电子式的电流互感器（共7篇）
电子式的电流互感器 篇1
0 引 言
随着电力系统中电压等级的不断提高以及传输容量的不断增大,传统的电磁式电流互感器的一些问题也就日益暴露出来,如:体积大、动态范围小、使用频带窄,而且存在铁磁谐振,二次侧不能开路等,因此寻求更理想的新型电流互感器势在必行。新型的电子式电流互感器较传统的电流互感器做了很多改进之处,在结构上用光纤把高低压两端隔离开来,具有很好的绝缘效果;在硬件上采用洛夫斯基线圈作为传感头,14位的AD7894和新型的具有强大的控制功能、高速的数据处理能力的DSP2812芯片结合的软件设计使传统互感器暴露出来的问题得到了很好的解决。而且电子式电流互感器也适应了电力计量和保护数字化、微机化和自动化发展的潮流。电子式电流互感器主要包括数据采集系统和数据处理系统,整个系统的精度主要取决于设计的数据采集系统的精度。
本研究给出一种基于DSP TMS320F2812为核心的数据采集系统的设计方案。
1 系统框图及框图
电子式电流互感器数据采集系统主要包括信号调理电路、模/数转换单元、光纤传输系统3部分。首先通过Rogowski线圈传感器从电网中感应出电流模拟信号,Rogowski线圈是电子式电流互感器最常用的传感元件,通常采用空芯线圈和LPCT作为电流传感元件,具有良好的线性度和准确度。再经过信号调理电路对信号的抗混叠滤波、放大、反相积分等处理,模/数转换单元负责把调理电路输出的符合A/D采样电压范围的模拟信号按A/D变换时序转换为数字信号。为保证传输速度和质量,采用光纤进行传输,光纤两端分别配备电/光转换器和光/电转换器。低压端的DSP一方面对一路光纤传过来的数字信号进行处理,另一方面提供时钟信号,通过另一路光纤传输,并经分频电路分频后产生A/D转换器所需的时序,从而达到信号同步采样的效果。数据采集系统设计原理图如图1所示。
2 数据采集系统的设计
2.1 信号调理电路
当被测电流i(t)通过Rogowski线圈时,线圈输出电压U1(t)和被测电流i(t)的关系为:
式中 R—线圈绕组和引线的总电阻;R1—采样电阻;M—线圈互感系数。
从式中可以看出输出电压与被测电流成微分关系,而且由于传感头Rogowski线圈的互感系数低,感应出的电压很小,为防止其经过积分器后被衰减掉,因此信号处理部分需加入放大积分环节。信号调理电路图[1]如图2所示。设计中U1(t)和U2(t)之间是放大电路,放大倍数主要由R3和R4的比值所决定的。U2(t)和U0(t)之间是反相积分电路,考虑到积分漂移问题,所以在理想积分器的基础上,在积分电容C3两端并联一个兆欧级的反馈电阻R8,而且在放大和反相积分之间加了一个简单的RC低通滤波器,对于信噪比的改善起到了很大的作用[2]。
由图2可得:
所以:
当R8≫R6时,
即:
把式(1)代入到式(5)中,得:
从式(7)中可以看出U0(t)和i(t)是同相位且成比例的。
2.2 模/数转换单元
2.2.1 硬件设计
模/数转换单元主要由模/数转换器、时序控制等部分组成,通过低压端的DSP TMS320F2812器件来实现同步检测并控制A/D的采样、转换和校验。
根据电子式电流互感器的精度要求(达到0.2级)以及设定的采样频率,应该选用精度比较高的模/数转换器。此外,为了保证信号中的7次以下谐波分量不失真,模/数转换器的转换速度也要求比较快且转换精度受温度影响小。综合以上考虑本研究选用AD7894AR-10模/数转换芯片。AD7894AR-10是一款低功耗、低成本、高性能的快速14位模/数转换器,采用5 V单电源供电,转换时间为5 μs,内置1个逐次逼近型模/数转换器、1个片内采样保持放大器、1个片内时钟和1个高速串行接口。
控制模/数转换的方法有很多,本研究采用由CD4020计数/分频器等组成的分频电路来控制模/数转换的进行,CD4020是一款14位二进制串行计数/分频器。分频电路图如图3所示。
图3中CD4020的10脚接收连续时钟信号CLK,此时钟信号由低压端DSP中的定时器产生,CD4020对其进行32分频,从6脚输出周期为32倍于CLK的方波信号,该方波信号反向后同CLK相与,作为AD7894的读数据时钟信号。同样CD4020的6脚输出经过电阻电容电路产生短时脉冲信号,驱动施密特触发器CD4093,CD4093的输出可以作为AD7894的转换开始信号
2.2.2 软件设计
AD7894的采样时钟和使能信号由DSP TMS320F-2812的通用定时器产生并经分频电路来提供[3]。DSP TMS320F2812芯片是TI公司的一款高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片,具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能。能在1个周期内完成32×32位的乘法累加运算,时钟频率最高可达150 MHz[4]。带有3个定时器,2个事件管理器,2路SCI、1路SPI、56个独立配置的通用多功能I/O[5]。由采样定理可知,A/D的采样频率fs应大于抗混叠滤波器截止频率fc的2倍。电力系统信号频率为50 Hz,每周期采256个点,而AD7894完成一次转换的时间设定为10 μs,所以设定DSP的通用定时器每隔68 μs发送一串频率为3.2 MHz的连续时钟信号。当A/D接收到分频器产生的转换开始信号即开始转换,当采满256个点后,DSP进入中断,将AD7894输出寄存器中的数字信号输入到DSP中。DSP的编程工具采用C语言和汇编语言混合编程的方法,把C语言的优点和汇编语言的高效率有机结合起来。控制程序流程图[6]如图5所示。
2.3 光纤传输单元
光纤传输系统原理为:一个LED发射器将电信号转变成光信号,并将其耦合进入传输光纤中,光信号通过光纤到达光接收器,它把接收到的光信号恢复成原来的电信号输出。光纤传输系统主要包括E/O转换器及驱动电路、O/E转换器及接收电路、光纤等。光纤收发电路图如图6所示。
E/O转换的光发送器选用Agilent公司的低功耗LED型发送器HFBR1414,其外围驱动电路采用3路与非门74F3037并联输出驱动光发射器HFBR1414,以产生足够大的光功率。O/E转换的光接收器采用Agilent公司的HFBR2412,以实现数字光通信时HFBR2412后需加一接收电路。接收电路中,在VCC与电源之间接了1个10 Ω的限流电阻和1个0.1 μF的旁路电容以去除噪声[7]。
本研究用光发送/接收单元传输模/数转换器的移位时钟来测试光纤数字传输系统,移位时钟是频率为1 MHz的方波。从测得的整个光纤传输系统的输入/输出波形图中可以得到该光纤数字传输系统的输出延迟时间约为150 ns,符合电子式电流互感器系统所允许的误差范围之内。
3 实验验证
本研究用准确度为0.01级的常规电磁式标准互感器对上述设计的电子式电流互感器数据采集系统进行了测试,测量通道实验结果如表1所示。从表1中看出实验结果中数据的线性度很好,通过示波器的观察发现,采样时钟信号中参杂了很多的高频干扰信号,A/D转换结束后信号振荡现象比较严重,但是通过一个低通滤波器,很好地解决了上述问题,得到了一个稳定的输出[8]。
4 结束语
基于TMS320F2812的数据采集系统已经设计并调试完成,实验结果表明,该数据采集系统抗干扰性好,测量精度高,符合IEC60044-8的0.2级精度标准,能很好地完成信号的采集,满足电子式电流互感器对信号采集的实时性、可靠性、准确性的要求,同时该设计降低了系统的功耗,提高了系统的性能。
参考文献
[1]贾春荣,邸志刚.一种新型电子式电流互感器模拟信号处理系统设计[J].电气应用,2007,26(1):108-110.
[2]龙忠琪.模拟集成电路教程[M].北京:科学出版社,2004.
[3]苏奎峰,吕强.TMS320F2812原理与开发[M].北京:电子工业出版社,2005.
[4]Texas Instrument.TMS320F2812 Digital Signal ProcessorsData Manual[M].Texas Instrument,2003.
[5]Texas Instrument.TMS320F28x Event Manager(EV)Pe-ripheral Reference Guide[M].Texas Instrument,2002.
[6]刘田豹,方春恩,李伟,等.混合式光电电流互感器数据采集系统的设计[J].智能电器及计算机应用,2009(1):25-28.
[7]丁全响,周有庆,吴桂清.混合式光电电流互感器数据采集系统的研究[J].电力科学与工程,2006(1):34-40.
[8]季小林,高晓蓉.基于TMS320F2812的数据采集系统[J].DSP开发与应用,2007,23(8):169-171.
