空心線圈電流互感器傳變特性的研究

空心線圈電流互感器傳變特性的研究

0空心線圈電流整體測(cè)量特性空心線圈的電流傳感器具有良好的測(cè)量線性度、頻率帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、磁飽和等特點(diǎn)，符合電氣系統(tǒng)繼電保護(hù)的應(yīng)用需求，受到了高度重視和期望。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)空心線圈電流互感器傳感頭、供電形式、電子電路、積分方式和合并單元的設(shè)計(jì)與性能改善進(jìn)行了深入的研究,有力地推動(dòng)了其實(shí)用化進(jìn)程。文獻(xiàn)探討了分布電容的計(jì)算方法、測(cè)量原理及其對(duì)傳感器時(shí)域和頻域動(dòng)態(tài)特性的影響。文獻(xiàn)通過(guò)理論分析和仿真指出積分時(shí)間常數(shù)是影響互感器對(duì)暫態(tài)電流直流分量響應(yīng)的主要因素。文獻(xiàn)研究了采用印制電路板(printedcircuitboard,PCB)結(jié)構(gòu)和T形積分器的互感器對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)電流的測(cè)量性能。文獻(xiàn)對(duì)PCB型互感器的頻率特性、穩(wěn)態(tài)特性及暫態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析與試驗(yàn)研究。這些研究從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度表明空心線圈電流互感器具有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量性能,沒(méi)有從應(yīng)用的角度指出其傳變特性存在的問(wèn)題。不同于電磁式電流互感器,由于存在非線性的磁特性,互感器在不同運(yùn)行工況尤其是故障電流下的輸出具有不確定性,傳變特性只能定性分析?？招木€圈電流互感器具有線性特性,可以應(yīng)用疊加原理進(jìn)行研究,傳變特性是可以定量分析的。電子式電流互感器的相應(yīng)測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)能體現(xiàn)出空心線圈電流互感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和傳變特點(diǎn)。目前除受限于空心線圈電流互感器穩(wěn)定性和可靠性因素影響外,對(duì)其傳變特性的研究和存在的問(wèn)題認(rèn)識(shí)不足,以及相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的籠統(tǒng)化,使得實(shí)際應(yīng)用中需要繼電保護(hù)系統(tǒng)適應(yīng)電子式互感器的特性,這嚴(yán)重影響了此項(xiàng)新技術(shù)的成熟和推廣。本文從面向繼電保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用角度,深入研究空心線圈電流互感器傳感頭和整體的頻帶特性和暫態(tài)響應(yīng),結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試和仿真結(jié)果,分析影響互感器傳變特性的關(guān)鍵因素,對(duì)空心線圈電流互感器主動(dòng)適應(yīng)繼電保護(hù)需求提出建議。1圖1:美國(guó)統(tǒng)一機(jī)制下的“兩網(wǎng)”本文所研究的空心線圈電流互感器結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。整體結(jié)構(gòu)根據(jù)功能劃分為Rogowski傳感頭單元、模擬信號(hào)處理單元、數(shù)字信號(hào)處理和傳輸單元、合并單元以及供電單元。2rogowski傳感頭動(dòng)態(tài)Rogowski傳感頭的等效電路如圖2所示。其中:i(t)為載流導(dǎo)體的被測(cè)電流;M為Rogowski線圈的互感;R0、L0和C0分別為線圈內(nèi)阻、自感和匝間電容;RL為負(fù)載電阻。Rogowski傳感頭由于不含鐵芯,互感系數(shù)M極小。用于電力系統(tǒng)保護(hù)的空心線圈電流互感器工作于外積分方式,負(fù)載電阻很大。