電磁式電流互感器的應用

電磁式電流互感器的應用

傳感器是電氣系統(tǒng)中最重要的保護和監(jiān)控設備之一。隨著電力系統(tǒng)向高電壓、大容量發(fā)展,傳統(tǒng)的基于電磁感應的原理制成的電磁式電流互感器暴露出越來越多的問題,主要問題有:含有鐵心,易飽和,對高頻信號響應性較差,對線路上的暫態(tài)信號不能響應;絕緣結構復雜,尺寸大,造價高,設備安裝檢修不方便;存在潛在危險,如果二次負載出現(xiàn)開路就會產生高電壓,危害設備和人身的安全,含油的互感器還有爆炸的危險;另外,隨著數(shù)字技術在電力系統(tǒng)中的廣泛應用,為了使傳統(tǒng)的互感器和數(shù)字設備接口,需要在兩者之間加上電流變換器。光電子和光纖通訊的發(fā)展,推動了新型光纖電流互感器(OCT)的研究與應用。和傳統(tǒng)的電流互感器相比,OCT有如下優(yōu)點:不含油,尺寸小,絕緣結構簡單,不會有安全隱患;不含鐵心,不會有磁飽和現(xiàn)象;測量帶寬和精度高;使用光纖傳輸信號,可以有效地防止電磁干擾;其輸出可以方便地與計算機接口。發(fā)達國家在60年代就開始了OCT的研究。到80年代末期和90年代初期已初具商品使用價值。ABB公司在這方面的研究取得了很大的進展。目前,ABB公司不僅有72.5～800kV的交流數(shù)字光電式OCT,而且有直流數(shù)字光電式OCT,并在多個地區(qū)掛網(wǎng)運行。在我國,清華大學和華中理工大學研制的光電式電流互感器也分別于1991年和1993年掛網(wǎng)運行。1混合式光電電流傳感技術光纖電流互感器主要分為以下2類:(1)全光式光電電流互感器(MOCT)。因為MOCT在高壓側不需要電源供電,所以也稱為無源型OCT。(2)混合式光電電流互感器(HOCT)。HOCT在高壓部分沒有光學元件,只是采用了有源電子線路,利用光纖的耐高壓特性,把光纖僅作為信號傳輸通道來研制光電式電流互感器。由于光纖的主要成分是二氧化硅(SiO2),它具有耐高壓等特性,將光纖用于信號的傳輸,使得電流互感器無論從重量上還是從體積上都有很大的改善。由于HOCT在高壓側是需要電源供電的,所以也稱為有源型OCT。2MOCT2.1abb公司的moctMOCT的工作原理為普遍采用的法拉第磁光效應。當一束線偏振光通過置于磁場中的磁光材料時,線偏振光的偏振面就會線性隨著平行于光線方向的磁場的大小發(fā)生旋轉。通過測量載流導體周圍線性偏振光偏振面的旋轉角度,就可間接地測量出導體中的電流值。如圖1所示,θ為線偏振光偏振面的旋轉角度,H為光路上的磁場強度,J、E為對應于各部分光的光強及其電矢量,磁光效應可表示為:θ=V∫Hdl(1)式中V——磁光材料的Verdet常數(shù);l——磁光材料中的通光路徑。對閉環(huán)式MOCT,因光路閉合,有:θ=V∮Hdl(2)由安培環(huán)路定律可得:θ=VI(3)式中I——載流導體中的電流。設起偏器的輸出光強為Ji,起偏器與檢偏器的夾角為φ,檢偏器的輸出光強為J0,由馬呂定律可得如下關系:J0=αJicos2(φ+θ)=αJi2[1+cos(2φ+2θ)]=αJi2[1+cos2φ]?αJi2sin(2φ)?2θ+ΔJ0(4)J0=αJicos2(φ+θ)=αJi2[1+cos(2φ+2θ)]=αJi2[1+cos2φ]-αJi2sin(2φ)?2θ+ΔJ0(4)式中α——光路中的光強衰減系數(shù);ΔJ0——2θ的高階項。設Jdc=αJi2[1+cos2φ]Jac=?αJi2sin(2φ)?2θJdc=αJi2[1+cos2φ]Jac=-αJi2sin(2φ)?2θ,其中Jac為交流分量,它包含了電流信息。為了消除光強大小的影響,將它除以直流分量Jdc得到:JacJdc=?tanφ?2θ(5)JacJdc=-tanφ?2θ(5)當φ=45°時,對應于(4)式對θ最靈敏,動態(tài)范圍最大。對于閉環(huán)式MOCT,由(3)式和(5)式有:I=?Jac2Jdc?Vtanφ(6)Ι=-Jac2Jdc?Vtanφ(6)(6)式右邊的Jac、Jdc可由光電轉換測定,其他為常數(shù)。因此,只要測定Jac、Jdc就可測出載流導體中的電流。圖2為ABB公司生產的MOCT的結構示意圖。整個系統(tǒng)由3部分組成:光發(fā)射部分、光路部分和光接收部分。