電子式互感器

第七節(jié)電子式互感器5-7-15-7-1132kV線路上的電子式組合互感器電磁式互感器隨著電壓的增高，絕緣越來越困難，不僅導致互感器的體積笨重，而且價格昂貴。因此二十世紀六十年月以來，工業(yè)興旺國家如日本、西德、瑞士已開頭爭論一代的互感器。到二十世紀八十年月初，這種名為電子式互感器的產(chǎn)品正式投放市場，并在電力系統(tǒng)中試運行。實際使用說明，電子式互感器在電力系統(tǒng)中可以取代現(xiàn)有的電磁式電流、電壓互感器和電容式電壓互感器。國際電工委員會〔IEC〕在有關國家的1993發(fā)給各成員國爭論。1994年，這兩個標準的文本提交各成員國2023IEC44-8《電子式電流互感器》正式公布，成為全球性的工業(yè)標準。以這樣快的速度通過一項標準，說明工業(yè)興旺國家對這項技術的期望。我國是進展中國家，還沒有完成工業(yè)化，因此更有理由和條件走捷徑，繞過工業(yè)興旺國家走過的進展道路，盡快地實現(xiàn)國際接軌?？梢灶A計，在今后十年時間，電子式互感器的市場會有一個大進展。與電磁式互感器不同，電子式互感器承受電磁傳感器采集高壓側電流、電壓信號，通過光纖或無線電發(fā)送到地面。因此具有良好的絕緣性能，不爆不燃，體積小，本錢低，節(jié)約大量金屬和絕緣材料。它的二次輸出可以是模擬量，也可以是數(shù)字量，但均能直接與微機連通。因此電子式互感器必定與電力系統(tǒng)自動化的微計算機掌握相輔相成，共同進展。電子式互感器與電磁式互感器技術標準中，主要區(qū)分在二次輸出的形式上。用模擬量輸出時，電子式電流互感器輸出電壓量，標準值為：22.5mV、40mV、100mV、150m225m1(4V1.625、2V3.25V4V6.5V；中性有效接地系統(tǒng)標準值為：1.625V/√32V/√33.25V/√34V/√36.5V/√3。用數(shù)字量輸出時，每周期按指定取樣數(shù)取樣，例如80、48、20。測量通道取樣值額定輸出為2D41〔等于十進制數(shù)1158，保護通道取樣值額定輸出為01CF〔等于十進制數(shù)46。中以數(shù)字電路固有的時鐘周期為固有偏移量。光學電流傳感器的原理光學電流互感器是利用法拉第磁光效應工作的，當線偏振光在與其傳播方向平行的外界磁場作用下通過光介質時，其偏振面要發(fā)生旋轉。旋轉角Φ正比于外界磁場H沿著偏振光通過材料內(nèi)路徑的線積分，即V d

dL

〔5-7-1〕式中：Φ—線偏振光偏振面旋轉角；Vd—Verdet常數(shù)；H—電流所產(chǎn)生的磁場強度；L—光在材料中通過的路徑。為了便利地求出〔12-7-1〕式所描述的線積分，實現(xiàn)真正意義上的電流測量，并防止其它電流磁場的干擾，將傳感頭設計成能讓光束圍繞電流形成封閉的環(huán)路，依據(jù)安培環(huán)路定理可得：V d

d=V i 5-7-〕dLd因而測出角Φ便可求出電流值i。5-7-2所示。用恒流源驅動一只LED發(fā)光二極管〔波長典型值為850n，供給一個恒定的光源，光通過光纜中的一根光纖從掌握室傳輸?shù)浆F(xiàn)場高壓區(qū)，經(jīng)過自聚焦透鏡準直后成為平行光束，再經(jīng)過起偏器變?yōu)榫€偏振光入射進傳感頭，光在傳感頭內(nèi)繞導體一圈或多圈，在電流磁場作用下，光的偏振面到達掌握室的光經(jīng)光電探測器轉換成電信號進展濾波、放大，并利用DSP進展數(shù)據(jù)處理，然后將數(shù)據(jù)傳給PC機顯示，可進展查詢及數(shù)據(jù)庫治理。圖5-7-2 OMU光學傳感器原理圖圖中：1—LED光源驅動電路；2—光源LED；3—傳輸光纖；4—準直透鏡；5—偏振棱鏡；6—光學傳感頭；7—電流母線；8—偏振棱鏡；9—耦合透鏡；10—光電探測器PIN；11—信號處理單元為獵取最大的磁光調制幅度，調整起偏器、檢偏器的透光軸，使兩者的夾角為45?，依據(jù)馬呂斯定律，被旋轉角Φ調制后的輸出光強度為：1II0

cos2(45)

