電流互感器分類及原理

1、1、電流互感器(Current Transformer，CT)電力系統(tǒng)電能計量和保護控制的重要設(shè)備，是電力系統(tǒng)電能計量、繼電保護、系統(tǒng)診斷與監(jiān)測分析的重要組成部分，其測量精度、運行可靠性是實現(xiàn)電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行的前提。目前在電力系統(tǒng)中廣泛應用的是電磁式電流互感器。2、電流互感器國標(GB 1208-87S) 1）準確級：以該準確級在額定電流下所規(guī)定的最大允許電流誤差百分數(shù)標稱。2）測量用電流互感器的標準準確級有：0.1、0.2、0.5、1、3、5；/ B( p6 a2 p9 n6 o. V特殊要求的電流互感器的準確級有：0.2S和0.5S；保護用電流互感器準確級有：5P和10P兩

2、級。3、電磁式電流互感器 1）原理：一次線圈串聯(lián)于被測電流線路中，二次線圈串接電流測量設(shè)備，一二次側(cè)線圈繞在同一鐵芯上，通過鐵芯的磁耦合實現(xiàn)一次二次側(cè)之間的電流傳感過程。一二次側(cè)線圈之間以及線圈與鐵芯之間要采取一定的絕緣措施，以保證一次側(cè)與二次側(cè)之間的電氣隔離。根據(jù)應用場合以及被測電流大小的不同，通過合理改變一二次側(cè)線圈匝數(shù)比可以將一次側(cè)電流值按比例變換成標準的1A或5A電流值，用于驅(qū)動二次側(cè)電器設(shè)備或供測量儀表使用。2）缺點：. 絕緣要求復雜，體積大，造價高，維護工作量大；. 輸出端開路產(chǎn)生的高電壓對周圍人員和設(shè)備存在潛在的威脅；. 固有的磁飽和、鐵磁諧振、動態(tài)范圍小、頻率響應范圍窄；. 輸

3、出信號不能直接和微機相連，難以適應電力系統(tǒng)自動化、數(shù)字化的發(fā)展趨勢。4、電子式電流互感器 1）特征：. 可以采用傳統(tǒng)電流互感器、霍爾傳感器、空心線圈（或稱為 Rogowski coils）或光學裝置作為一次電流傳感器，產(chǎn)生與一次電流相對應的信號；. 可以利用光纖作為一次轉(zhuǎn)換器和二次轉(zhuǎn)換器之間的信號傳輸介質(zhì)；. 二次轉(zhuǎn)換器的輸出可以是模擬量電壓信號或數(shù)字量。2）分類（1）按傳感原理的不同劃分：光學電流互感器和光電式電流互感器 I、光學電流互感器(Optical Current Transformer，簡稱OCT)原理：傳感器完全基于光學技術(shù)和光學器件來實現(xiàn)。 II、光電式電流互感器(Opto-E

4、lectronic Current Transformer，簡稱OECT) 原理：傳感部分采用電子器件而信號的傳輸采用光學器件和光學技術(shù)，是光電子技術(shù)的結(jié)合。 （2）按傳感側(cè)是否需要電源劃分：無源型電流互感器和有源型電流互感器 I、無源型電流互感器：光學電流互感器的傳感和傳輸部分均采用無源光學器件，其利用 Farady 磁光效應，傳感和傳輸信號都是來自二次側(cè)的光信號，一次側(cè)不需要額外能量供給。因此光學電流互感器屬于無源型電流互感器。II、有源型電流互感器：一種基于傳統(tǒng)電流傳感原理、采用有源器件調(diào)制技術(shù)、由光纖將高壓端轉(zhuǎn)換得到的光信號傳送到低壓端解調(diào)處理并得到被測電流信號的新型電流互感器、由于其

