(zhuǎn)換。

分壓公式為：

U2 = ■U1? ? ? ? ? （1）

下面通過構(gòu)建測量系統(tǒng)來衡量無源電子式電流互感器的輸出特性。在圖2中，以光纖傳感器作為數(shù)據(jù)采集的設(shè)備，通過高壓濾波，獲取較為純凈的高壓信號，在濾波端，連接有分壓模型，通過分壓模型將電路中的高壓信號轉(zhuǎn)換成為低壓信號，分壓原理見公式（1）所示。通過降壓模型輸出滿足低壓電路中各個器件工作。

通過降低電壓后，再通過A/D轉(zhuǎn)換單元將電路中的模擬信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息分成兩個數(shù)據(jù)通道，一方面，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過光纖通道，通過時序協(xié)調(diào)發(fā)送到微處理器進行處理。另一方面，通過A/D轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息通過光纖通道傳輸?shù)紻/A轉(zhuǎn)換單元，通過D/A轉(zhuǎn)換單元重新將輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信息輸出[17]。通過兩路輸出的信息，即數(shù)字輸出和模擬輸出的信息，可以通過不同的處理方式進行信息處理，通過微處理器處理后的信號可以連接到計算機處理器，通過計算機處理系統(tǒng)對電路中的信息再次做出處理，比如通過示波器、分析器、診斷裝置等進行二次診斷，對電路中的無源電子傳感器傳遞的電流、電壓、諧波、紋波等信息進行實時采樣，同時實現(xiàn)對電力線設(shè)備的控制命令、監(jiān)測和診斷等。通過傳感器檢測的信號通過采集器的處理，這能夠提高互感器數(shù)據(jù)信息的驅(qū)動能力，進而提高輸出信號的精度，免受電力線路中負(fù)載大小的影響。另一方面通過對輸出信號積分、濾波、調(diào)幅、相位補償?shù)冗^程處理，能夠保證電子式組合互感器輸出信號的精度和一致性，也降低了電力設(shè)備應(yīng)用的誤差。微處理器輸出的數(shù)字信號還能夠通過光纖通道，以太網(wǎng)傳輸?shù)姆绞竭M行更高層次的數(shù)據(jù)傳遞和數(shù)據(jù)分享。在計算機處理端，通常通過數(shù)據(jù)計算得出的角差和比差來衡量電流互感器的輸出特性。

2? ?輸出特性分析

2.1? ?傳感器原理介紹

無源電子式電子互感器通常輸出分?jǐn)?shù)字量和模擬量兩種不同類型，其通常有磁-光電流互感器、光電電流互感器、羅氏線圈互感器等不同的電流互感器[10-12]。無源型電子式互感器采用的傳感頭通常不需要電源進行供電。目前，市場上用的比較多的電子式互感器的傳感頭大多采用法拉第磁光效應(yīng)原理制成。采用該傳感器可以不考慮無飽和、無溫度穩(wěn)定的問題，這種方式能夠保證正常的運行壽命，圖3為全光纖型電子式互感器。

在該類型中，傳感頭是由光纖組合而成，在工作過程中，通過光纖進行信息傳感，該部件將諸如光學(xué)玻璃、光纖的光學(xué)器件當(dāng)做被測電流的傳感器使用。在計算過程中，輸出系統(tǒng)的輸出電壓與被測電流的大小為成正比關(guān)系，光纖在工作過程中可將光波調(diào)制劃分為強度調(diào)制、波長調(diào)制、相位調(diào)制和偏振調(diào)制等[13]。無源電子式電子互感器的工作原理如圖4所示。

在圖4中，無源電子式電流互感器的工作理論依據(jù)是法拉第（Faraday）磁光效應(yīng)理論。法拉第（Faraday）磁光效應(yīng)理論在該處使用時，充分利用了磁與光的關(guān)系[14]，當(dāng)傳輸光波透過磁光材料時，電流將產(chǎn)生磁場，產(chǎn)生的磁場能夠使光波在透過磁光材料時，使得光波的偏振面受磁場的影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)測量出旋轉(zhuǎn)角度后的線偏振光（通過測量偏振角而實現(xiàn)）時，通過測量線偏振光的旋轉(zhuǎn)角度，便可確定被測電流。如果出現(xiàn)了敏感路徑，由于其為閉合環(huán)路，則穿過敏感環(huán)路的電流產(chǎn)生的磁場可在閉合環(huán)路中產(chǎn)生作用，在該過程中，按照安培環(huán)路定律計算產(chǎn)生法拉第相角的大小。

θF = V■μ0 Hdl = μ0 ■Hdl = μ0 VNI0? ? ?（2）

在式1中，μ0表示磁導(dǎo)率，V表示光纖材料特性的維爾德常數(shù);H表示為光傳播方向上的磁場強度;L表示為光路長度;N表示為繞載流體的光圈數(shù);I表示為被測電流。

2.2? ?輸出特性分析

基于上述論述，在無源電子式電子互感器中，其基本原理可以概括為利用光纖通訊技術(shù)進行數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換，電路中無鐵芯和電感，減輕了電路中的負(fù)荷，例如在采用Rogowski線圈感應(yīng)的有源互感器中，由于線圈為纏繞在環(huán)狀非磁性骨架上的空心線圈，根據(jù)磁性特性，其雖然在一定程度上能夠解決鐵芯線圈的磁路飽和問題。但是Rogowski線圈電流互感器的高壓側(cè)設(shè)置有電子式電路組合而成的電子模塊[15]，其通過濾波處理、積分變換以及A/D 轉(zhuǎn)換，最終變換成數(shù)字信號，該信號再通過電光轉(zhuǎn)換電路，進而轉(zhuǎn)變成為光信號。下面對信號處理、算法實現(xiàn)、特性分析等方面的內(nèi)容進行介紹。