电子式的电流互感器 篇2
电流互感器是电力系统中的重要设备,随着电力工业的不断发展及电网电压等级的不断提高,对电流的测量要求也在不断提高,传统互感器的问题日益突出[1]。新式的电子式互感器应运而生,电子互感器可分为有源式和无源式2种。有源式是指传感头部分采用传统的传感原理,并利用光纤传输数据的电子式互感器,由于光纤只能够传输数字信号,所以必须在高压侧对传感头的输出信号进行模拟量与数字量的转换,这就势必要设计相应的电子电路,因而也就带来了电路的供能问题,这是有源式互感器研究中的难点和关键技术[2]。本文介绍一种用补偿线圈和充电电池相结合的方法对母线电流取能方式进行改进的新方案。
2 设计原理
由法拉第电磁感应定律可知,电源二次侧的感应电动势为:
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式中:f为正弦波频率;N2为二次侧线圈绕组匝数;Фm=BmS为输电线传输电流在变压器铁心激磁产生的磁通量。
设计主要应考虑以下2个问题:
(1) 在系统电流很小时能够提供足够大的功率,以驱动处于高压端的电子线路;
(2) 在系统出现短路大电流时,能吸收多余的能量,给电子线路提供一个稳定的电源,其本身也要保证不因电动力而损坏。
为解决上面2个难题,这里设计图1为实际的电源设计原理性线路图[3,4]。图1中L1为主线圈;L2为补偿线圈。主线圈提供直流稳压工作电源,补偿线圈主要用于控制主线圈的电压应该在一定的范围。充电电池主要作用是在短期断电或小电流情况下充电电池投入供电。
在电力系统正常运行的情况下,是主线圈提供直流电源。当输入电压超过8 V时,检测电池温度和电压,如果温度正常,电压过低则充电电池进入充电状态,如果2个条件有一个不满足不能进行充电。当发生故障或其他原因使主线圈输入电压超过后续电路所能调节的某一个值时二极管VS会导通,电流会使磁控开关闭合,补偿线圈回路导通反向激磁,从而降低铁心中的磁通量,达到降低主线圈供电电压的目的。当发生断路器跳闸或小电流情况时,主线圈输入电压不能提供高压侧电路所需的能量时就切换到充电电池供电,这样就很好地解决了在小电流时不能正常供电的问题。在实际应用中如果大电流过大,可设计多个补偿电路,进一步降低激磁电流值。
3 设计的实现
3.1 铁心材料的选取
铁心是取电的一个重要问题,现在主要用硅钢材料,非晶材料和莫坡合金作铁心。根据高压侧电流的特点选取铁心,数据证明,非晶材料和其他2种相比有更多优点[5,6]。同时注意选取合适的B–H曲线工作点,使电源能够在大的原方电流波动范围内正常供电。
3.2 主线圈和补偿线圈匝数的选取
为了在小电流的情况下感应出所需电压,根据公式:
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其中S 为铁心截面积;I为一次侧电流幅值。
这里需要加大铁心截面积或增加线圈匝数,当匝数太少时感应电压下降,太多时负载能力又会下降,所以实际制作时主绕组为62匝。由电磁感应定律可知,补偿线圈的匝数越多越好,但制作时一定要根据自己需要。因为匝数越多感应电压越高对绝缘的要求就越高,所以制作时补偿线圈的匝数为300匝。
3.3 充电控制过程
充电状态流程 BQ2057的充电曲线如图2 所示,BQ2057的充电分为3个阶段:预充状态、恒流充电和恒压充电阶段。
预充阶段 在安装好电池并加上电源后,BQ2057首先检查工作电压 VCC,当工作电压过低时充电器进入休眠模式,若工作电压正常,则检查电池温度是否在设定范围;若不正常则进入温度故障模式;否则检测电池电压VBAT。当电池电压VBAT低于低压门限Vmin时,BQ2057以恒流IREG10%的电流IPRE对电池预充电。
恒流充电 在完成对电池预充或电池电压VBAT 低于恒压VREG时,BQ2057进入恒流充电状态,此时由外部的感测电阻RSNS 上的压降监控充电电流,通过 SNS 引脚获得充电电流的反馈,感测电阻由下式计算:
RSNS=VSNS/IREG,其中IREG为预期的充电电流。
恒压充电 当充电电压达到恒压VREG时进入恒压充电状态。在整个工作温度和工作电压范围内,BQ2057通过BAT和VSS引脚监测电池组电压,当充电电流达到终止门限I(TERM)时停止充电,当电池电压低于重新充电门限电压 V(RCH) 时自动开始重新充电。
电池温度监测 BQ2057通过测量 TS 与VSS 引脚间的电压实现对电池组温度的连续监测,常用热敏电阻作为温度传感器,并通过分压电阻实现,如图1所示。分压电阻的阻值可根据参数计算。BQ2057将该电压与内部的V(TS1)和V(TS2)门限电压比较以决定是否允许充电。
4 实验结果
在实验时R=60 Ω选取稳压二极管的稳压值为20 V。实验结果表明。原方电流在0～900 A范围内变化时,电源能够提供所需的电压。在原方电流小于20 A时,启用充电电池供电,补偿线圈能够使整流侧输出电压维持在25 V以下,保证各稳压模块可靠工作。 当原方电流大于900 A时,整流侧输出电压缓慢上升,超过DC/DC模块的最大输入电压,采取一定的散热措施(如增大散热片的尺寸等)可以使电源在更大范围内工作。
5 结 语
采用充电电池和补偿线圈相结合的方法解决母线电流取能方式的小电流死区问题同时在大电流时可以降低原方电流的激磁作用,有效地降低了原方电流对电子式电流互感器工作电源工作特性的影响。实验结果证明该方法是切实可行的,它解决了在线路电流过低或断路器跳闸时无法供电的问题,同时能使电源在宽的一次侧电流动态范围内满足电子电流互感器对工作电源的长期工作要求。其是目前解决有源电子电流互感器高压侧电源问题的有效方案。
参考文献
[1]徐雁,朱明均,郭晓华,等.空心线圈作为保护作用电流互感器的理论分析和实验[J].电子系统自动化,2002,26(16):52-55.
[2]钱政.有源电子式电流互感器中高压侧电路的供能方法[J].高压电器,2004,40(2):135-138.
[3]聂一雄,尹项根,李伟,等.有源光电式互感器工作电源设计[J].电力自动化设备,2003,23(12):49-51.
[4]付烈,郑绳楦.光电混合式电流互感器电源的研究[J].现代电子技术,2004,27(18):10-11.
[5]刘忠战.电子式电流互感器高压侧自励源供能方法研究[J].高压电器,2006,42(1):55-57.
[6]胡彬,周有庆,钟选书,等.电子式电流互感器高压侧电源的研究与实现[J].电气应用,2006,25(5):99-102.
[7]高迎霞,郑绳楦.有源光电式电流互感器的研究[J].现代电子技术,2006,28(18):134-136,141.