當(dāng)被測(cè)電流頻率較低,且線圈內(nèi)阻和匝間電容很小可忽略時(shí)滿足傳感頭二次側(cè)接近于開(kāi)路狀態(tài)。此時(shí),輸出電壓與一次電流存在微分關(guān)系,即u1(t)≈e(t)=-M·di/dt。1影響傳感頭頻率特性因素的確定由等效電路可得Rogowski傳感頭傳遞函數(shù)為令無(wú)阻尼自振角頻率,阻尼比,則傳遞函數(shù)為其中特征根為。當(dāng)負(fù)載開(kāi)路時(shí),有。由于一次側(cè)流過(guò)工頻額定電流IN時(shí),Rogowski傳感頭感應(yīng)電勢(shì)為E=ωMIN,如額定一次電流為2000A時(shí),設(shè)定額定二次輸出為150mV。因此廠家在設(shè)計(jì)傳感頭參數(shù)時(shí),會(huì)根據(jù)所需互感M值大小確定線圈匝數(shù)N,而線圈自感為匝數(shù)與互感的乘積,即L0=M·N,那么影響傳感頭頻率特性的主要因素為線圈的內(nèi)阻和分布電容。根據(jù)樣機(jī)參數(shù),M=0.2387μH,L0=0.244mH,R0=119.8?,C0=220nF,RL=314.5k?,可得傳感頭傳遞函數(shù)的波特圖見(jiàn)圖3。該傳感頭特性在工頻下產(chǎn)生的相位差為0.48°,頻率為100Hz時(shí)的相位差為0.95°,頻率為1kHz時(shí)相位差為9.5°,隨著頻率增大傳感頭的相位差增大。在其他參數(shù)不變時(shí),分別單獨(dú)調(diào)節(jié)內(nèi)阻R0取120、60和10Ω時(shí),分布電容C0取220、22和2.2nF時(shí),傳感頭的波特圖如圖3(a)和(b)所示,可見(jiàn)內(nèi)阻和分布電容對(duì)Rogowski傳感頭頻帶的影響是不容忽視的。分布電容減小可以明顯增大上限截止頻率。改變電阻會(huì)改變阻尼比,使系統(tǒng)工作于欠阻尼或過(guò)阻尼狀態(tài),從而改變頻率特性。設(shè)計(jì)Rogowski傳感頭時(shí),應(yīng)在適當(dāng)選取線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)的前提下,選擇合適的導(dǎo)線線徑并盡可能減小分布電容,從而改善傳感頭的高頻特性。2衰減的非周期分量對(duì)傳感頭的影響故障暫態(tài)電流實(shí)質(zhì)上是含有幅值不等的衰減直流分量、基波分量和各次諧波分量。由于空心線圈電流互感器的測(cè)量線性度好,不存在飽和的問(wèn)題,因此空心線圈互感器的暫態(tài)響應(yīng)可以采用疊加原理進(jìn)行分析,分別研究互感器對(duì)暫態(tài)電流各分量的響應(yīng)。也就是說(shuō),空心線圈電流互感器的暫態(tài)特性分析可以在頻率特性分析的基礎(chǔ)上,側(cè)重研究衰減的非周期分量對(duì)互感器的影響。當(dāng)一次電流為以時(shí)間常數(shù)t衰減的非周期分量時(shí),有i(t)=Ime-t/τ,對(duì)應(yīng)的拉氏變換為I(s)=Im/(s+1/τ),此時(shí)傳感頭輸出為展開(kāi)成部分分式為其中,通過(guò)拉式反變換,得到傳感頭輸出的時(shí)域表達(dá)式為在欠阻尼ζ＜1時(shí),s1和s2是一對(duì)共軛復(fù)數(shù)根,前2項(xiàng)的衰減速度取決于特征根實(shí)部絕對(duì)值ζωn,在過(guò)阻尼ζ＞1時(shí),s1和s2是2個(gè)負(fù)實(shí)根,前2項(xiàng)的衰減速度取決于。由于傳感頭的分布電容很小,使得ωn一般在105以上,這樣不論阻尼大小,前2項(xiàng)均衰減非?？?對(duì)輸出電壓的影響可忽略不計(jì)。由于s1+s2=-2ζωn,s1·s2=ωn2。這樣只考慮與輸入的衰減直流分量相對(duì)應(yīng)的輸出電壓為由于L0C0和R0C0與τ相比均很小,上式近似為仿真表明在0.5ms之后,公式(7)的輸出與公式(5)完全一致。說(shuō)明單純的微分模型就可以表征傳感頭對(duì)衰減非周期分量的響應(yīng)。空心線圈電流互感器傳變非周期分量的誤差主要取決于后續(xù)的積分電路能否準(zhǔn)確地將微分信號(hào)還原為衰減直流。3rogowski信號(hào)模擬本文討論的互感器原型中積分環(huán)節(jié)由模擬電路實(shí)現(xiàn),互感器信號(hào)采集系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換及其后的環(huán)節(jié)只是信號(hào)傳遞形式或載體的變化,雖然也存在有不可避免的誤差,但并不改變信號(hào)的傳變特征。