在進行信號處理時，基于光強調(diào)制原理對光信號進行處理，具體地來說，在光強調(diào)制期間的直流偏置信號當(dāng)做參考信號，作為原始參數(shù)，基于上述原理分析，光傳輸信息的順序為光纖連接器-光纖-光纖連接器-光電檢測，最終，將光信號轉(zhuǎn)變成為電信號，在整個過程中，光-電轉(zhuǎn)換的線性關(guān)系如圖5所示。

假設(shè)UIN為光電電路中的輸入，Uout為光電電路中的輸出，在圖5中，曲線1為UIN和Uout之間的實際關(guān)系，當(dāng)光電電路中的感光電路受發(fā)光死區(qū)的影響，則UIN和Uout之間的線性度就表現(xiàn)的較差，當(dāng)UIN變大時，UIN與Uout之間的線性關(guān)系就表現(xiàn)的較為突出。為了計算的方便，利用以下公式進行：

UIN = UAC + UDC參考? ? ? ? ? （3）

通過上述公式，還可以解釋為，將曲線1中的線性部分延長，得到直線2，由于UIN與Uout之間的線性關(guān)系此時為非線性關(guān)系，因此直線2不會超過原點。由于UDC參考經(jīng)傳輸?shù)慕涣餍畔⑻Ц叩絺鬏旉P(guān)系的線性區(qū)域，此時，對于疊加在UDC參考上的UAC，直線2的斜率表示為轉(zhuǎn)換前的交流信號的衰減倍數(shù)KAC，KDC表示為UDC參考對應(yīng)的靜態(tài)工作點與原點之間的連線3的斜率。通過中直線2和直線3之間與橫軸之間的夾角α和β之間的角度可以看出，當(dāng)KDC≠KAC時，則有KDC < KAC，表示光電電路中光轉(zhuǎn)換為電的過程中，有誤差存在的，該誤差受溫度、漂移、磁場、振動等因素制約。

如圖6所示，圖6表示光電轉(zhuǎn)換與溫度之間的關(guān)系。

KDC在數(shù)學(xué)上的意義還可以表示為傳輸曲線中UDC參考相對于靜態(tài)工作點與原點之間構(gòu)成的直線的斜率，當(dāng)KDC < KAC時，UDC參考信號的衰減倍數(shù)為直線4的斜率，此時，KDC和KAC之間的差距較大，當(dāng)直線4的斜率變成5時，KDC和KAC之間的差距將變小，二者之間的距離更為接近，此時，可認(rèn)為選用的電流互感器的精度比較高。通過上述分析，在利用發(fā)光管及光電管的線性區(qū)，將高壓側(cè)模擬信號調(diào)制后的光信號直接傳輸至低壓側(cè)，然后再根據(jù)參考信號的衰減來計算交流信號的衰減，避免在電路中精度不足的情況。

在實際工作時，裝置需要考慮鐵磁諧振以及鐵芯飽和的情況，采用無源電子式電子互感器能夠克服磁芯由于飽和而造成的波形畸變，致使測量精度較低的問題[16]。在研究無源電子式電子互感器的輸出特性時，考慮的因素通常不同于常規(guī)的磁芯。

3? ?實驗結(jié)果與分析

下面通過將本技術(shù)方案與羅柯夫斯基 （R ogows-ki）線圈的互感器與無源電子式電流互感器作為對比分析[18]，即通過傳統(tǒng)電磁式 CT 與 電子式光纖傳感器的電流采樣波形情況，進一步分析 ECT 電流的傳變特性，實驗?zāi)Ｐ腿鐖D7所示。

在實驗中，將 Rogowski線圈的 ECT 和傳統(tǒng)CT 的傳感器并聯(lián)，最終輸出的電流電壓信號分別與數(shù)字錄波器和傳統(tǒng)錄波器連接，通過上述試驗，得出如圖8和圖9所示的數(shù)據(jù)波形。

通過上述波形圖可以看出，在相同時間內(nèi)，可以看出，有源電子式電流互感器輸出的波形毛刺比無源電子式電流互感器輸出的波形毛刺較大。這將導(dǎo)致電力線路中的負(fù)載設(shè)備產(chǎn)生的比差和角差波動較大。這可以通過圖10和圖11中可以看出。

通過上述測試，采用本設(shè)計的方案，總的測量精度到的較大的提高。這使得電力系統(tǒng)中的電力設(shè)備能夠獲的較好的穩(wěn)定性，可靠性也得到很大的提高。根據(jù)電力電網(wǎng)運行狀態(tài)的評價，使得用戶能夠得到保護失效、誤動和拒動概率等，根據(jù)這些參數(shù)，進而衡量智能集成開關(guān)在配電網(wǎng)中的準(zhǔn)確度和精度。

4? ?結(jié)? ?論

通過對無源電子式電流互感器及其工作原理進行介紹，引出了獲取無源電子式電流傳感器輸出特性的重要性，這關(guān)系到電力系統(tǒng)中電力設(shè)備運行的可靠性，這對用戶獲取電力網(wǎng)絡(luò)運行信息，進而把握電網(wǎng)信息具有重要的意義?；贔araday磁光效應(yīng)原理的無源電子式電流互感器的發(fā)展也越來越激烈，從早期的磁光玻璃演變到今天的全光纖，與磁光玻璃型電流傳感器相比，全光纖型電流互感器從原理和工藝都進行了改善，能夠克服磁光玻璃電流傳感器受溫度、振動等因素的影響，也可以應(yīng)用到高電壓等級和電磁環(huán)境惡劣的情況下工作的電力系統(tǒng)，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

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