5、電路需要工作電源，故稱為有源式光電電流互感器。因此光電式電流互感器屬于有源型電流互感器。國際電工委員會統(tǒng)一標準，按照傳感機理將其分為三類：光學電流互感器、低功率電流互感器、空芯電流互感器。3）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：國外研發(fā)單位或公司產(chǎn)品準確度ABB公司1991 年72KV765KV全系列有源電子式電流互感器產(chǎn)品0.2Photonic Power Systems 公司采用多路信號組合方式有源電子式電流互感器Siemens 公司激光供能型電子式電流互感器Alstom 公司2000年光學電流互感器在美國德州掛網(wǎng)運行Nxtphase 公司2001 年采用全光纖傳感三相 COVCTNXVCT 在 Hydro

6、Quebec 成功安裝國內(nèi)研發(fā)單位或公司產(chǎn)品準確度清華大學羅承沐教授2002年110KV 的基于Rogowski 線圈的有源式光電電流互感器，在山東掛網(wǎng)運行 0.2華中科技大學張岡博士基于空心線圈的有源電子式電流互感器0.5南瑞繼保電氣有限公司2004年220KV 基于空心線圈的電子式電流互感器0.2德國斯尼文特公司與河南電力試驗研究院、許繼電氣股份有限公司2005 年500KV 組合型有源電子式電流互感器，在鄭州小劉變電站投入運行0.1國電南自新寧公司，我國第一家正式推廣電子式互感器的單位2004年OET700 系列產(chǎn)品，低功率電流互感器和空心線圈作為電流采樣元件，已在云南 110 kV 翠

7、峰站、內(nèi)蒙古 220 kV 杜爾伯特站、蘭州330 kV 永登站等變電站掛網(wǎng)運行0.10.2S哈爾濱工業(yè)大學2009年基于法拉第磁旋光效應的光學電流互感器，在華東電網(wǎng)、華北電網(wǎng)、華中電網(wǎng)和東北電網(wǎng)的500kV、220kV、110kV和35kV等4個主導電壓等級的輸電線路投入運行，穩(wěn)定可靠4）優(yōu)點：. 優(yōu)良的絕緣性能，造價低；. 不含鐵芯，消除了磁飽和等問題；. 抗電磁干擾性能好，低壓側(cè)無開路高壓危險；. 頻率響應范圍寬，動態(tài)響應范圍大；. 無易燃、易爆炸等危險；. 積小、重量輕，給運輸和安裝帶來很大方便；. 適應電力計量與保護數(shù)字化、微機化和自動化發(fā)展的潮流；. 節(jié)省大量貴重金屬材料，對保證電

8、力設(shè)備的運行安全具有極其重要的社會意義和經(jīng)濟價值。5）主要問題（1）無源電子式存在的問題：. 溫漂問題。工作環(huán)境溫度變化導致 Faraday 磁光材料發(fā)生雙折射現(xiàn)象，雙折射對輸出光強產(chǎn)生影響，降低了系統(tǒng)測量準確度而無法滿足電力系統(tǒng)計量的要求。. 長期運行穩(wěn)定性問題。采用雙層光路傳感結(jié)構(gòu)的塊狀玻璃式無源電子式電流互感器運行較長時間之后，輸出光強明顯減弱，最終失去測量電流的功能。（2）空心線圈有源電子式存在的問題：. 線圈的結(jié)構(gòu)及制造工藝對測量準確度影響很大。普通空心線圈的設(shè)計準確度最高可達 0.1%，實際應用時僅為 13%，批量生產(chǎn)時分散性較大。. 線圈和一次母線的相對位置變化對測量準確度有一定