电子式的电流互感器 篇3
由于引入了光学器件和有源器件,在实际运行中必须考虑外界对电子式电流互感器测量精度的影响。本文在电子式互感器与传统电磁式互感器的在线比对原理的基础上,建立了电子式互感器运行特性研究平台。通过在线比对运行得到了其误差受温度、负荷变化的影响关系及长期运行过程中的稳定性。
1 误差来源及试验方法
1.1 有源电子式电流互感器原理及误差来源
典型罗氏线圈结构如图1所示,骨架为环形,骨架截面为扁平的矩形或圆形,线圈均匀绕制在骨架上,被测电流从环形线圈中心穿过[4]。
在理想条件下,在上令称为线匝密度,N为总匝数,l为圆环周长。
当被测电流发生变化时,线圈输出端所产生的感应电势为
由式(1)可见,线圈的感应电动势正比于被测电流变化率。对e(t)积分即可得到与被测电流成线性关系的量,实现对电流的测量。
罗氏线圈骨架会随温度变化而引起输出电压的相对误差[5];此外互感器内部积分环节、模数转换环节、电光转换环节中的电子电路及元器件等都极易受温度的影响。因此,温度对基于罗氏原理的电流互感器的影响结果是一个综合响应,只能通过整机测试来检验。基于罗氏线圈的电流互感器由于没有铁芯,具有不饱和特性,因此其受负荷电流的影响可能较小。此外在上面传感原理推导过程中,默认被测导线是无限长直导线,同时满足罗氏线圈线匝均匀对称密绕等前提条件。在实际中如不能满足这些条件,也将会导致测量误差。
低功率线圈由于与传统铁磁式线圈在工作原理上几乎相同,所以受温度影响不大,其中用作积分的电阻元器件的温度特性决定了整个LPCT的温度特性。由于LPCT包含铁芯,因此其负荷特性主要受铁芯的饱和程度影响。
1.2 无源电子式电流互感器原理及误差来源
光学电子式电流互感器主要基于Faraday磁光效应原理。当一束线偏振光入射至磁光介质后,其偏振面发生旋转,旋转的角度与外加的磁场强度成正比[6]。
式(2)中V为光学介质的Verdet常数,rad/A;L为光在介质中的传播的距离,m;H为磁场强度,A/m;NL为光环绕电流的圈数。
因此,只要测出偏振光旋转的角度φ,即可计算出待测电流I的大小。
温度对光学电子式电流互感器的影响较大。温度会影响传感光纤和磁光介质的Verdet常数,从而影响互感器测量结果的准确性和稳定性;此外,温度会使磁光材料产生双折射,进而生成一个与法拉第效应偏转角无法区分的信号,对光学电流互感器的测试性能造成较严重影响;外界环境温度的变化还有可能引入相关噪声,对互感器造成噪声干扰。
当负荷电流的变化范围较大,电流较小时,信噪比降低,噪声对测量的影响很大。光学电流互感器对小电流信号的测量精度误差较大。
随着时间的推移,光源、光器件、光纤及光连接器、光电探测器的性能会有一定的变化,这将影响整个光传输系统的传输比,因此,光学电流互感器的测量稳定性、可靠性需要经过长时间的检验。
1.3 试验方法
从有源电子式电流互感器和光学电流互感器的误差来源可以看出,除电子式互感器本身制造工艺外,外界条件中温度和负荷电流是对电子式互感器测量误差的主要影响因素。温度对电子式电流互感器的影响结果是一个综合响应,测量误差的温度变化特性并非线性直线,实际温度下的准确度变化有待实际挂网运行检验。况且,电子式电流互感器运行的稳定性和可靠性必须在实际并网条件下长期运行中进行检测。因此,有必要建立电子式互感器误差特性在线对比平台,以得到其在实际挂网运行工况下的温度特性、负荷特性、长期稳定性等。
2 误差特性在线比对平台建立
2.1 在线比对原理
图2为数字输出式电子式电流互感器误差测试原理图[7,8]。
标准电流互感器与被测电子式电流互感器一次串联,标准电流互感器的二次输出通过标准电阻转化为电压信号,然后连接到电子式互感器校验仪的标准A/D输入端口。被测电子式电流互感器二次输出连接到合并单元(MU)上,MU输出的数字信号通过光纤以太网传输到电子式互感器校验仪的数字输入接口。标准A/D和被测电子式电流互感器同步脉冲进行同步采样,校验仪接受标准A/D的数据和MU输出的数字信号后通过相应的算法,得出角差和比差[9]。
在以上测试方法的基础上,增加数据远程传输功能,设计的电子式互感器误差比对系统设计如图3所示。
图3中过程层包括电子式互感器和传统式互感器的接入、采样,间隔层包括数据同步、光信号转换和比对系统,站控层包括本地服务器的在线测试平台,数据通过网络传输到远程工作站,以便远程数据读取、分析与下载。站同步装置(Syn Dev)提供装置级比对信号同步;在线测试装置(OLDev)通过内部采样电路,采样外部传统CT信号作为比对的基准信号;OCT/MU输出61850采样测量值(SMV)报文,提供待测评估信号;OLDev比对该两路同步信号,计算角差和比差。
误差特性在线比对平台包含实时数据监控、历史数据查询和数据分析三大功能。实现对每台互感器运行情况的实时监控;通过对每日的运行比对数据进行存储,建立庞大的电子式互感器在线运行数据库;并在稳定性和相关性等分析方式的基础上,研究电子式互感器在线运行的计量特性。
2.2 在线比对平台
为实现电子式互感器运行过程中的误差特性研究,本文选择了黑龙江省电力公司110 k V东山变电站作为项目实施的站点。
110 k V东山变电站为传统变电站,需对其进行改造扩建使该变电站同时有传统互感器和电子式互感器,以具有开展电子式互感器与传统互感器误差在线对比试验条件。具体方案是加装一个间隔的电子式互感器,包括三相共9台电子式电流互感器(其中基于低功率线圈,罗氏线圈,法拉第效应原理的电流互感器各3台)安装图如4所示,挂网产品如表1所示。
通过与东山变电站内安装的温度传感器、摄像头和采集单元建立的通信网络,能够实时将互感器的角差比差等测试数据以及视频监控数据传输到本运行特性研究平台,进行电子式互感器的数据统计及数据分析。
3 试验结果
3.1 温度特性
选择14年8月运行数据作为夏季分析样本。进行温度特性分析时应该固定负荷,选择三种典型的负荷电流值5 A、10 A和20 A。比差角差分析情况如图5和图6所示。
由以上数据分析可知:(1)有源式电子式电流互感器的比差受温度影响较小,在不同负荷条件下,互感器受温度变化影响产生的比差的变化范围多优于0.05%,最大比差变差也优于0.15%;(2)光学电流互感器的比差受温度影响较大,在不同负荷条件下,互感器受温度变化影响产生的比差的变化范围多大于0.1%。最大比差变差达到0.3%左右;(3)有源电子式电流互感器和光学电流互感器的比差变化与温度变化没有明显的相关特性。
角差分析情况如图6所示。
通过数据分析可以得到以下结论:(1)有源式电子式电流互感器的角差受温度影响较小,在不同负荷条件下,互感器受温度变化影响产生的角差的变化范围多优于2',最大角差的变差也优于5';(2)光学电流互感器的角差受温度影响较大,在不同负荷条件下,互感器受温度变化影响产生的角差的变化范围多接近10'。最大角差变差达到25'左右;(3)有源电子式电流互感器和光学电流互感器的角差变化与温度变化没有明显的对应关系。
3.2 负荷特性
选择2014年8月运行数据作为分析样本。进行负荷特性分析时应该固定环境温度,分析时选择四种典型的环境温度25℃、25℃、30℃和35℃。比差分析情况如图3和图7所示。
通过数据分析可以得到以下结论:(1)有源式电子式电流互感器的比差受负荷影响比温度影响大,在不同温度条件下,互感器受负荷变化影响产生的比差的变化范围多优于0.1%,最大比差变差也优于0.2%;(2)光学电流互感器的比差受温度影响较大,在不同负荷条件下,互感器受温度变化影响产生的比差的变化范围多大于0.15%;最大比差变差达到0.3%左右;(3)有源电子式电流互感器和光学电流互感器的比差变化与负荷变化没有明显的对应关系。
角差分析情况如图8所示。
通过数据分析可以得到以下结论。
(1)无论何种原理的电子式电流互感器,角差受负荷变化影响很大,远大于由温度变化产生的影响。在不同温度条件下,互感器受负荷变化影响产生的角差的变化多超过20'。
(2)光学电流互感器的角差受负荷的影响大于有源式电子式互感器,在不同温度条件下,互感器受负荷变化影响产生的角差的变化范围多接近30'。最大角差变差达到60'左右。
(3)有源电子式电流互感器的角差变化与负荷变化呈现出对数上升关系;光学电流互感器的角差变化与负荷变化没有明显对应关系。
3.3 稳定性分析
选择2014年11月~2015年4月的运行数据作为分析样本,并选择3 A/0℃典型工况进行分析。三种电流互感器比差稳定性比较如图9。
通过数据分析可以得到以下结论。
(1)有源式电子式电流互感器的比差的变差较小,在相同参比条件下,罗氏线圈电子式电流互感器的比差的变差为0.06%,低功率线圈电流互感器比差变差为0.03%。
(2)光学电流互感器的比差的变差大于有源式电子式电流互感器,在相同参比条件下,光学电流互感器的比差的变差为0.10%。
(3)综上,采用低功率线圈方式的电子式互感器的比差稳定性最高,采用罗氏线圈的电子式互感器的比差稳定性次之,采用光学原理的电子式互感器的比差稳定性最低。
角差分析情况如图10所示。
通过数据分析可以得到以下结论。
(1)有源式电子式电流互感器的角差的变差较小,在相同参比条件下,罗氏线圈电子式电流互感器的角差的变差为0.6',功率线圈电流互感器角差变差为0.7'。
(2)光学电流互感器的角差的变差远大于有源式电子式电流互感器,在相同参比条件下,光学电流互感器的角差的变差为21'。
(3)综上,采用低功率线圈方式的电子式互感器的角差稳定性最高,采用罗氏线圈的电子式互感器的角差稳定性次之,采用光学原理的电子式互感器的角差稳定性最低,与比差稳定性分析得到的结论一致。
3.4 相间对比分析
相间对比分析时选择2014年11月~2015年4月的运行数据作为分析样本,选择3 A/0℃典型工况对三种电子式电流互感器A相、B相和C相进行对比分析。比差分析情况如图11所示。
通过数据分析可以得到以下结论。
(1)基于低功率线圈的电子式电流互感器比差变差分别为0.03%、0.07%和0.03%,三台互感器在长期运行过程中的一致性最好
(2)基于罗氏线圈的电子式电流互感器比差变差分别为0.06%、0.11%和0.05%,三台互感器在长期运行过程中的一致性较好。
(3)光学电流互感器比差变差分别为0.10%、0.13%和0.17%,三台互感器在长期运行过程中的一致性最低。
角差分析情况如图12所示。
通过数据分析可以得到以下结论。
(1)基于低功率线圈的电子式电流互感器角差变差分别为0.7'、1.9'和1.5',三台互感器在长期运行过程中的一致性最好。
