有源電子式電流互感器的設(shè)計

有源電子式電流互感器的設(shè)計

0電子式電流整體傳感關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)在，電氣系統(tǒng)中使用的電磁感應電流傳感器（ct）用于測量電流，已有100多年的歷史。但是,隨著電力系統(tǒng)電壓等級的不斷升高,傳輸?shù)碾娏θ萘吭絹碓酱?傳統(tǒng)的CT因其傳感機理呈現(xiàn)出自身不可克服的問題。更重要的是,目前用于變電站的監(jiān)視、控制、保護包括故障錄波、安全控制裝置等,雖然已實現(xiàn)了微機數(shù)字化,但由于提供一次部分信息的互感器輸出為大電流(1A或5A),不能提供與數(shù)字系統(tǒng)相匹配的數(shù)字信號輸出,使得站內(nèi)二次聯(lián)線復雜,微機裝置固有的高可靠性被錯綜復雜的二次聯(lián)線所抵消。而電子式互感器能夠直接提供數(shù)字信號給計量、保護裝置,簡化二次設(shè)備,提高整個系統(tǒng)的準確度和可靠性。這一技術(shù)上的創(chuàng)新將有助于二次設(shè)備的系統(tǒng)集成,加速整個變電站的數(shù)字化和信息化進程,并引發(fā)電力系統(tǒng)自動化裝置和保護方式的重大變革。根據(jù)IEC60044-8,從測量原理分類,電子式電流互感器包含了光學電流互感器、空芯電流互感器(又稱為Rogowski線圈)及低功率型電流互感器3種。從應用的電壓等級分類,可分成中壓(10~35kV)、高壓(110kV及以上)、超高壓(500kV及以上)等?，F(xiàn)階段實用化的高壓電子式電流互感器,又稱為有源電子式電流互感器,主要是以空芯線圈為保護通道傳感單元,低功率鐵芯線圈為測量通道傳感單元。高壓側(cè)的供能方法一般采取復合供能的方式:一次被測電流較大時,采用高壓側(cè)輔助CT給高壓側(cè)的調(diào)制電路供電,一次電流較小時,CT供能切換成激光供能,即低壓側(cè)的半導體激光器通過供能光纖給高壓側(cè)的調(diào)制電路供電。調(diào)制電路將高壓側(cè)的含有被測電流信息的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,并將測量和保護通道的信號復合成一路后,驅(qū)動發(fā)光二極管,通過信號傳輸光纖以光脈沖的形式傳輸至低壓側(cè)的合并單元。主要介紹有源電子式電流互感器涉及到的關(guān)鍵技術(shù):空芯線圈、暫態(tài)特性、高壓側(cè)供能及可靠性設(shè)計等。1空芯電流傳感頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計和傳統(tǒng)互感器的繞制方法不同,為了獲得高測量準確度,空芯線圈繞制時必須遵循以下原則:二次繞組在一定大小的截面均勻的非鐵磁材料骨架上均勻分布;每一匝繞組的形狀完全相同;每一匝繞組所在平面垂直于線圈包絡(luò)線在該點的切線方向。否則將引入較大的測量誤差。實際制作時,由于是半手工繞制,往往不能完全滿足上述要求,使得空芯電流互感器批量生產(chǎn)時的性能分散性較大,一般空芯線圈的設(shè)計精度最高可達到0.1%,實際應用時通常為1%~3%。且容易受到溫度的影響而產(chǎn)生漂移。由于IEC標準中對傳感單元在額定電流時的二次輸出是有明確數(shù)值要求的,所有輸出偏離值都被計入測量誤差,為了解決空芯電流互感器實際生產(chǎn)時的分散性,以至于在IEC60044-8中不得不特別允許采用一個標記為Ra的電阻來調(diào)整二次輸出的大小。生產(chǎn)工藝是阻礙空芯電流互感器產(chǎn)業(yè)化的一個關(guān)鍵問題,必須探索新的空芯線圈傳感頭結(jié)構(gòu),從原理上發(fā)掘解決這一問題的根本方法。研究人員通過采用印刷電路板技術(shù)設(shè)計了多種空芯線圈的新結(jié)構(gòu),見圖1和圖2。該新結(jié)構(gòu)大大提高了測量準確度,已報道的最高準確度可以達到0.2S級,使得空芯線圈可以用于計量,同時測量的穩(wěn)定性也大為提高。2暫態(tài)誤差的影響在電壓等級高(220kV以上)的電網(wǎng)中,由于系統(tǒng)容量大,一次回路時間常數(shù)T1較大(如60~100mS),短路電流暫態(tài)過程較長,如4~5T1,繼電保護裝置啟動將發(fā)生在短路電流的暫態(tài)過程中,為了保證保護裝置的正確動作,要求互感器以較小的失真將一次故障電流變換為二次暫態(tài)輸出信號,互感器在規(guī)定的時間內(nèi)的暫態(tài)誤差不能超過規(guī)定限值?