I(1sin2) 〔5-7-3〕2 0I0

為光源輸出的恒定初始光強。Φ很小時，sin2Φ≈2Φ,則上式成為：I 1I0 2

2 0

i)

2VA2 0 d

sint) 〔5-7-4〕ω式中A為待測電流有效值，為待測電流的角頻率。利用電子線路進展溝通與直流信號分別ωo可得：I IVAC 0 d

2Asint (5-7-5)0I 1IDC 2 0為了消退光功率波動的影響，用I /A

可得最終輸出：

(5-7-6)AC DCV=KAsinωt (5-7-7)0式中K為比例系數(shù)，經(jīng)過定標后即可得到被測電流的大小。光學電流傳感器的誤差主要受起偏器與檢測器透光夾角的精度，環(huán)境溫度，光功率波動影響。45°，假設有一個微小的偏角Δθ，則檢偏器輸出為：I[1sin(22)]II0

cos2(45 )0 2

〔5-7-8〕可以用直流對溝通進展調制，然后用溝通除以直流的方法消退溫度和光功率波動的影響。因為測量結果只是它們的相對強度，而直流量可以準確測量，這樣可以很大程度上消退系統(tǒng)溫度漂移和光功率波動對測量系統(tǒng)的影響。假設在信號處理中承受溝通除以直流的方法則由帶來的系統(tǒng)誤差為2 這個系統(tǒng)12誤差可以在定標時校正，它對測量結果的影響可以消退。光學電流互感器組成OCT光學電流互感器由傳感頭、光路局部、檢測系統(tǒng)、光源和絕緣套管等五局部組成。1〕光學電流傳感頭OC〔圖5-7-〕承受特別的磁光材料經(jīng)光學加工成特定的構造而構OCS具有法拉第效應的材料包括抗磁性材料、順磁材料及鐵磁性材料三種。目前使用的抗磁性材料多為光學玻璃，如單模光纖和火石玻璃。用單模光纖做成的光學傳感器構造簡潔，但使用中覺察長期穩(wěn)定性差，因此有用的傳感器多改用火石玻璃制

5-7-3光學電流傳感頭為此在光學玻璃傳感頭需要設計假設干個全反射面。由于全反射面的存在，兩個正交重量之間會產(chǎn)生相位差，使線偏振光變?yōu)闄E圓偏振光，降低了測量的靈敏度。要解決此問題，可以用正交雙全反射原理，讓光經(jīng)過兩次全反射，但兩次相移相反，到達相互抵消效果。光路OCS的光路由光纜、準直透鏡、起偏器、磁光玻璃、檢偏器、耦合透鏡組成。固定在絕緣套管頂部。傳輸光纜則裝入絕緣套管內(nèi)，從高壓側引向地面。假設使用單模光纖為電流傳感器，則準直透鏡、起偏器、檢偏器、耦合透鏡都裝在掌握室。檢測系統(tǒng)DSP數(shù)字信號處理器及PC機組成。PC機用于顯示和把測取結果存入數(shù)據(jù)庫，并把數(shù)據(jù)供給應繼電保護裝置，電能計量裝置和故障錄波屏使用。光源光源可使用發(fā)光二極管。其波長依據(jù)所用光學玻璃材料特定的磁光效應頻率確定，例如850nm。發(fā)光二極管與光纖的耦合可使用光纖活動連接器。有用結果說明這種連接的重復性和穩(wěn)定性都可以滿足要求。絕緣套管由于高壓套管內(nèi)部只穿過光纜，因此直徑不需要很大，可以承受微正壓SF6

套管。從強度考慮，承受復合絕緣套管是一個很好的選擇，它比瓷套管輕，而且不會破成碎片。光學電壓傳感器的原理PockelsPockels效應一般在非中心對稱的晶體中消滅，通常選用軸單晶作為應用材料。其中BGO晶體〔Bi4Ge3O12〕是較為抱負的磁光效應敏感材料。在外加電場作用下，BGO晶體由各向同性變成各向異性的雙折射晶體，當線偏振光投射到BGO的端面，入射光束變成初相角一樣，電位移矢量相互垂直的兩束光。由于它們在晶體中的傳播速度不同，出射光束有相位差。用檢偏器將相互垂直的兩束出射光變成偏振一樣的相干光，就會產(chǎn)生光的干預現(xiàn)象，相位調制光就轉為振幅調制光，相位差的測量變?yōu)楣鈴姸葴y量。最終得的信號強度與被測電壓成比例。乘上變換系數(shù)就得到被測量的電壓。依據(jù)電光張量的矩陣分析，當光傳播方向與電場方向垂直時，光通過長度為L的晶體，出射的2橢圓偏振光兩重量間產(chǎn)生的最大相位差為：