(2)基于罗氏线圈的电子式电流互感器角差变差分别为0.6'、0.8'和3.6',三台互感器在长期运行过程中的一致性较好。
(3)光学电流互感器角差变差分别为21'、14'和12',三台互感器在长期运行过程中的一致性最低。
4 结论
本文在已建立的电子式互感器运行特性研究平台上,通过对东山变电站内挂网运行的电子式互感器进行数据分析,获得了电子式互感器在长期运行过程中的误差与部分影响参量的关系和规律。规律如下。
(1)电子式电流互感器的比差受负荷电流变化影响较大,比差值多在变化区间内来回波动,无明显规律。温度变化升高时,由负荷电流变化产生的比差的变化程度增大。
(2)电子式电流互感器的角差受负荷电流变化影响较大。其中有源电子式电流互感器的角差与负荷电流呈指数上升关系,且不随温度变化;光学电子式电流互感器的角差随负荷电流变化而波动,波动范围随负荷电流增加而减小。
(3)电子式电流互感器的误差受温度变化影响小于负荷电流影响,比差和角差随温度变化来回波动。
(4)有源电子式电流互感器的稳定性优于光电式电子式电流互感器,稳定性和可靠性从高到低依次为:低功率线圈>罗氏线圈>光学。
本文得到的电子式互感器在长期运行过程中的误差与温度、负荷等影响参量的关系和规律,可为准确评估其稳定性和可靠性提供重要支撑,对电子式互感器的研制和校验具有一定的意义。
摘要：为获得电子式互感器在长期运行过程中的误差与部分影响参量的关系和规律,建立了电子式互感器运行特性在线实验平台。在分析电子式电流互感器误差来源的基础上,在东山变电站对挂网运行的电子式互感器进行试验。通过对试验数据进行研究,得到了电子式电流互感器误差受温度、负荷变化的影响规律及长期运行过程中的稳定性,为准确评估电子式电流互感器的稳定性和可靠性提供了重要支撑。
关键词：电子式电流互感器,在线比对试验,误差特性
参考文献
[1] Bohnert K,Gabus P,Nehring J,et al.Temperature and vibration insensitive fiber-optic current sensor.Journal of Lightwave Technology,2002;20(2):267—276
[2] 王鹏,罗承沐,张贵新.基于低功率电流互感器的电子式电流互感器.电力系统自动化,2006;30(4):98—101Wang Peng,Luo Chengmu,Zhang Guixin.Electronic current transformer based on low-power current transformer.Automation of Electric Power Systems,2006;30(4):98—101
[3] 李伟.电子式电流互感器及数字化电站新技术研究,武汉:华中科技大学,2011Li Wei.The research on electronic current transformer and new technologies of digital power substation.Wuhan:Huazhong University of Science and Technology,2011
[4] 孙卫明,潘峰,钟清,等.数字化电能计量技术.北京:中国电力出版社,2014:158—168Sun Weiming,Pan Feng,Zhong Qing,et al.Digital energy measurement technology.Beijing:China Electric Power Press,2014:158 —168
[5] 罗承沐,张贵新.电子式互感器与数字式变电站.北京:中国电力出版社,2012:81—82Luo Chengmu,Zhang Guixin.Digital electronic transformer and digital substation.Beijing:China Electric Power Press,2012:81—82
[6] 王妍艳,李岩松.光学电流互感器Sigma点卡尔曼滤波去噪方法研究.科学技术与工程,2013;13(31):9348—9349Wang Yanyan,Li Yansong.Research of denoising byσKalman filter on optical current transformer.Science Technology and Engineering,2013;13(31):9348—9349
[7] Pan F,Chen R M,Xiao Y,et al.Electronic voltage and current transformers testing device.Sensors,2012;12(1):1042—1051
[8] Brandolini A,Faifer M,Ottoboni R.A simple method for calibration for the traditional and electronic measurement current and voltage transformers.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2009;(5):1345—1353
电子式的电流互感器 篇4
电子式电流互感器(ECT)采用光纤传输以达到绝缘隔离的目的,但高压侧信号采样变送线路要求提供稳定可靠的直流电源,多年来一直是实现ECT工程化的关键技术难题。
根据物理学原理可知,在被测高压导线周围有交变电磁场,利用电磁感应便可获取电能。这是一种理想的“就近取能”方案。由于该能量取自被测对象,也用于被测对象,依靠交变电磁激励获得,故称为“自励源”。然而,此方案却由于诸多无法解决的技术难题屡遭放弃,以至于许多研究者不得不采用激光或微波等复杂昂贵设备“隔离送能”[1,2]。
本文应用电子技术、光通信技术和磁性材料技术的最新成果,研究解决了自励源的供电技术难题。
1 自励源ECT应用解决方案
采用ECT进行高压输变电线路测控的解决方案如图1所示。
高压侧传感单元采用的是LPCT。LPCT输出的电压信号需要由位于高压侧(一次)信号处理电路转换为数字光脉冲信号,再经由光纤远传至低压端控制室,然后由低压侧(二次)信号处理保护电路将光信号还原为电信号,从而实现高压线路电流参数的远程测量与保护。
向ECT的高压侧信号采样变送线路提供直流电源的研究主要集中在2个方面:一是供能的成本和可靠性;二是使用和维护的方便性。
根据电磁场储能原理,从高压母线直接获取能量的途径有电场取能和磁场取能2种。本文为ECT设计的自励源供能方案采用磁场取能,其原理如图2所示。
根据电磁学原理,在取能线圈中存储的能量为:
式中:Wm为磁场储能;B为磁感应强度;H为磁场强度;V为取能线圈包容的体积;L为取能线圈的电感;I为取能线圈中的电流。
自励源在被测母线大电流的条件下供能效果很理想,但若高压导线的电流不是足够大时,将会影响ECT信号采样变送处理电路的正常工作。为了能在高压母线小电流时尽可能多地获取能量,该方案在高压母线外设计了一个具有较高磁导率的微晶磁性材料作为环形磁导体,以增大取能线圈的电感值。实践表明,该磁场取能方案具有以下优点:体积小,结构紧凑,绝缘封装简单,使用安全。
采用自励源电源供能方式的ECT应用解决方案架构如图3所示。
2 实现自励源ECT的关键技术
为了真正实现ECT的工程化,使其成为高压侧变送电路长期工作稳定、可靠的电源,必须满足IEC 60044-8[3]标准的相关要求,重要的技术指标有3项,分别是唤醒电流、唤醒时间和饱和大电流。
2.1 唤醒电流
在IEC 60044-8标准中有关唤醒电流有明确的定义:使采样变送电路进入工作状态的最小的一次电流为唤醒电流。唤醒电流代表了采样变送电路所能检测到的最小电流,实际上是ECT测量的灵敏度。不过,对于采用自励源的ECT,唤醒电流有2个方面的意义:其一,唤醒电流是可测量到的被测高压母线上的最小电流,可称为标准唤醒电流;其二,若被测高压母线电流过小时,自励源可能将无法取得使ECT采样变送电路正常工作的直流电源能量,即唤醒电流又是保证ECT正常工作的被测高压母线上的最小电流,可称为工作唤醒电流。本文对唤醒电流关注的重点主要放在后一项。因此,可从2个方面减小ECT的唤醒电流:一方面提高自励源取能装置的灵敏度;另一方面减小ECT采样变送电路的启动功耗。
选用新型超低功耗信号处理器件是减小ECT采样变送电路启动功耗的最简单方法,而要提高自励源取能装置的灵敏度,则需在自励源的取能装置上采取措施。
根据式(1)可知,取能线圈的电感是决定自励源取能装置灵敏度的主要参数。在被测高压线(一次)电流和取能线圈的匝数与磁通面积不变的条件下,选用较大初始磁导率的磁性材料是提高取能线圈电感的唯一有效方法。通过对多种磁性材料初始磁化曲线的分析比较发现,微晶磁性材料具有比其他磁性材料更大的初始磁导率。所以选用微晶磁性材料制作自励源取能线圈磁芯。
经过大量优化实验,当微晶磁材料的导磁截面为4 cm2时,可以做到在一次电流只有0.6 A条件下,自励源的功率已大于30 mW,使ECT的标准唤醒电流只有几百毫安,完全满足IEC标准与ECT实用的要求。若继续增大取能线圈导磁截面面积,自励源的取能效果会有相应提高。但是,在被测的一次电流较大时,取能线圈的导磁截面面积越大,所获得的能量就越多,这将会导致取能线圈输出的大电流冲击自励源稳压整流电路,严重影响自励源直流电压输出的稳定性。所以,取能线圈的导磁面积并不是越大越好,在确保自励源取能灵敏度的条件下,取能线圈的导磁面积一般应在5 cm2左右较好。
据统计,大多数被测高压线路即使在空载状态也有约1 A电流(容性或感性),已经满足了自励源所要求的最小电流。即使被测高压线路处于空载状态,自励源ECT仍能正常工作,无需其他辅助供能措施,采样变送电路可正常输出。本文中的自励源ECT样机,实测的标准激发电流仅为0.588 A。若自励源的取能线圈所采用的微晶磁性材料环的面积为6 cm2,ECT的标准激发电流可减小到0.4 A或更小。
2.2 唤醒时间