其工作原理是:LED發(fā)出的光信號經過光纖傳送到高電位的光學傳感器中,在導體被測電流產生的磁場作用下,使線性偏振光的偏振平面發(fā)生偏轉,線性偏振光經過檢偏器轉換成含有偏轉角度信息的光強度信號,再經過光纖傳送到低電位的接收部分,通過光電轉換變?yōu)殡娦盘?再把這個電信號進行一定的處理,得到被測電流。2.2測量過程的影響雖然MOCT已經達到實用化的程度,但是要取代傳統(tǒng)的CT它還存在一些問題。主要問題有以下4個方面:(1)雙折射效應的影響。雙折射效應對MOCT的影響主要是使入射到磁光材料的線性偏振光變成橢圓偏振光,從而使檢偏器的輸出光強度變化不與被測電流成正比。這大大影響了MOCT的靈敏度和測量精度。目前,關于雙折射問題的研究很多,但都是針對某一種類型的MOCT。對于通用的MOCT,至今還沒有找到實用的解決方法,仍需繼續(xù)進行研究。(2)干擾問題。在測量的過程中,由于MOCT采用的是磁光效應的原理,因而它所測的導體就會受到導體周圍的磁場的影響而產生干擾問題,進而造成一定的測量誤差而影響測量結果。(3)溫度的影響。MOCT的重要部件是Farady晶體,而晶體的特性隨溫度的變化會有一些變化,從而給測量系統(tǒng)帶來一定的誤差。(4)振動問題。當測量的光學系統(tǒng)受到干擾時,就會產生振動。振動產生的主要原因有電路的開關動作、環(huán)境或人為干擾等。3HOCT3.1rogowski線圈測量原理HOCT是利用空心線圈或帶鐵芯的線圈采樣電流信號,然后通過光纖把采樣到的信號傳送到低壓側的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。由于帶鐵芯的線圈的固有缺點,所以現(xiàn)在通常采用空心Rogowski線圈作為電流采樣線圈。由于沒有鐵芯,不存在鐵磁飽和問題,測量范圍幾乎不受限制,這種傳感器可達到0.1%的測量精度。圖3為Rogowski線圈的結構示意圖,整個線圈均勻地繞在一個非磁性材料的骨架上,線圈的總匝數(shù)為N,線圈的橫截面積為A,被測電流從線圈中心穿過,由電磁感應在二次線圈中得到電壓信號。通過線圈的電流在線圈上感應的電動勢和導體中流過電流的變化率成正比,即:E=Hdidt(7)E=Ηdidt(7)式中,H=4π×10-7NA為線圈的靈敏度。如果線圈的輸出和一個積分器連接,則積分器的輸出就和所要測量的電流成正比。理論證明:只要線圈繞制均勻,則無論母線位于環(huán)形線圈內任何位置,互感系數(shù)始終是一個常數(shù),空心環(huán)形線圈的感應電動勢反映穿心母線電流大小。另外,Rogowski線圈是靠電磁感應原理來測量電流的,較強的外磁場將對其二次繞組和測量回路產生干擾,故需屏蔽Rogowski線圈,以減小測量誤差。圖4為一種采用Rogowski線圈作為傳感頭來取電流信號的HOCT的結構示意圖。其測量原理為:當被測電流i通過Rogowski線圈時,在線圈出線端感應出電勢e,e與初級電流i的變化率di/dt成比例。該信號經積分器得到一個與i成比例的電壓信號;接著在高壓端把這個信號通過發(fā)射電路把這個電壓信號變成頻率調制光脈沖信號。再把這個光脈沖信號通過光纖傳到低電位,在低電位端,經接收電路變換把光信號解調為電信號,對信號進行處理,還原成所測量的電流信號。3.2rogowski線圈設計HOCT的技術難點之一是傳感頭取信號繞組(即采樣繞組)的制作。采樣繞組可以用傳統(tǒng)的電流互感器,但用傳統(tǒng)互感器仍然存在磁飽和問題。由于傳感頭信號電源輸出容量很小,所以Rogowski線圈已能滿足要求。因此,如何設計低功率輸出、結構簡單、線性度良好的Rogowski線圈在這種互感器的研究和設計中就顯得尤為重要。另外,由于Rogowski線圈輸出的為電流信號,而后邊的電子電路處理的是電壓信號,所以在這種互感器中通常需要一個積分器把電流信號變換為電壓信號,因此如何選擇合適的積分器也是這種互感器設計時應該考慮的一個主要問題。HOCT高壓側的電子電路需要有電源供應才能夠正常運行,由于高壓側和低壓側沒有電磁聯(lián)系,因此如何解決高壓側的電源問題是HOCT的一個難點。目前解決電源問題的方法有以下幾種:(1)由母線上的電流產生的電磁感應產生(見圖4);(2)由低壓側將電能轉換成光能,然后通過光纖將能量傳輸?shù)礁邏簜?(3)在高壓側用電池解決電源問