9、的影響，其程度取決于線圈的結(jié)構(gòu)、制造工藝以及相對位置變化的大小。. 環(huán)境溫度變化對線圈截面積的變化；. 工作環(huán)境中復雜強大的電磁干擾。解決方法：用金屬薄片包住測量線圈. 振動使線圈與母線相對位置發(fā)生變化。解決方法：將整個傳感部分采用高壓絕緣導熱材料澆注密封，形成一體化結(jié)構(gòu)。5、電子式電流互感器光學電流互感器(OCT)：1）基于法拉第效應的光學電流互感器：利用法拉第磁光效應進行電流傳感的磁光玻璃型電子式電流互感器，其特點：一次傳感器為磁光玻璃，無需電源供電。其示意圖如下：基于法拉第效應的光學電流互感器示意圖2）法拉第磁光效應：法拉第磁光效應原理示意圖如果通過一次導線的電流為i，導線周圍所產(chǎn)生的磁

10、場強度為H，當一束線偏陣光通過該磁場時，線偏陣光的偏振角度會發(fā)生偏振，其偏振角的計算公式為：式中：V為磁光玻璃的verdet常數(shù)，L為光線在磁光玻璃中的通光路徑長度。3）法拉第磁光效應在電子式電流互感器中的應用：無源磁光玻璃型電子式電流互感器在電子式電流互感器中將L設(shè)計為環(huán)路，由法拉第磁光效應原理，則：根據(jù)安培環(huán)路定律，在環(huán)路中可推出： 根據(jù)馬呂斯定律，在圖中：式中：為輸入光強 、為經(jīng)檢偏器分出的兩條光強 為光路中的光強衰減系數(shù) 為起偏器與檢偏器夾角（為常數(shù)）則：=則可得出：4）二次處理系統(tǒng)模塊和接口連接模塊：二次處理系統(tǒng)模塊模擬接口連接模塊數(shù)字接口連接模塊5）基于法拉第效應的光學電流互感器的

11、缺點：. 由于目前尚沒有高精度側(cè)量偏振面旋轉(zhuǎn)角度的檢側(cè)裝置，所以通常采用檢偏器將線偏振光的偏振面角度變化的信息轉(zhuǎn)化為光強變化的信息，然后通過光電管將光強度信號變成電強度信號，以便于檢測和處理；. 要求磁光晶體傳感頭具有較穩(wěn)定的作條件，傳感頭能夠在外界應力、溫度等條件變化的情況下保持較穩(wěn)定的verdet常數(shù)；. 對系統(tǒng)的電子電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求也較高。 6）基于光纖干涉效應或全光纖效應的全光纖電流互感器 全光纖型光電電流互感器：其信號傳感和傳輸部分都采用光纖。優(yōu)點是傳感頭結(jié)構(gòu)非常簡單，比基于法拉第效應的磁光式電流互感器容易制造，精度、壽命及可靠性也比較高。但缺點是這種互感器需要的是比較特殊的保偏

12、光纖，否則線偏振光進入光纖后會很快變成任意偏振方向的光，對信號測量產(chǎn)生很大影響，而要做出有高穩(wěn)定性的保偏光纖很困難，造價比較高，阻礙了這種電流互感器的實用化進程。6、電子式電流互感器基于羅柯夫斯基（Rogowski）線圈的空芯電流互感器基于Rogowski線圈空芯電流互感器示意圖1）基本原理：Rogowski線圈是一個由漆包線繞制的非磁性環(huán)形空心螺線管。被測量的載流導體從空心線圈的中心軸垂直線圈平面穿過，則在線圈兩端感應出正比于被測電流對時間微分的感應電動勢。按照線圈截面形狀分：圓形截面Rogowski線圈、矩形截面Rogowski線圈。圓形截Rogowski線圈 矩形截面Rogowski線圈

13、2）優(yōu)點主要表現(xiàn)在：. 測量精度高：精度可設(shè)計到高于0.1%，一般為0.5%-1%. 測量范圍寬：沒有鐵心飽和，繞組可用來測量的電流范圍可從幾安培到幾千安培. 頻率范圍寬：一般可設(shè)計到0.1Hz到1MHz，特殊的可達200MHz的帶通. 可測量其它技術(shù)不能使用的受限制領(lǐng)域的小電流. 生產(chǎn)制造成本低3）制作Rogowski線圈的注意事項. 互感M足夠大，提供的信號超過可能存在的干擾電平，但同時線圈繞組輸出電壓不能過大，以免擊穿線圈匝間絕緣。. 為了達到高的精確度，骨架截面做成圓形。骨架的半徑不能太大。. 骨架精加工，截面積均勻，線匝均勻密繞并與磁通方向垂直。這樣制作的線圈為無定向結(jié)構(gòu)，在復雜外界