在IEC 60044-8标准中,对唤醒时间有明确的定义:唤醒时间是一次回路(被测高压输变电线路)带电后,测量系统进入工作状态需要的时间。显然,唤醒时间应越短越好。若被测高压输变电线路仅仅是短时间断电(例如断电自动重新合闸),由于储能电池/电容连续供电,ECT将连续工作几分钟到几小时,不存在重唤醒问题。但若被测高压电线路长期不带电,自励源储能耗尽,首次合闸通电后自励源整流稳压过程一般会有20 ms以上的延迟,这对于被测高压输变电线路一般的测量和稳态保护影响不大,但对于要求唤醒时间极短的速断保护应用,大于20 ms的延迟将是一个缺陷。因此,为应对被测高压输变电线路断电长达数月的极端情况,本文采用了掉电/休眠技术,用微型蓄电池维持ECT采样变送电路并使 之处于节电休眠状态。据此开发的ECT样机,利用了电路休眠管理功能,用60 mA·h的微型蓄电池可维持ECT采样变送电路主控芯片守候时间长达1年以上(总休眠电流为5 μA),使采样变送电路由休眠状态进入工作状态仅需几十微秒,从根本上解决了自励源可能造成ECT检测延迟的缺陷,合闸后,蓄电器再充电以备后用。
2.3 饱和大电流
当被测高压线(一次)电流增大时,自励源的取能也将快速增加,以至于大大超出需求,将会使后续稳压处理电路造成过热、过压,严重损害电子器件乃至ECT的使用寿命。
对于饱和大电流的处理通常有2种策略:“放”或“限”。有关“放”的方法在诸多文献中已有介绍和讨论[1,2,4,5]。但对饱和大电流“放”的研究,其实验范围仅限于一次电流在1 kA以内,而且要求具有强制散热措施保障,所采用的可控硅和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等功率器件都将产生较强的纹波,不仅输出的直流电压不稳,还增加了自励源电源的自耗,使ECT很难做到具有较低的唤醒电流。据诸多文献报道,通常唤醒电流仅能达到3 A～10 A,留下了较大的测量死角。
本研究采用了“限”策略。为此设计了一种特殊的限流组件(DLT-15组件),接在取能线圈输出端,如图4所示。
该组件具有特殊的“漏斗”效应,其功能是:
1)当取能线圈的电流较小时,DLT-15组件呈零阻抗通道,即所谓“低通”。
2)若取能线圈的电流剧增,当大于取能线圈允许电流的上限时,DLT-15组件的阻抗按指数规律急剧上升,以平抑电流的增加。这就是所谓的“高限”。
3)由于“高限”必然引起取能线圈的磁饱和,从而可能产生高压尖脉冲,为此,在DLT-15组件的前端并一个电压尖峰吸收模块,使取能线圈的输入端电压峰值限定在100 V以内时,“漏斗”的输出保持小于10 V/15 mA。
4)当“漏斗”输出电压高于10 V,“漏斗”的旁路溢出开关自动打开,向蓄能电池充电。在欠压和一次电流断电情况下,蓄能电池将自动向ECT的采样变送电路供电。限流“漏斗”的能量分配关系如图5所示(该组件及相关技术已获国家发明专利:CN1909327)。
根据上述设计思路,并经过反复工程实践,本文中开发的自励源供电系统为ECT的信号采样变送电路提供了一个净化的直流电源,确保了ECT测量的精度。显然,该方案的成功完全得益于“漏斗”DLT-15组件。
3 结语
依据本文研制的自励源ECT产品已通过国家高压电器质量监督检验中心的型式实验,先后在2个110 kV电站挂装10台套,进行了长达2年多的试运行,并已陆续在西北、东北及江南地区投入运行。室外气候条件为:温度-30 ℃～+40 ℃;湿度10%～90%。该自励源结构的ECT,无耗件,免维护,可以连续稳定运行,唤醒电流小于0.4 A,测量精度0.1/0.2/5P25,大电流条件下,自励源电路连续温升不超过5 ℃(无散热器)。
自励源供电系统高效的磁场取能方式与独特的供电处理系统,可应用于各种高压实验研究领域,例如,高压绝缘在线监测、雷达高压电源检测等。自励源供电系统的设计思想和技术理念,在航空及军事等相关应用中也将有非常积极的参考价值。
参考文献
[1]王海明,郑绳楦.电子电流互感器高压侧电源方案研究.电工技术杂志,2004,7:72-74.WANG Haiming,ZHENG Shengxuan.Researches on power supply for the high voltage unit of the active electronic current transducer.Electrotechnical Journal,2004,7:72-74.
[2]钱政.有源电子式电流互感器中高压侧电路的供能方法.高压电器,2004,40(2):135-138.QI AN Zheng.Power supply for high voltage circuit of active electronic current transformer.High Voltage Apparatus,2004,40(2):135-138.
[3]IEC60044-8Electronic current transformers.2002.
[4]李芙英,朱小梅,纪昆,等.一种应用于高压侧测量系统中电源.高电压技术,2002,28(3):46-47.LI Fuying,ZHU Xiaomei,JI Kun,et al.The power supply of opticelectric current transducer.High Voltage Engineering,2002,28(3):46-47.
电子式的电流互感器 篇5
1 电子式电流互感器工作原理
1.1 罗氏线圈原理
电子式电流互感器所应用的工作原理之一就是罗氏线圈原理。罗氏线圈是指把一横截面积并且匀称的导线环绕在非铁磁性的圆柱型线圈上。采用罗氏线圈的方式来将导线环绕成圆柱型线圈, 并将其连接到线路上, 再利用测量仪器, 可以测量出导体上的电流, 运用法拉第电磁感应定律, 即:
E=BLV
基于以上定律, 可以计算出罗氏线圈中导体的电动势, 进而合理调节线圈, 使其可以有效应用。总之, 罗氏线圈原理的运用, 使得电子式电流互感器线圈设置简单、合理、有效, 为使其可以有效应用做铺垫。
1.2 低功率小铁心线圈原理
简单来讲, 低功率小铁心线圈原理是绘制一个简单的电流图, 即将低功率小铁心线圈式的电流互感器与其他元件串联形成一个简单电路, 那么这个电路中就会产生一次电流和二次电流, 两者呈正比关系, 由此可以得到一次电压和二次电压在利用纯电路中电功率的计算公式, 即:
P=UI
计算出低功率小铁心线圈式的电流互感器的电功率, 再依据电子式电流互感器设置要求, 合理的调整小铁心线圈, 如此可以提高电子式电流互感器的电流调节作用。
1.3 电阻分压原理
电阻分压原理是在并联的两个电阻之间, 利用一根导线来连接, 使两个电阻可以分压。利用电阻分压原理来设置电子式电流互感器, 则是将均压电级与低压电阻串联, 将高压电电阻与低压电阻并联, 如此可以使低压电阻和高压电阻在低功率小铁心线圈的作用下分压, 那么电路中的一次高压电就会转变为二次低电压, 这利于提升电子式电流互感器对变压器予以差动保护。
1.4 阻容分压原理
阻容分压原理的应用是在一个线路外面套上一个圆柱状的电容圆环, 进而形成电容分压。在设置电子式电流互感器时, 对于阻容分压原理的运用, 则是按照电阻分压的方式制成圆柱状的电容圆环, 将其接地的电容相连接, 如此可以形成电路的回路, 并且此回路中的电阻可以分压, 那么通过电子式电流互感器的高电压就会降低, 利于保护变压器。当然, 在利用此原理来设置电路的回路时需要注意测量和调整电路, 避免电路短路, 导致电子式电流互感器无法有效应用。
1.5 串联感应分压器原理
串联感应分压器原理是将多种不同级的电抗器串联在电路中。利用此原理, 将抗电器串联在电子式电流互感器的电路中, 可以获得电抗器输出的电压信号, 技术人员可以依据电压信号来合理设置电子式互感器的线圈, 如此可以改变电路中的电流和电压, 这对于保护变压器有很大帮助。
2 差动保护原理分析
2.1 差动保护整合算式
对于电子式电流互感器差动保护的整合计算, 首先是对电子式电流互感器差动保护运行的电流定值进行计算, 这可以明确电子式电流互感器差动保护形成的电流条件。公式内容为:
I=Kel (ker+U+m) Ie
注:Kerl表示为差动保护的可靠系数;Ker表示为电流互感器的额定电流下的变化误差。
基于此公式, 可以计算出电子式电流互感器的额定电压。以此为依据, 对电路中的电子式电流互感器进行调节, 可以使其形成差动保护, 使电压器得到保护。
2.2 差动保护动作特性
电子式电流互感器差动保护产生, 差动保护动作将会表现出多种特性, 其中包括差动保护硬压板的投入、差动保护软压板的投入、差动保护启动元件动作、CT异常检测等。
2.3 运行差动保护方案
在科学技术发展迅猛的社会背景下, 电子式电流互感器应用日益广泛。为了使电子式电流互感器有效的连接在电弧炉的变压器线路中, 使变压器可以得到电子式互感器产生差动保护的有效保护, 应当科学设置运动差动保护方案。具体的做法就是从线圈设置着手, 即依据罗氏线圈原理, 并结合电弧炉的变压器安全性, 合理设置线圈, 再结合电阻分压原理, 科学规划电阻的连接, 使线圈可以有效的调节线路电压和电流, 促使电子式电流互感器可以在线路中形成差动保护, 对变压器予以保护。另外, 因为电弧炉变压器的高压侧与中压侧采用了常规电流互感器, 为了使电子式电流互感器与常规电流互感器协调应用, 还应当在变压器主体上安装数据采集装置, 通过此装置来采集电抗器所输出的高压信号, 进而对电子式电流互感器的线圈数进行调整, 使其满足变压器保护要求, 在机器故障时可以给予变压器差动保护, 同时不影响常规电流互感器的应用。
3 结束语
在我国科学技术迅猛发展的情况下, 电子式电流互感器应用越来越广泛, 尤其是在工业化生产中, 可以将电子式电流互感器与电弧炉的变压器相连接, 在变压器运行的过程中给予保护, 一旦有机器故障, 电子式电流互感器会形成差动保护, 以保证变压器安全。所以, 基于罗氏线圈原理、低功率小铁心线圈原理、阻容分压原理、串联感应分压器原理的电子式电流互感器具有较高的应用价值, 值得推广和应用。
摘要：电子式电流互感器具有不饱和的优势, 在机器故障时其空心圈所产生的次要谢振波, 可以使变压器保护硬件的安全性、可靠性增强, 避免变压器受到故障的影响。所以, 电子式电流互感器的有效应用, 可以给予变压差动保护。基础此点, 本文将从理论的角度出发, 就电子式电流互感器的变压器差动保护进行分析和研究。
关键词：电子式,电流互感器,变压器差动保护
参考文献
[1]邹洁.应用电子式电流互感器的变压器差动保护研究[J].电子制作, 2014 (8) :29-30.
