-
-
手机阅读
基于低功率电流互感器的电子式电流互感器 |
| 一、引言 传统电磁式互感器以其固有的体积大、磁饱和、铁磁谐振、动态范围小和频带窄等缺点，已经难以满足新一代电力系统自动化、数字化等的发展需要。随着光纤技术和光电子学的发展，各种基于光学和光电子学原理的电子式电流互感器得到了迅猛的发展。Rogowski线圈以其不饱和性和易实现性，被广泛用于电子式电流互感器高压侧的传感单元中。但是，由于它在人工绕制和多层绕制过程中会引人额外误差，而且、线圈骨架材料的温度特性对线圈的输出也有很大的影响，因而影响了Rogowski线圈的工业实用化进程。 针对这种情况，本文采用低功率电流互感器（LPCT）作为高压侧传感单元。LPCT作为一种电磁式电流互感器，具有输出灵敏度高、技术成熟、性能稳定、易于大批量生产等特点；此外，由于其二次负荷较小，加上高导磁铁心材料的应用，可以实现对大动态范围电流的测量。 LPCT的输出电压信号由位于高压侧的信号处理电路转换为数字光脉冲信号，经由光纤传至低压端控制室，然后由低压侧信号处理电路将光信号还原为电信号，并提供测量和保护两个信号通道的输出接口。由于采用光纤作为高低压侧信号连接的通道，所以在很大程度上降低了对电流互感器绝缘结构的要求。 二、LPCT的测量原理 如前所述，LPCT实际上是一种具有低功率输出特性的电磁式电流互感器，在IEC标准中，它被列为电子式电流互感器的一种实现形式，代表着电磁式电流互感器的一个发展方向，具有广阔的应用前景。由于LPCT的输出一般是直接提供给电子电路，所以二次负载比较小；其铁心一般采用微晶合金等高导磁性材料，在较小的铁心截面（铁心尺寸）下，就能够满足测量准确度的要求。此外，LPCT二次回路要并接—阻值较小的电压取样电阻，该电阻是LPCT的一个组成部分，等效电路如图1所示。  如图1所示，LPCT的输出为与一次侧电流成正比的电压信号、表达式如下：  式中：Us为LPCT电压输出； Ip为一次侧电流； Rsh为采样电阻； Np为一次绕组匝数； NS为二次绕组匝数 本文设计的LPCT铁心材料为微晶合金，变比为6000：l。LPCT的取样电阻阻值为15Ω，温度系数小于5×10-6。额定一次电流为100A，在额定一次电流时，二次负荷约为4mW。 IEC标准中，对于测量通道，在5％～120％额定一次电流变化范围内的准确度有严格的要求；对于5P20保护通道，则在100％～2000％额定一次电流变化范围内的准确度有要求。所以LPCT在400倍的电流变化范围内必须保证较好的线性度。假设额定一次侧电流为100A，则一次电流变化范围为5A～2000 A，LPCT的二次输出电压变化范围为0.0125V～5V。 三、系统构成 电子式电流互感器的设计思路是在高压侧将从LPCT取得的模拟信号就地进行A/D转换，并将数字量转换为光信号；互感器本体提供标准的光通信接口，光信号通过该接口由光纤传至控制室的信号接收单元。在控制室由低压侧信号处理单元将该光信号还原为数字电信号，并按照继电保护和测量设备的要求，将信号进行分离，并提供保护通道和测量通道的输出接口。图2是电子式电流互感器系统的结构示意图。  系统中仅采用一个LPCT同时作为测量通道和保护通道的传感元件，因此，首先必须保证LPCT在很宽的一次电流变化范围内有很好的线性度；其次，由于LPCT的二次输出电压变化范围比较大，所以实现对全范围信号的准确测量有一定的难度，这对高压侧信号处理电路也提出了较高的要求。 图2中，高压侧信号处理电路主要由仪用放大器、4阶Bessel抗混叠滤波器、14位A/D转换器、复杂可编程逻辑器件（CPLD）和电光转换模块组成。其中CPLD负责A/D转换器所需控制信号的产生以及数字脉冲的编码。 当输人模拟信号较小时，由于量化误差的影响，A/D转换的误差将增大。在实际测量过程中，一般将A/D转换器的输入调整为其满量程值附近。