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量特性空心線圈的電流傳感器具有良好的測量線性度、頻率帶寬、動態(tài)范圍大、磁飽和等特點，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。國內(nèi)外學(xué)者針對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)計與性能改善進(jìn)行了深入的研究,有力地推動了其實用化進(jìn)程。文獻(xiàn)探討了分布電容的計算方法、測量原理及其對傳感器時域和頻域動態(tài)特性的影響。文獻(xiàn)通過理論分析和仿真指出積分時間常數(shù)是影響互感器對暫態(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電力系統(tǒng)暫態(tài)電流的測量性能。文獻(xiàn)對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研究。這些研究從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度表明空心線圈電流互感器具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)測量性能,沒有從應(yīng)用的角度指出其傳變特性存在的問題。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)測試評價標(biāo)準(zhǔn)沒能體現(xiàn)出空心線圈電流互感器的結(jié)構(gòu)特點和傳變特點。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,對其傳變特性的研究和存在的問題認(rèn)識不足,以及相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)的籠統(tǒng)化,使得實際應(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)合試驗測試和仿真結(jié)果,分析影響互感器傳變特性的關(guān)鍵因素,對空心線圈電流互感器主動適應(yīng)繼電保護(hù)需求提出建議。1圖1:美國統(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、模擬信號處理單元、數(shù)字信號處理和傳輸單元、合并單元以及供電單元。2rogowski傳感頭動態(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)被測電流頻率較低,且線圈內(nèi)阻和匝間電容很小可忽略時滿足傳感頭二次側(cè)接近于開路狀態(tài)。此時,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)載開路時,有。由于一次側(cè)流過工頻額定電流IN時,Rogowski傳感頭感應(yīng)電勢為E=ωMIN,如額定一次電流為2000A時,設(shè)定額定二次輸出為150mV。因此廠家在設(shè)計傳感頭參數(shù)時,會根據(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時的相位差為0.95°,頻率為1kHz時相位差為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,分別單獨(dú)調(diào)節(jié)內(nèi)阻R0取120、60和10Ω時,分布電容C0取220、22和2.2nF時,傳感頭的波特圖如圖3(a)和(b)所示,可見內(nèi)阻和分布電容對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。改變電阻會改變阻尼比,使系統(tǒng)工作于欠阻尼或過阻尼狀態(tài),從而改變頻率特性。設(shè)計Rogowski傳感頭時,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傳感頭的影響故障暫態(tài)電流實質(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量線性度好,不存在飽和的問題,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,分別研究互感器對暫態(tài)電流各分量的響應(yīng)。也就是說,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互感器的影響。當(dāng)一次電流為以時間常數(shù)t衰減的非周期分量時,有i(t)=Ime-t/τ,對應(yīng)的拉氏變換為I(s)=Im/(s+1/τ),此時傳感頭輸出為展開成部分分式為其中,通過拉式反變換,得到傳感頭輸出的時域表達(dá)式為在欠阻尼ζ＜1時,s1和s2是一對共軛復(fù)數(shù)根,前2項的衰減速度取決于特征根實部絕對值ζωn,在過阻尼ζ＞1時,s1和s2是2個負(fù)實根,前2項的衰減速度取決于。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項均衰減非常快,對輸出電壓的影響可忽略不計。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。說明單純的微分模型就可以表征傳感頭對衰減非周期分量的響應(yīng)?？招木€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)確地將微分信號還原為衰減直流。3rogowski信號模擬本文討論的互感器原型中積分環(huán)節(jié)由模擬電路實現(xiàn),互感器信號采集系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換及其后的環(huán)節(jié)只是信號傳遞形式或載體的變化,雖然也存在有不可避免的誤差,但并不改變信號的傳變特征。因此,這里只討論Rogowski傳感頭及模擬信號處理電路的模型和特性。為了更真實地反應(yīng)頻帶特性,不考慮信號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。高頻時相位偏移較大,在1kHz時相差達(dá)到53.5°,考慮傳感頭的相差有9.5°,信號處理電路造成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)中的對應(yīng)3項衰減得很快,可以忽略不計。根據(jù)s1、s2和K3的特點進(jìn)行化簡后,互感器輸出電壓為可見,空心線圈電流互感器對衰減非周期分量的響應(yīng)主要與衰減時間常數(shù)和積分時間常數(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,互感器輸出的仿真結(jié)果見圖5。最大瞬時誤差隨著衰減時間常數(shù)增大而逐漸增大,見圖6。保持直流衰減時間常數(shù)為80ms不變時,最大瞬時誤差電流與積分時間常數(shù)關(guān)系見圖7,當(dāng)RC在0.05uf07e0.1之間時誤差較小。綜合各種情況可以發(fā)現(xiàn),最大瞬時誤差至少在30%以上。同時對該電流互感器進(jìn)行了暫態(tài)特性實驗研究。當(dāng)一次電流施加“額定工頻電流+以時間常數(shù)τ衰減的直流分量”時,在不同的τ值下,互感器傳變暫態(tài)電流的最大瞬時誤差實驗結(jié)果見表1。實驗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誤差不超過10%。有必要通過改善積分環(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。本文還對一次電流突變時互感器的傳變跟隨特性進(jìn)行了實驗研究,發(fā)現(xiàn)空心線圈電流互感器對于突然發(fā)生和突然截止的暫態(tài)電流傳變誤差小。模擬短路發(fā)生時一次電流突然增大,經(jīng)4個周期(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,一次信號中的直流分量,一次信號與互感器輸出的差流?？梢娪捎陔娏魍蛔儠r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)用提供了堅實的基礎(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暫態(tài)特性影響大。目前繼電保護(hù)用電子式互感器對諧波準(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)生的勵磁涌流波形如圖9所示。對其進(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,見圖4。目前廠家一般不測量Rogowski傳感頭的分布電容,建議采用諧振法測量分布電容,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)為對衰減非周期分量的傳變能力,對Rogowski傳感頭微分信號進(jìn)行還原的積分環(huán)節(jié)設(shè)計尤其關(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試標(biāo)準(zhǔn)中可以量化互感器對衰減非周期分量的傳變特性,不需要簡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誤差不超過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)特性測試,綜合權(quán)衡繼電保護(hù)速動性要求和可接受的測量誤差,限定瞬時誤差在故障發(fā)生后40ms內(nèi)不超過某一值(如5%)。4)空心線圈電流互感器在設(shè)計和應(yīng)用時廣泛采用冗余配置,如采集單元雙A/D設(shè)計、互感器和合并單元雙重化配置、2個獨(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,實現(xiàn)的技術(shù)難點在于雙回路高度協(xié)調(diào)工作。對一臺合并單元裝置的外同步與內(nèi)同步方式切換進(jìn)行測試。設(shè)定合并單元外部同步信號消失,經(jīng)一段時間后再恢復(fù),互感器輸出錄波結(jié)果見圖10。發(fā)現(xiàn)當(dāng)合并單元同步方式切換時,出現(xiàn)信號重新發(fā)送前一個周期的部分?jǐn)?shù)據(jù)而導(dǎo)致輸出發(fā)生畸變的問題?？梢?互感器設(shè)計要保證雙回路的有效備用和無縫切換,否則可能引起保護(hù)動作可靠性下降。當(dāng)然在繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計中,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)計空心線圈電流互感器具有線性系統(tǒng)特點,不會飽和且線性度好。傳感頭的內(nèi)阻和分布電容對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