[2]李强.基于电子式电流互感器的变压器差动保护研究[D].济南:山东大学, 2012.
[3]邓茂军, 吴起, 陈亮等.基于电子式互感器的电炉变压器差动保护研究[J].电力系统保护与控制, 2011, 39 (9) :114-118, 124.
电子式的电流互感器 篇6
串联补偿(简称串补)系统需要电流互感器(TA)测量系统提供真实、可靠的一次电流信息。
常规TA测量系统在串补系统中应用成熟,但仍存在一些缺陷:串补平台上常规TA二次侧电缆需接到集中箱,线缆布置很长,TA测量系统的抗干扰能力差;串补平台上常规TA测量系统的供能电源依赖一次电流转换,供能存在一定的不稳定性;串补平台上存在多种电位,回路复杂,常规TA测量系统暂态情况下电位易发生变化。
近年来,电子式互感器发展迅速,其中电子式TA绝缘简单、体积小、无磁饱和、二次输出可以开路,光缆输出数字信号,无二次电缆[1,2]。
本文对串补系统中常规TA测量系统的干扰影响进行分析,提出了一种新的电子式TA测量系统的串补应用方案,以增强TA测量系统的抗干扰能力。
1 串补中TA测量系统的干扰分析
串补系统主要包括电容器组、金属氧化物限压器(MOV)、触发火花间隙、阻尼装置、旁路断路器、绝缘平台以及相应的测量系统、保护系统、控制系统等[3]。
1.1 现有串补系统的主要问题
串补系统在工程实践中有一些问题没有得到很好解决。串补系统所在平台电磁环境复杂,存在很强的电磁干扰(尤其当串补系统投入和退出时),对TA测量产生较大影响,容易引起电容器不平衡保护、平台闪络保护、间隙保护的误动作;直接测量整组电容器电压跨度大,不易测量,且受平台电磁干扰较大,误差较大;MOV损坏率高,MOV容量设计及各并联柱之间的均流问题没有得到很好解决,各个MOV柱电流不平衡会使得单支MOV发生爆炸或压力释放;间隙触发装置(GTE)存在抗干扰问题,一些串补站在系统充电投运时GTE损坏。
1.2TA测量系统的干扰分析
串补系统的一次设备以及测量TA位于高压绝缘平台上,设备安装紧凑,平台对地绝缘,本文介绍的河池串补平台的布置图见附录A图A1。图中1~8 是测量TA,测量TA的二次输出模拟信号通过电缆汇集到二次端子盒,模拟信号经过固定在平台上的光电转换器变为数字信号,经信号柱传送到远方保护小室里[4]。
TA二次输出到端子盒之间的电缆就在串补平台上,TA二次电缆和平台存在分布电容,平台上的电容器等设备与平台由于杂散电容的影响,在高频信号下,易形成泄放回路,TA二次电缆极易受到干扰,从而影响正常采样[5]。
通常做法是将TA二次电缆的屏蔽层都在同一端子盒接地(即单点接地)。电缆屏蔽体将接收电路、设备包围起来,防止它们受到外界电磁场的影响。但在工程实际中,屏蔽体上有很多导电不连续点,如屏蔽体不同部分结合处形成的不导电缝隙。当干扰频率较高,即波长相对缝隙较小时,就产生了电磁泄漏。另外,在频率较高的场合,空间各种杂散参数为差模电流提供了更多的返回路径。这样泄漏的差模电流导致了共模电压的产生,而后共模电压与杂散电容导致电缆产生共模电流,由于共模电流的环路面积是由电缆与大地形成的,因此具有较大的环路面积,会产生较强的辐射,并且在强电磁场下也会感应出环路电流,形成对正常信号的干扰。
串补投退时隔离刀闸拉弧、故障时电容器通过火花间隙放电都会成为TA测量系统的干扰源,瞬态电流可达到100 kA,同时串补平台上存在多种电位,回路复杂,暂态情况下电位发生变化,TA的电磁环境复杂。由于TA在平台上分散布置,二次侧电缆很长,很容易受到干扰,暂态下甚至会引入高电压,导致电子设备损坏。例如:当串补平台投入瞬间,一次操作的高压电弧干扰不可避免,这样在二次回路上产生了较大的干扰信号,二次回路受到了暂态分量的影响。暂态分量通过TA 二次电缆的屏蔽层,使TA 二次回路出现了干扰信号,甚至会发生烧坏测量二次端子盒内电子设备的现象。
2 一种新的TA测量系统的原理和结构
针对常规TA测量系统易受干扰、影响暂态测量准确性的问题,提出一种新的电子式TA测量系统,利用电子式TA传感串补平台上一次设备电流,利用基于激光供能的远端模块就地采集电子式TA的输出信号,以及利用光纤传送信号。该TA测量系统采用电子式TA就地分散采集的方式,没有二次电缆,使用光缆直接传输数字信号,消除了对测量系统的干扰路径,能实现对串补平台上一次设备电流的真实可靠监测。
2.1 基本结构
电子式TA测量系统的架构如图1所示,图中PIN为光电二极管。
电子式TA测量系统利用低功率线圈(LPCT)传感设备电流。LPCT的输出信号正比于被测电流,LPCT的输出信号利用远端模块就地进行处理。
远端模块置于LPCT顶部的远端模块箱体内。远端模块对来自LPCT的信号进行滤波、放大、模数变换、数字信号处理及电光变换,将被测一次设备电流转换为数字光信号的形式输出,远端模块的工作电源由合并单元内的激光器提供。
硅橡胶复合绝缘子保证串补平台和大地的绝缘,绝缘子内埋多根多模光纤,绝缘子底部固定有光纤熔接箱体。TA测量系统的户外部分(包括LPCT及复合绝缘子等部分)通过铠装光缆与主控室的合并单元相连。
2.2LPCT
LPCT的结构如图2所示。图中:Ip为一次电流;Rsh为并联电阻;Us为二次电压;Rb为负荷阻抗;Np为一次绕组匝数;Ns为二次绕组匝数;P1和P2为一次端子;S1和S2为二次端子。LPCT串联于一次回路中,用于串补平台一次设备电流的传感测量。它由一个一次绕组、一个很小的铁芯和与取样电阻相连的具有最小损耗的二次绕组组成。 作为二次绕组的一个组成部分,起到了将电流输出转换成电压输出的作用。
2.3 远端模块
远端模块是电子式TA测量系统的核心部件之一,原理架构如图3所示,LPCT和远端模块的组件图见附录A图A2。远端模块接收并处理LPCT的输出信号,其输出为串行数字光信号。远端模块的工作电源由位于控制室的合并单元内的激光器提供。每个远端模块有一个模拟量输入端用以接收LPCT的输出信号,一个光纤接收头用以接收激光,一个光纤发射头用以发送数字信号。
远端模块采用低功耗设计技术,其实际功耗小于30 mW,这样可减小激光器的输出功率,提高可靠性及寿命。远端模块设计了两路独立模拟采样回路,完成双重化采样,实时比较、校验两路采样值,实现采样回路硬件自检功能。当远端模块工作异常(AD采样异常、电源电压异常、数据传输异常等)时,可及时给出故障告警信号并给出数据无效标志,避免采样异常等情况引起保护误动。远端模块的设计充分考虑了其户外工作的恶劣环境,能在较宽的温度范围(如-40~+70 ℃)及较强的电磁干扰环境下正常工作。
2.4 合并单元
合并单元置于控制室,一方面为远端模块提供供能激光,另一方面接收并处理远端模块下发的数据,并将测量数据按规定的协议(时分复用(TDM)或IEC 60044-8)输出供二次设备使用。合并单元设计了多种硬件和软件措施,当远端模块或合并单元发生故障时,能及时被发现,并按预定的方案对采样数据进行正确处理,使得串补控制保护装置始终获得正确数据。
2.5 电子式TA测量系统的优点
电子式TA测量系统利用基于激光供能的远端模块就地采集电子式TA的输出信号,传送的是数字信号,其在传输和处理过程中均不会产生附加误差,使串补系统控制和保护的测量精度得到提高。电子式TA测量系统利用光纤传送信号,输出的数字信号可以很方便地进行数据通信,实现数据共享。
电子式TA测量系统绝缘结构简单可靠、体积小、重量轻、线性度好、测量精度高(0.2级)、动态响应快、抗干扰性能好。
3 基于电子式TA测量系统的串补应用
针对目前串补系统存在的平台电磁干扰、电子设备易损坏等问题,可以使用电子式TA测量系统保证采样准确、可靠。
3.1 串补站的配置
500 kV河池串补站以及百色串补站改造时采用了基于电子式TA测量系统的串补方案。
