电子式电流互感器设计

摘要:电流互感器是电力系统中测量电量、电能计量和继电保护的重要设备,其精度及可靠性与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关。文章针对目前电力工业对电子式电流互感器的要求,设计出了能可靠工作并且满足国家标准规定的有源光纤电流互感器。

关键词:电子式电流互感器;变电站;有源光纤

中图分类号:TM452文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)21-0026-02

目前,在电力系统中广泛应用的以微处理器为基础的数字保护装置、电网运行监视与控制系统以及发电机励磁控制装置等,不再需要用大功率来带动,而仅需±5V的电压信号和pA或mA级的电流就可以了。因此采用低功率、紧凑型电压和电流量测代替常规VT(voltage transformer)和CT(current transformer)将高电压、大电流变换为数字装置所要求的电压和电流水平,是电力系统技术创新面临的重要任务。这对降低电力系统建设和运行成本,提高电力系统可靠性具有重要意义。寻求更理想的新型电流互感器已势在必行,目前注意力已集中到光学传感技术,并且研制出了各种电子式电流互感器,其中,光电式电流互感器是运用比较广泛的一种。而光电式电流互感器包括有源光纤电流互感器和无源光学电流互感器。

一、电子式电流互感器的优点

与传统的电磁式电流互感器相比,电子式电流互感器具有以下突出优点:

1.数字化输出,简化了互感器与二次设备的接口,避免了信号在传输、储存和处理中的附加误差,提高了系统可靠性。

2.信号光纤传输,抗电磁干扰性能好,在强电磁环境中保证信号的精确性和可靠性。

3.无铁芯,不存在磁饱和、铁磁谐振现象,线性度好,绝缘简单,动态测量范围大、频带宽、精度高。而且体积小、重量轻、成本低,减小了变电站的面积。

4.低压没有开路危险,没有因存在绝缘油而产生的易燃、易爆等危险。

针对以上特点,在科技发达的国家都寻求把光电子学技术用于超高压、大电流的电网中,关于这方面的研究近几十年在世界各国也已经被高度重视起来,提出了很多新的理论和方法,有的研究已经进入了实用阶段。

二、电流互感器原理

目前在电子式电流互感器研究领域主要有三个研究方向:有源型;无源型;全光纤型。其中,后两种都属于无源光学电流互感器。

1.有源型。有源型又可以称为混合型,所谓有源光纤电流互感器乃是高压侧电流信号通过采样传感头将电信号传递给发光元件而变成光信号,再由光纤传递到低电压侧,进行光电转换变成电信号后输出。有源型光纤电流互感器的方框图如图1所示:

有源型光纤电流互感器结构简单,长期工作稳定性好,容易实现高精度、性能稳定的实用化工业产品,是目前国内研究的主流。但是高压侧电源的产生方法比较复杂或者成本比较高,还有待于进一步研究。

2.无源型。所谓无源型光学电流互感器乃是传感头部分不需要供电电源。传感头一般基于法拉第(Faraday)效应原理,即磁致光旋转效应。当一束线偏振光通过放置在磁场中的法拉第旋光材料后,若磁场方向与光的传播方向平行,则出射线偏振光的偏振平面将产生旋转,即电流信号产生的磁场信号对偏振光波进行调制。无源型光纤电流传感器系统如图2所示:

无源型结构是近年来比较盛行的,其优点是结构简单,且完全消除了传统的电磁感应元件,无磁饱和问题,充分发挥了光学互感器的特点,尤其是在高压侧不需要电源器件,使高压侧设计简单化,互感器运行寿命有保证。

其缺点是光学器件制造难度大,测量的高精度不容易达到。尤其是此种电流互感器受费尔德(Verdet)常数和线性双折射影响严重。而目前尚没有更好的方法能解决费尔德常数随温度变化而出现的非线性变化即系统的线性双折射问题,所以很难在工业中得到实际应用。

3.全光纤型。全光纤型电流互感器实际上也是无源型的,只是传感头即是光纤本身(而无源型光纤电流互感器的传感头一般是磁光晶体,不同于全光纤型的传感头是特殊绕制的光纤传感头),其余与无源型完全一样。其方框图如图3所示:

三、有源光纤电流互感器的装置实现

有源光纤电流互感器是集现代光纤学和电子学的发展和应用于一体,利用光纤良好的电气绝缘、远距离低衰减的传输特性、极高的带宽和长时间的工作寿命等特点来进行高压端和低压端之间的电气隔离和通信的电子设备。目前有源光纤电流互感器主要基于ADC和V/F两种模数转换类型。V/F型模数转换器是应用比较多的一种模数转换器件。随着微机保护算法的多样化,很多算法要求计算谐波分量,而V/F型模数转换器无法同时得到基波和各次谐波的精确采样值,此外提高V/F型模数转换器的采样率将降低其分辨率,因此V/F型模数转换器对高频分量的分辨率较低,实现高采样率高精度的模数转换难度较大。所以本文选择基于ADC的有源光纤电流互感器的设计方案。

基于ADC的有源光纤电流互感器形式很多,由于ADC采样时序控制困难,大多系统均采用高压端电路独立采样的方式,使得采集板的采样工作不能建立在低压端控制器的控制下以实现各相同时采样,这是一般有源光纤电流互感器设计的不足之处。

本文采用的有源光纤电流互感器为解决各相电流同时采样问题,采用低压端控制板利用光纤实现对高压端ADC采样时序控制方案,整个有源光纤电流互感器的电子线路部分实现以下基本功能:

1.低压端通过CPLD芯片控制高压端CPLD芯片从而控制高压端A/D转换芯片的工作,提供采样控制时序,保证各相电流同时被采样。

2.提供同步移位时钟,保证高、低端电路之间按照同步方式进行高速数据传送,一般异步方式传送速率较低。

3.高压端数据采集板的采样频率由低压端来控制,实现采用频率的可调,实现电流信号的自适应同步采样。

4.通过光纤实现高压端和低压端的连接和数据的传递。

5.低压端对采集的数据进行积分和滤波等处理,得到理想的数字和模拟信号。

6.实现互感器与合并单元的接口,从而把信号传递给保护和测量装置。

综合考虑以上因素,有源光纤电流互感器的电子线路包括三个部分:高压端数据采集板、光纤数字传输系统、低压端数据接收板,其结构简图如图4所示:

四、结语

电流互感器作为电力系统中测量和保护的基本设备,对整个电力系统的可靠性和精确性有至关重要的作用。随着电压等级和电流等级的不断提高,传统电磁式电流互感器基于其本身不可克服的缺点,已经越来越不适应现代电力工业的发展。集光学技术和电子技术于一体的电子式电流互感器越来越受到国内外电力行业研究者的重视,并研制成功了具有实用价值的产品,取得了挂网运行实际经验。本文在总结电子式电流互感器的基础上,开展了有源光纤电流互感器的研究,取得了较为满意的结果。

参考文献

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