14、磁場下也能夠準確測量被測電流，且母線在線圈內(nèi)的相對位置變化時引起的誤差足夠小。. 線圈外加一層金屬屏蔽，以減少外加雜散磁場的影響。屏蔽層不可以形成回路，否則將沿屏蔽層形成環(huán)流，對一次側(cè)電流形成的磁場起抵消作用。. 考慮到長期運行、外界環(huán)境對溫度穩(wěn)定性的要求，選用熱膨脹系數(shù)盡可能小的材料制成骨架。. 選用的漆包線不能過細，以免繞制過程中發(fā)生斷線。. 骨架直徑尺寸大于10倍的線圈厚度。4）影響Rogowski線圈測量精度的因素. Rogowski線圈的電阻R，任何造成電阻R改變的因素都是傳感部分的誤差來源。選擇大的采樣電阻R，有助于減小它對測量的影響。. Rogowski線圈的互感M，它與它與線圈

15、的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，環(huán)境的擾動（如振動引起結(jié)構(gòu)松散或溫度引起的熱脹冷縮）將改變這一參數(shù)，引起誤差。在繞制Rogowski線圈時盡量使結(jié)構(gòu)堅固、緊密，從而增強線圈適應環(huán)境變化的能力。采取這些措施，線圈的測量精度可以達到0.1%。. 被還原的電流大小，還與電路電阻、電容、放大器基準電壓等有關(guān)，任意參數(shù)改變都產(chǎn)生誤差，參數(shù)的變化主要是由元件的溫度漂移引起的，所以應該選用溫度穩(wěn)定性好的元件，電阻采用精密電阻，電容采用云母電容。5）壓頻轉(zhuǎn)換式有源型電流互感器壓頻轉(zhuǎn)換式：采樣線圈將流過母線的電流轉(zhuǎn)化為電壓信號，通過壓頻轉(zhuǎn)換電路，即V/F轉(zhuǎn)換部分，經(jīng)過V/F轉(zhuǎn)換后電壓的變化將轉(zhuǎn)換為脈沖頻率的變化。電脈沖信號經(jīng)過

16、電光變換器件(E/O變換)后，變?yōu)楣庑盘?，?jīng)過光纖傳到低壓端，低壓端的光電轉(zhuǎn)換器件(O/E轉(zhuǎn)換)將光信號還原成電信號，再經(jīng)過頻壓轉(zhuǎn)換電路即那轉(zhuǎn)換部分后，通過信號處理單元最后進行顯示，其示意圖如下。壓頻轉(zhuǎn)換式電流互感器的示意圖壓頻轉(zhuǎn)換式電流互感器的主要優(yōu)點是 結(jié)構(gòu)簡單。 精確度和抗干擾性能比較高。 比較適合信號遠距離傳輸。 可以減少低壓端和高壓端之間連接光纖的數(shù)量。 集成化V/F,F/V轉(zhuǎn)換芯片ADVFC32，但正常工作功耗較大，使整個系統(tǒng)的起始工作的最小電力母線電流變大，減小了系統(tǒng)的測量范圍。6）A/D轉(zhuǎn)換式有源型電流互感器 A/D轉(zhuǎn)換式：整個系統(tǒng)分為高壓端和低壓端兩個部分。高低壓端之間采用光纖進行連接，高壓端包括采樣線圈、積分電路、高壓端供電電源、A/D轉(zhuǎn)換、時序電路和E/O轉(zhuǎn)換等模塊。低壓端包括O/E轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換和信號處理電路等模塊。高壓端