串补站包含3个平台,平台上的互感器布置如图4所示。图中:DS为隔离开关;GS为接地开关;QS为旁路开关;MIX为光纤熔接箱;J为放电间隙;C为电容器组。均采用LPCT取代常规互感器,每个平台配置9只LPCT,其中Icap,Iby,Imov,Imov1,Igap,Ipla,Iline这7个测点的LPCT额定一次电流为2 400 A,Icap1和Icap2测点的LPCT额定一次电流为2 000 A,各电子式TA与平台间的绝缘要求满足10 kV绝缘水平,各就地采集单元配置两组远端模块,实现模拟量双通道采集和模拟量采集部分的冗余配置。
串补和控制保护系统也采用双重化原则配置,并具有对自身和对外接口回路的自检和自诊断功能,两套系统完全独立、互为冗余,每套系统均可以独立启动、运行和退出。其中一套控制保护系统因故障退出时,另一套系统仍能保证串补装置的正常投入、运行和退出。
3.2 串补站的TA测量系统性能
500 kV串补站的电子式TA测量系统不仅通过了国家标准的EMC电磁干扰试验,而且模拟串补平台的复杂电磁干扰,通过了150 kAp,8/20 μs典型雷电波电流瞬态大电流响应试验以及40 kA,3 s 工频电流大电流干扰试验。试验现场图见附录A 图A3。
串补系统投运前模拟人工接地短路试验后,取得TA测量系统录波图见附录A图A4。
500 kV河池串补站和百色串补站已经投运一年多时间,运行稳定、动作正确。
4 结语
串补平台上电磁环境恶劣,暂态特性下常规TA测量系统容易受到干扰影响,采样准确性很难保证,电子器件容易损坏。串补系统选择电子式TA测量系统,采用就地分散采集,使用光缆传输采样信息,可以消除干扰路径,从而提高了TA测量系统的抗干扰性能。所研制的基于电子式TA测量系统的输电线路串补系统已在河池和百色500 kV串补站运用。
附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。
参考文献
[1]李九虎,郑玉平.电子式互感器在数字化变电站中的应用[J].电力系统自动化,2007,31(7):94-98.LI Jiuhu,ZHENG Yuping.Application of electronic instrument transformer in digital substation[J].Automation of Electric Power Systems,2007,31(7):94-98.
[2]罗承沐,张贵新,王鹏.电子式互感器及其技术发展现状[J].电力设备,2007,8(1):20-24.LUO Chengmu,ZHANG Guixin,WANG Peng.Electronic type instrument transformer and its present technical development manner[J].Electrical Equipment,2007,8(1):20-24.
[3]周孝信,郭剑波,林集明.电力系统串联补偿[M].北京:中国电力出版社,2008.
[4]曾玉,汪建.500kV河池串补站控制保护系统的设计与实现[J].继电器,2005,33(10):75-78.ZENG Yu,WANG Jian.Design and implementation of thecontrol and protection system for500kV Hechi series compensation[J].Relay,2005,33(10):75-78.
电子式的电流互感器 篇7
为了适应并促进较低电压等级电网的数字化发展趋势, 提出了适用于6～35 kV 电网的电阻分压式电子型电压互感器 ERVT (Electronic Resistor - divider - based Voltage Transformer) [1,2,3,4]。这种 ERVT 采用电阻分压器作为传感单元, 将被测母线电压转换成与之成比例的小电压信号送信号处理电路进行滤波、移相及放大等处理, 最后输出满足 IEC60044-7标准的信号, 供测量和保护装置使用。由于信号处理单元对地电位很低, 不存在对地绝缘问题, 因而无需使用光纤进行信号传输。显然, ERVT 具有测量频带宽、动态特性好、线性范围大、绝缘结构简单、体积小、造价低、易实用化等优点。但是, ERVT 也存在明显的不足之处, 如:适用范围有限、没有实现一次系统与二次系统的完全隔离、二次系统易受一次系统的干扰等。为了克服这些缺点, 进一步简化电压互感器的绝缘结构, 现提出一种基于电压-电流变换和弱电流检测技术的电子式电压互感器 EVCVT (Electronic Voltage - Current - conversion - based Voltage Transformer) 。
1 组成原理
基于电压-电流变换和弱电流检测技术的 EVCVT 的组成结构与工作原理如图1所示。
由图1可见, EVCVT 由电压-电流变换元件 ZVI、弱电流检测处理装置以及保护间隙 S 等3部分组成。其中, 电压-电流变换元件 ZVI 选用精密线性复阻抗, 它的一端接于被测母线, 另一端接地。流经 ZVI 的电流 Ix 与母线电压 Ux 之间呈现线性关系, 二者之间的关系见式 (1) :
Ux=ZVIIx (1)
由式 (1) 可知, 如果复阻抗 ZVI 的阻抗值 zVI 与阻抗角 φz 为固定值, 则电压 Ux 与电流 Ix 之间就会存在固定的比例关系和固定的相位关系, 比例因子为 zVI, 相位差为 φz。由于电压-电流变换元件为精密线性元件, 只要适当选取阻抗值 zVI, 电压-电流变换元件 ZVI 就可以把被测母线电压 Ux 按固定比例关系 (1/zVI) 转换为毫安级别的弱电流 Ix, 而且电压到电流变换过程中所产生的固定的相位偏差取决于变换元件的阻抗角 φz。
弱电流检测处理装置是利用电子测量技术和微机检测技术实现的电子检测处理装置, 由弱电流传感单元、数据处理单元以及信号输出单元3个部分组成, 其主要功能如下:
a. 实现对电压-电流变换元件接地引线中毫安级别弱电流 Ix 的精确测量;
b. 根据式 (1) , 将电流 Ix 的测量结果换算成被测母线电压 Ux;
c. 以模拟信号形式输出被测电压信号, 供模拟仪表与模拟保护装置使用;
d. 以数字信号形式输出被测电压信号, 供数字仪表以及数字保护装置使用。
由于电子检测处理装置安装于电压-电流变换元件的接地侧, 其对地电位非常低, 不存在对地绝缘问题。因此, 它与二次装置之间的连接不必使用光纤传输, 且对供电电源也无特殊要求。但是, 如果在 EVCVT 的运行中出现接地不良 (接地线松动或断线) , 一次侧的高电压将会窜入到二次侧, 将会严重威胁二次设备与人身安全。为了避免这种情况, 在 EVCVT 的一次侧设置了保护间隙 S, 其击穿电压应远小于电流取样元件 TA 的隔离电压。
2 电压-电流变换
如上所述, 电压-电流变换元件 ZVI 负责完成被测母线电压到毫安级别弱电流的转换。为保证电压互感器有较高的准确度, 变换元件需选用精密线性元件, 而且变换元件必须具有较高的稳定性。理论上, 电压-电流变换元件可以使用电阻、电容及电感组成的复阻抗。但在实际工程应用中, 电压-电流变换元件易使用纯电阻或者纯电容2种元件, 以简化变换元件的绝缘结构与制造工艺, 同时还可简化对电压到电流变换过程中产生的相位偏差所做的软件补偿或硬件补偿。电阻变换元件适合于6～35 kV 中压电网, 而电容变换元件则适合于110～220 kV 高压电网, 甚至适合于330 kV 以上的超高压电网。受篇幅所限, 这里仅讨论电阻变换元件作为电压-电流变换元件的情况。
用纯电阻元件构成电压-电流变换元件 ZVI 时, 变换元件仅完成被测母线电压到毫安级别弱电流的转换, 且在电压到电流变换过程中不产生相位移, 即输出电流与被测电压同相位。这时, ZVI=RVI, 由式 (1) 可知, 电压与电流之间的变换关系见式 (2) 。
Ux=RVIIx (2)
为了实现母线电压到毫安级别弱电流的转换, 电压-电流变换元件的额定阻值可按式 (3) 选择。