因此,這里只討論Rogowski傳感頭及模擬信號(hào)處理電路的模型和特性。為了更真實(shí)地反應(yīng)頻帶特性,不考慮信號(hào)處理電路中的低通濾波環(huán)節(jié)。1u3000電流一環(huán)合物設(shè)計(jì)空心線圈電流互感器的整體傳遞函數(shù)為式中H1(s)、H2(s)、H3(s)分別為傳感頭、積分放大和相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。H2(s)=K2/(1+RCs),H3(s)=(1-K3s)/(1+K3s)。其中RC=0.066,K2=19.56,K3=6.459×105。根據(jù)樣機(jī)參數(shù),得到互感器整體波特圖如圖4所示。由波特圖可以看出,該空心線圈電流互感器在10uf07e200Hz范圍內(nèi),比差和相差均比較小。高頻時(shí)相位偏移較大,在1kHz時(shí)相差達(dá)到53.5°,考慮傳感頭的相差有9.5°,信號(hào)處理電路造成44°的相差。2空心線圈電流同樣,設(shè)I(s)=Im/(s+1/τ),互感器輸出為整理后為其中由于s1和s2非常大,K3非常小,表達(dá)式(10)中的對(duì)應(yīng)3項(xiàng)衰減得很快,可以忽略不計(jì)。根據(jù)s1、s2和K3的特點(diǎn)進(jìn)行化簡(jiǎn)后,互感器輸出電壓為可見(jiàn),空心線圈電流互感器對(duì)衰減非周期分量的響應(yīng)主要與衰減時(shí)間常數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)有關(guān)。式(11)等同于傳感頭采用微分模型再考慮積分電路后的輸出結(jié)果。取RC=0.066,τ=80ms時(shí),互感器輸出的仿真結(jié)果見(jiàn)圖5。最大瞬時(shí)誤差隨著衰減時(shí)間常數(shù)增大而逐漸增大,見(jiàn)圖6。保持直流衰減時(shí)間常數(shù)為80ms不變時(shí),最大瞬時(shí)誤差電流與積分時(shí)間常數(shù)關(guān)系見(jiàn)圖7,當(dāng)RC在0.05uf07e0.1之間時(shí)誤差較小。綜合各種情況可以發(fā)現(xiàn),最大瞬時(shí)誤差至少在30%以上。同時(shí)對(duì)該電流互感器進(jìn)行了暫態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)一次電流施加“額定工頻電流+以時(shí)間常數(shù)τ衰減的直流分量”時(shí),在不同的τ值下,互感器傳變暫態(tài)電流的最大瞬時(shí)誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)和仿真分析均表明單純的RC積分電路很難滿足繼電保護(hù)對(duì)互感器暫態(tài)特性的要求,即暫態(tài)保護(hù)用電子式互感器的最大峰值瞬時(shí)誤差不超過(guò)10%。有必要通過(guò)改善積分環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)以提高空心線圈電流互感器傳變非周期分量的性能。本文還對(duì)一次電流突變時(shí)互感器的傳變跟隨特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)空心線圈電流互感器對(duì)于突然發(fā)生和突然截止的暫態(tài)電流傳變誤差小。模擬短路發(fā)生時(shí)一次電流突然增大,經(jīng)4個(gè)周期(80ms)后,一次短路電流切除。錄波結(jié)果如圖8所示。圖中的曲線從上到下分別為互感器輸出,互感器輸出的直流分量,一次信號(hào),一次信號(hào)中的直流分量,一次信號(hào)與互感器輸出的差流。可見(jiàn)由于電流突變時(shí)直流分量較小,基本不存在電流“拖尾”現(xiàn)象。4空心線圈電流整體及參數(shù)特性空心線圈電流互感器的不飽和特性為其在繼電保護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而取代電磁式電流互感器則不僅需要產(chǎn)品有非常好的成熟度和穩(wěn)定性,還需要空心線圈電流互感器在性能、標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)一步完善,主動(dòng)適應(yīng)繼電保護(hù)的需求。