本文中的高压侧信号处理电路中，共设置了3个模拟输入通道。其中：1个用于测量传感头处温度（通过安装于传感头侧的温度传感器提供模拟信号）；另外2个用于测量LPCT的输出信号，将其放大增益分别设置为1和10，其中1倍增益回路作为保护通道信号，10倍增益回路作为测量通道信号，这是因为在500～120％的额定一次电流范围内,LPCT的二次输出电压较小，将其放大10倍后再进行A/D转换，可以减小转换误差，提高测量准确度。 图2中，高、低压侧之间的信息传输由光纤来完成。光纤具有良好的绝缘性能，利用光纤作为高压端和低压端的信号传输媒质，具有绝缘简单、造价低、技术成熟等优点。光纤中传输的是光信号，必须在高压端增加电光转换模块以及在低压端增加光电转换模块。为了提高测量的可靠性，增强抗干扰能力，在进行电光转换之前，将 LPCT输出的模拟信号转换成数字信号。这样，光纤中传输的是数字光脉冲信号，能够进一步提高抗干扰能力。 光信号由光纤传输至低压端后，由信号处理电路将光信号还原为电信号，并按照继电保护和测量设备的要求，分离出测量通道信号和保护通道信号。低压侧信号处理电路主要由光电转换模块、FPGA和D/A转换器组成，低压侧信号处理电路主要完成对各路信号的分离、移相以及必要的增益调节。 电子式电流互感器中，为保证高压侧信号处理电路正常工作，需要一定的能量，本文采用一种激光供能的方式来实现。图3是一种采用激光供能方式的基于LPCT的电子式电流互感器实现方案。  四、试验 （一）试验方案 电子式电流互感器的测试方案如图4所示。图中,A为电流源，电流传感头由LPCT构成，高准确度电流互感器为0.1级，其二次输出信号作为标准信号与电子式电流互感器输出信号进行对比。本文采用一种基于虚拟仪器技术的互感器校验仪来完成对电子式电流互感器的校验。   互感器测试系统的输出结果和高准确度电流互感器的输出结果都将送人虚拟仪器进行处理，其中高准确电流互感器的输出结果被认为是标准值，而电子式电流互感器测试系统的输出结果则被认为是测量值，虚拟仪器通过比较两路信号的大小即可计算出电子式电流互感器测试系统的测量误差。 （二）准确度试验 当一次电流从额定电流（100 A）的500～12000变化（5A-120A）时，电子式电流互感器测量通道的比差和角差如图5所示。  从图5中可以看出，电子式电流互感器测量通道在5%～120％额定一次电流变化范围内比差、角差测量值满足0.2级电子式电流互感器准确度的要求。 此外，还对保护通道在20倍额定电流下进行了测试，测试结果如表1所示。  从表1可以看出，电子式电流互感器保护通道满足5P20级电子式电流互感器准确度的要求。 （三）温度特性试验 电子式电流互感器实际工作在-30℃～70℃温度范围内，所以，必须对电子式电流互感器做温度特性试验。因条件所限，本文采用等安匝法对额定一次电流下测量通道做了温度试验。将LPCT、高压侧信号处理电路和高压侧电源先后分别放置在烘箱和冰箱内，调节温度变化范围为70℃～20℃和-30℃～20℃。测量得到的系统比差和角差随温度变化曲线如图6所示。  从图6可以看出，电子式电流互感器在-30℃～70℃范围内，系统比差变化小于±0.1％，角差变化小于±2′，具有很好的温度特性。 四、结语 本文利用LPCT技术成熟、测量准确度高和易于实现的特点，研制了一套基于LPCT的电子式电流互感器。该电子式电流互感器具有以下特点： 1．传感头仅采用一个LPCT,用来实现电流互感器的测量和保护两个通道，进一步简化了电子式电流互感器的设计。 2．采用了成熟的电子技术、光纤传输技术，使得绝缘可靠简单。 3．整套系统测量的准确度高，测量范围宽，分别达到IEC对0.2级和5P20级电子式电流互感器的要求。 4．温度试验表明，在—30℃～70℃范围内系统的比差变化小于±0.1％，角差变化小于±2′，验证了装置具有较强的实用性。 |