RVI=UN/IN (3)
式中 UN 为电网的额定电压 (V) ;IN 为变换元件的额定电流 (A) 。
变换元件的额定电流应选择毫安级别的电流。增大额定电流虽然可以使得电流测量变得更为容易, 但也会使互感器从电网吸收过多的能量, 增大变换元件的功率损耗而引起较大的温升, 影响变换电阻阻值的温度稳定性, 从而增加测量误差而影响互感器的准确度。反之, 如果额定电流过小, 则易受电晕放电电流和绝缘漏电电流的影响, 也会增大测量误差而影响互感器的准确度, 而且易受外部电磁场的干扰[1,2,3]。与毫安级额定电流相对应, 电压-电流变换元件的额定阻值为兆欧级。
为了保证电压-电流变换元件阻值的温度稳定性, 变换电阻的额定功率可按式 (4) 确定。
PN=KrUNIN (4)
式中 Kr 为裕度系数, 1.5≤Kr≤2;PN 为电压-电流变换元件的额定功率 (W) 。
变换电阻在工作过程中会因消耗电能而产生热量, 从而引起电阻元件的温度变化, 进而引起其阻值发生改变, 影响其阻值稳定性。为充分保证变换元件阻值的温度稳定性, 必须保证电阻额定功率大于正常工作条件下变换电阻消耗的实际功率。因此, 式 (4) 中引入了裕度系数, 裕量的大小视具体散热条件而定[3]。通常情况下, 裕度系数可取1.5～2。
高阻、高压的厚膜电阻具有高阻值、高耐压、高稳定性等特点, 非常适合用作电压-电流变换元件。其最大阻值可达2 GΩ, 单体工作电压可达40 kV (交流有效值) , 温度系数以及电压系数可以做得很低, 高稳定性的厚膜电阻经受冲击试验后阻值非常稳定, 而且阻值可以做得很精确, 外形尺寸也很小, 完全适合于6～35 kV 中压电网的电压测量[3,4,5]。
为了减少电压互感器的测量误差, 保证 EVCVT 有较高的准确度, 在电压-电流变换元件的设计中, 除了电阻元件种类的正确选择及元件参数的合理选用外, 还必须做到合理的结构设计, 以减小杂散电容的影响。电阻变换元件的对地杂散电容是影响电压互感器性能的主要因素, 减少变换元件对地杂散电容的影响是改善电压互感器特性的重要措施, 而合理的结构设计可明显地减少对地杂散电容的影响, 并将其影响限制到允许的范围内[1,2,3,4]。与电阻分压式电压互感器中的电阻分压器相比, EVCVT 中的电压-电流变换元件没有中间抽头, 不存在上、下臂元件间的配合问题, 因而其结构更为简单。但从减少对地杂散电容的影响以及满足绝缘要求等方面看, 电压-电流变换元件的结构设计与电阻分压器的结构设计相同。因此, 电压-电流变换元件的结构设计可参阅文献[1,2,3,4,5], 这里不再赘述。
3 弱电流检测
如上所述, 电压-电流变换元件把被测母线电压按照固定的比例关系变换为毫安级别的弱电流, 而且对于电阻变换元件而言, 从电压到电流的变换过程中不会产生相位移, 即保持输出电流与被测电压同相位。因此, 只要准确测量出弱电流 Ix, 就可以在数据处理电路中很容易地计算出被测母线电压 Ux。由此可见, EVCVT 把高电压测量问题转化成了弱电流的检测问题。很显然, 弱电流的精确测量是实现 EVCVT 的关键技术。事实上, 弱电流精确检测技术已比较成熟, 而且已广泛应用于电力设备的在线监测中[6,7,8]。因此, 基于电压-电流变换以及弱电流检测技术的 EVCVT 在技术上完全可行。
在 EVCVT 中, 弱电流传感单元实现对电压-电流变换元件接地引线中毫安级别弱电流的精确测量, 因而是 EVCVT 中极为重要的环节, 其组成与工作原理如图2所示。由图2可知, 弱电流传感单元主要由2部分组成:弱电流传感器 (TA) 和信号调理电路。其中, 弱电流传感器实现对弱电流信号的取样, 而信号调理电路则实现对取样信号的预处理。
弱电流传感器可采用多匝串入式电磁线圈或单匝穿心式电磁线圈, 以实现弱电流信号的隔离测量。对于多匝串入式电磁线圈, 因其一次绕组匝数较多, 因而对弱电流信号的变化反映较为灵敏, 二次侧输出信号较强, 有利于提高信号传输的信噪比, 但这种传感器需要串入到电压-电流变换元件接地引线中, 使用不够方便。而对于单匝穿心式电磁线圈则恰恰相反, 因其原边绕组仅为一匝, 反映弱电流信号变化的灵敏度较差, 二次侧输出信号的幅值较小, 信号传输的信噪比较低。但它不需串入到电压-电流变换元件的接地引线中, 而是直接套装在变换元件的接地引线上, 使用非常方便, 且安全性较高, 因而在电力系统弱电流检测中得到了广泛应用[6,7,8]。
信号调理电路主要由电流-电压变换电路、滤波电路、相位补偿电路及线性放大电路等部分组成, 负责完成对取样信号的滤波、相位补偿及信号放大, 从而输出与被测电流成比例且同相位, 同时满足 A/D 电路输入要求的电压信号。需要特别强调的是, 为保证 EVCVT 的准确度, 减少测量误差, 信号调理电路必须采用温度稳定性高、线性度好的精密电子元件。目前, 我国一些公司已能提供产品化的、将弱电流传感器与信号调理电路合二为一的高精度电量传感器, 如:WB-I 411系列交流电流隔离传感器, 可以实现毫安级别弱电流的精确测量。WB-I 411系列电流传感器的输入标称值系列为1 mA、2 mA、5 mA、10 mA、20 mA、50 mA、100 mA 等, 线性测量范围为0～120 % 标称输入, 精度等级为0.1级, 频率范围为25 Hz～5 kHz。WB-I411采用新型电磁隔离, 隔离电压大于2.5 kV DC (1 min) , 可完全满足 EVCVT 中毫安级别弱电流的检测需要, 可以用作 EVCVT 中的弱电流传感单元。
4 数据处理与信号输出
数据处理单元主要由数据采集电路与微机系统组成。它对弱电流传感单元输出的电压信号 UAD 进行采样保持、模数转换, 完成数据处理与换算, 并对前级测量误差进行软件补偿[9,10], 从而得到数字形式的被测母线电压。为了保证电压互感器的准确度, 模数转换电路必须选用高分辨率的高速 A/D 器件。至于微机系统, 则可根据对电压互感器的性能要求, 选择微控制器 (MCU) 系统或者数字信号处理器 (DSP) 系统。
信号输出单元包括模拟输出电路和数字输出电路, 以满足 IEC60044-7标准对输出信号的要求。模拟输出电路对数据处理单元得到的数字信号进行数模转换、平滑滤波及信号放大, 以模拟信号形式输出被测电压 (二次电压) 。模拟输出电路必须采用温度稳定性高、线性度好的精密电子元件, 以减少测量误差, 从而保证 EVCVT 的准确度。 数字输出电路采用 RS-485串行接口, 用以直接输出数字信号形式的被测电压。串行口设计成半双工双向通信口, 以适应 EVCVT 的2种工作模式:设置与调试模式/正常运行模式。在设置与调试模式下, PC 机 (上位机) 以“命令/应答”方式与 EVCVT 通信, 完成 EVCVT 的设置与调试。在正常运行模式下, EVCVT 以“命令/无应答”方式主动地不断向数字仪表、数字保护装置或合并单元发送电压数据[11]。EVCVT 必须采取适当的硬件措施[12]和软件措施[13] , 以保证装置通信的可靠性, 从而保证二次系统可靠工作。
5 结语
EVCVT 利用电压-电流变换和弱电流检测技术实现电网电压的精确测量。与传统电压互感器相比, EVCVT 具有绝缘结构简单、体积小、重量轻、线性度好、动态范围宽、暂态性能好等优点, 而且不会引起电网的铁磁谐振, 更容易与数字仪表及微机保护接口。与光电式电压互感器相比, EVCVT 不存在供电难题, 其数字输出接口为常用的 RS-485口, 因而更容易取得实用化进展, 对中压或高压电网尤其如此。与电阻或电容分压式电压互感器相比, EVCVT 的电压-电流变换元件的结构比分压器更简单, 而且实现了一次系统与二次系统的完全隔离, 因而其使用安全性更高。总之, EVCVT 的推出与应用必将大大推动变电站尤其是6～35 kV 变电站的数字化进程。