；诳招揪€圈的電子式電流互感器的暫態(tài)特性一直是該類互感器最突出的優(yōu)點。但是,由空芯線圈的傳感原理決定,必須采用積分器還原被測電流信號,而積分器的時間常數(shù)有限,以至于系統(tǒng)短路存在非周期分量的時候,其暫態(tài)誤差特性取決于測量的下限頻率,而不是上限頻率。下限頻率越低,則跟蹤得越好,誤差越小。例如,如果系統(tǒng)短路時的非周期分量在0.5s內(nèi)能衰減完畢,設(shè)計的電流互感器的下限頻率必須到2Hz甚至更低,才能更好地跟蹤衰減周期長達0.5s的非周期分量,暫態(tài)誤差特性將得到保證。所以,測量的下限頻率越低,暫態(tài)特性越好。但分閘后,一次電流為零時,暫態(tài)特性越好的空芯電流互感器,其積分器輸出信號衰減得越慢,如果輸出沒有完全到零時系統(tǒng)重合閘,則不可避免地帶來測量誤差。因此積分器性能的綜合設(shè)計和優(yōu)化是直接關(guān)系到空芯電流互感器暫態(tài)特性的關(guān)鍵技術(shù)。西安高壓電器研究所可以進行互感器暫態(tài)特性的實驗。3概述光譜圖像半導體激光器最初在高壓下,空芯電流互感器采用懸浮式電源變換器的供電方式(簡稱小CT方式)從一次導線上取能量。一般情況下,對一次側(cè)的電子電路單元能提供足夠的電能。但當一次電流很小,如低至額定電流的5%甚至1%以下時,電源變換器則不足以維持正常的激勵狀態(tài),無法供出能量,存在著小電流供電死區(qū),可能使電子式互感器無法正常工作。后來發(fā)展為采用低壓側(cè)的半導體激光器通過供能光纖給高壓側(cè)的調(diào)制電路供電,但存在的關(guān)鍵問題是高壓側(cè)工作的電路功耗過大,60mW左右。當然功耗可能進一步降低,但功耗的降低意味著互感器的性能將會隨之降低,在功耗和性能之間必須尋求一個最佳的平衡點。一般光電轉(zhuǎn)換的效率較高時為30%,這就要求光源(半導體激光器)的出纖功率至少達到180mW以上,而出纖功率在這種數(shù)量級的光源,一般壽命較短,遠遠不能滿足電力系統(tǒng)對互感器的壽命要求(30年),同時其成本非常昂貴,這是阻礙電子式電流互感器產(chǎn)業(yè)化的另外一個關(guān)鍵因素。所以,目前高壓側(cè)的供能方法一般是采取復合供能的方式:一次電流較大時,采用CT供電方式;一次電流較小時,采用激光供能方式。這種方法可以盡量降低大功率激光器工作的時間,延長其壽命。但是,也存在兩個問題:①線路檢修后合閘時,CT供能需要有一個較長的建立時間,此時只能依靠激光供能,但如果此時激光器失效,將直接導致互感器不能正常工作,所以,一般要求采用兩個激光器:一用一備,但這進一步加大了成本。②CT和激光器的切換控制,必須有一個合理的控制策略,不能出現(xiàn)供能的“真空”,即一個切換了,另外一個還沒有開始供能,所以需要實現(xiàn)兩種方式切換的預判。并且,CT供能方式還需要考慮系統(tǒng)短路時,一次短路電流的沖擊可能造成CT的損壞。這些因素的存在將直接導致供能系統(tǒng)比較復雜,可靠性降低。4器技術(shù)難度分析如前所述,電子式互感器具有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)互感器的諸多特點,但由于電子式互感器包含了傳感技術(shù)、電子技術(shù)、高電壓技術(shù)、光電子技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多學科交叉領(lǐng)域的知識體系,其整體技術(shù)難度較大。電子式互感器最終能否全面替代傳統(tǒng)互感器,取決于其長期運行的可靠性。電子式互感器可靠性設(shè)計包含以下主要內(nèi)容。4.3次短路時大電流沖擊采用CT供電或CT復合型供電的電子式互感器,需要采取保護措施,使得一次短路時的大電流沖擊不會對供能CT構(gòu)成損壞。同時,還必須考慮一次短路電流對低功率鐵芯線圈后續(xù)取樣電路的沖擊及較大的di/dt對空芯線圈后續(xù)保護通道電子電路的沖擊。4.4激光在運行維護中的影響由于采用了大功率激光器供能,必須采取保護措施,以防大功率激光在運行維護中可能對運行維護人員造成的傷害。推薦的方法:在大功率激光器正常工作時,一旦檢測到電源模塊掉電,立刻停止激光器的工作,以防供能光纖回路出現(xiàn)問題危及人員安全。5設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究電子式互感器是目前被廣泛關(guān)注的新型電力設(shè)備,而其中關(guān)鍵技術(shù)