1)空心線圈電流互感器的頻率特性對(duì)暫態(tài)特性影響大。目前繼電保護(hù)用電子式互感器對(duì)諧波準(zhǔn)確度的要求仍然沿用常規(guī)電磁式電流互感器的標(biāo)準(zhǔn),即考慮5次以內(nèi)諧波傳變的準(zhǔn)確性。本文認(rèn)為空心線圈電流互感器對(duì)諧波準(zhǔn)確度的要求,不應(yīng)該局限于保護(hù)原理和算法需要運(yùn)用到的諧波次數(shù),而應(yīng)該從保證對(duì)故障電流的準(zhǔn)確傳變角度出發(fā),分析電力系統(tǒng)短路故障電流或變壓器勵(lì)磁涌流的諧波特征,從而確定空心線圈電流互感器必須達(dá)到的頻帶寬度。為此,在RTDS中進(jìn)行了變壓器空載合閘的仿真研究,產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流波形如圖9所示。對(duì)其進(jìn)行諧波分析結(jié)果表明其11次諧波的含有率達(dá)2.14%。由此說(shuō)明互感器的諧波準(zhǔn)確度至少應(yīng)考慮到10多次諧波以上。2)空心線圈電流互感器頻帶的下限截止頻率主要受限于積分單元特性參數(shù),上限截止頻率主要受限于傳感頭的自感和分布電容的諧振頻率,見(jiàn)圖4。目前廠家一般不測(cè)量Rogowski傳感頭的分布電容,建議采用諧振法測(cè)量分布電容,結(jié)合積分單元和電子電路相移特性,提供具體的空心線圈電流互感器頻寬特性參數(shù),可以為繼電保護(hù)應(yīng)用選型提供參考。3)空心線圈電流互感器暫態(tài)特性可以定量分析,頻帶足夠?qū)挼脑?暫態(tài)特性就體現(xiàn)為對(duì)衰減非周期分量的傳變能力,對(duì)Rogowski傳感頭微分信號(hào)進(jìn)行還原的積分環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)尤其關(guān)鍵。由于不存在電磁式電流互感器飽和引起的暫態(tài)特性不確定性和復(fù)雜性。本文認(rèn)為在現(xiàn)有的空心線圈電流互感器測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中可以量化互感器對(duì)衰減非周期分量的傳變特性,不需要簡(jiǎn)單套用衡量電磁式電流互感器暫態(tài)特性的“在準(zhǔn)確限值條件下最大峰值瞬時(shí)誤差不超過(guò)10%”的標(biāo)準(zhǔn)。建議采用直接施加衰減直流電流進(jìn)行暫態(tài)特性測(cè)試,綜合權(quán)衡繼電保護(hù)速動(dòng)性要求和可接受的測(cè)量誤差,限定瞬時(shí)誤差在故障發(fā)生后40ms內(nèi)不超過(guò)某一值(如5%)。4)空心線圈電流互感器在設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)廣泛采用冗余配置,如采集單元雙A/D設(shè)計(jì)、互感器和合并單元雙重化配置、2個(gè)獨(dú)立的同步源、2路電源備用等,雙重化配置是解決設(shè)備硬件或軟件失效的有效措施,實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)在于雙回路高度協(xié)調(diào)工作。對(duì)一臺(tái)合并單元裝置的外同步與內(nèi)同步方式切換進(jìn)行測(cè)試。設(shè)定合并單元外部同步信號(hào)消失,經(jīng)一段時(shí)間后再恢復(fù),互感器輸出錄波結(jié)果見(jiàn)圖10。發(fā)現(xiàn)當(dāng)合并單元同步方式切換時(shí),出現(xiàn)信號(hào)重新發(fā)送前一個(gè)周期的部分?jǐn)?shù)據(jù)而導(dǎo)致輸出發(fā)生畸變的問(wèn)題。可見(jiàn),互感器設(shè)計(jì)要保證雙回路的有效備用和無(wú)縫切換,否則可能引起保護(hù)動(dòng)作可靠性下降。當(dāng)然在繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,有必要從系統(tǒng)整體角度,分析各環(huán)節(jié)配置冗余到何種程度才是最合理的。5空心線圈電流整體補(bǔ)償電設(shè)計(jì)空心線圈電流互感器具有線性系統(tǒng)特點(diǎn),不會(huì)飽和且線性度好。傳感頭的內(nèi)阻和分布電容對(duì)其高頻特性有一定影響,互感器整體的高頻特性除受限于傳感頭