n3r

EL，其中為光波波長，L為通光長度，n為晶體折射率，r14

為電光張量重量。使光調制相位差到達 的場強，稱為半波場強E ，E 2n3r L41

，于是有EE

。由此可知電場引起的相位差分別與電場及光程成正比，與晶體厚度無關。轉變L值就可以轉變電光調制的靈敏度。假設加在晶體上的電場由電壓U=Ed 產(chǎn)生，d 為晶體在電場方向上的厚度，則

2n3r

UL

U d，U為半波電壓，U 。只要得到相移的大小，就可以確d 41 U

2n3r L41定被測電場E或電壓U的大小。光學電壓傳感器的構造光學電壓傳感頭〔OVS〕5-7-4所示。從掌握室光源發(fā)出的光經(jīng)多模光纖傳送到傳感頭，由準直透鏡將光準直到起偏器變?yōu)槠窆?，再?jīng)晶體與起偏器之間的一塊/4片變成圓偏振光，進入晶

5-7-4光學電壓傳感頭構造圖中：1—輸入光纖；2—準直透鏡；3—起偏器；4體，在晶體線性磁光效應最大的110方向傳播。當 聚有電場施加在晶體上時，光線發(fā)生雙折射，入射的圓偏振光變?yōu)闄E圓偏振光，再經(jīng)檢偏器檢偏，變?yōu)?/p>

焦透鏡；8—輸出光纖光強度受電場調制的線偏振光，輸出光強隨交變的電場變化，最終經(jīng)自聚焦透鏡耦合到輸出光纖，返回到掌握室。由于Pockels晶體加工處理〔如切割和研磨〕時，難免會程度的旋轉，造成光強檢測的附加誤差。高壓電場變換系統(tǒng)電壓傳感器整體用膠體澆注在一個上蓋板為平板金屬電極，下蓋板為平面絕緣板的圓柱體內(nèi)，如圖5-7-6所示。電壓平面上，產(chǎn)生的平板電極效應保證了電場的均勻性和穩(wěn)定性。壓之間有很好的線性度。高壓電場變換系統(tǒng)本身不需要計算電壓/電場變換系數(shù)。它的系統(tǒng)誤差是不變量，可以用試驗方法測量得到并校正。光源與檢測系統(tǒng)OVS電壓傳感器的光源與檢測系統(tǒng)和OCS電流傳感器

5-7-5500k組合式互感器及帶通濾波器、溝通放大器、DSP數(shù)字信號處理器及PC機組成。在實際的互感器產(chǎn)品中，測得的電壓信號也以數(shù)字方式傳送給繼電保護、電能計量和故障錄波裝置。5-7-6高壓電場變換系統(tǒng)圖5-7-5展現(xiàn)了一臺用光學傳感器制造的額定電5-7-6高壓電場變換系統(tǒng)電磁式電流傳感器和通訊都在光路中實現(xiàn)，因此構造相當簡潔。但是光傳輸系數(shù)就會消滅漂移。對于用作繼電保護的互感器，光學傳感器的漂移是可以承受的。但對于電能計量來說，傳輸系數(shù)的漂移意味著互感器誤差的變化，太大的誤差是不能容許的。為了抑制學學傳感器穩(wěn)定性差的缺點，有用的電子式電流互感器承受了電磁式電流傳感器。電磁式電流互感器的變比穩(wěn)定10-5/K0.05%水平。電流傳感器安裝在互感器的頂部，它實際上就是一臺低壓電流互感器。二次輸出按電子式電流互感器技術標準，接入標準電阻后以電壓量輸出。傳感器輸出的電壓信號通過安裝在互感器端頭的模/數(shù)電子變換電路轉換為數(shù)字量，經(jīng)電子線路處理轉換為光信號或無線電信號，通過光纖或空氣5-7-7的電子式組合互感器中的電流互感器就是這種構造。電容式電壓傳感器光學電壓傳感器的優(yōu)點也是不需要電源驅動，但由于光1000pF量級。用壓縮氣體電容器做成的高壓臂，100pF纖傳輸。1000pF分壓電容器的技術是成熟的。這種構造的電容器已經(jīng)在電容式電壓互感器上得到應用并經(jīng)過長期考電子式電壓互感器。SF6

5-7-8所示，

圖5-7-7一種用電磁式和電容式傳感器制造的數(shù)字