【教学课件】第7章电压电流互感器.ppt

,第七章 电压电流互感器,高压光纤电流互感器,电力工业是国家经济建设的基础工业，在国民经济建设中有举足轻重的地位。近年来随着各国经济的迅速发展，对电力的需求日益增大，电力系统的额定电压等级和额定电流都有大幅度的提高和增加。例如，60年代前苏联和欧洲某些发达国家纷纷将原来的 220 kV的骨干电网发展为500 kV的骨干电网，到80年代前苏联甚至出现了1150 kV的特高压输电线路。,高压光纤电流互感器,而中国也由80年代的220 kV骨干电网发展到目前500 kV骨干电网，预计进入21世纪后随着金沙江等大容量梯级电站的建设，中国将出现由特高压1200 kV的输电线路进行电力的输送。与之相应的电力系统中的输变电设备的额定电压和额定电流都要随之提高，因此，必须研究和发展新型的高压设备，电流互感器(Current Transformer,CT)就是其中之一。,传统电磁式电流互感器的结构和工作原理,电磁式低压电流互感器 低压电流互感器一般适用于1000 V以下电压等级中的电流测量，可以用于几十安培到一千安培范围内的电流测量，测量精度可以达到0.2%。因为其结构简单，耐压等级不高，价格也比较便宜，广泛应用于工业生产中电流的测量。,传统电磁式电流互感器的结构和工作原理,图7-1 电磁式低压电流互感器外形结构图,图7-2 电磁式低压电流互感器内部结构图,传统电磁式电流互感器的结构和工作原理,电流母线从闭路铁芯中穿过，铁芯上按照比例关系缠绕一定圈数的导线作为副边。设原边匝数为,原边电流为，副边匝数为，副边电流为，根据电磁感应磁路平衡原理式，原边和副边的匝数和电流之间的关系满足:即电流互感器的副边输出电流和原边被测电流之间成正比例关系。在副边输出两端串接电流表即可实现对原边电流的测量。该种互感器结构简单、成本低、长期工作可靠性高，但是因为铁芯具有带宽窄、容易出现磁饱和等缺点，尤其是基于该原理的电流互感器在副边开路时会有高压产生，对操作者的人身安全具有一定的威胁。,传统电磁式电流互感器的结构和工作原理,电磁式高压电流互感器在高压电力系统中，由于对设备的绝缘安全性具有极高的要求，尤其是在户外工作的高压电流互感器还要考虑雷电冲击、负载瞬间短路等极端情况，对高压电流互感器的绝缘要求使得基于电磁感应原理的电流互感器变得体积庞大、重量达到数吨、成本急剧升高，其设备成本随电压等级的升高成指数关系上升。但是，这类互感器因为结构原理简单，具有工作可靠、稳定性好等优点，也是目前国内电力行业中广泛采用的。,高压光纤电流互感器,光电式电流互感器 传统的电磁式互感器因为其固有的一些缺点，比如：带宽窄、磁饱和、重量大、易燃易爆、次级开路高压等，都严重地制约了电力工业的发展，开发出新型的光电式电流互感器已经成为国内外电力工业的研究热点。随着光电子学的发展和成熟，国内外很多大学和科研机构开始投入精力研究光电式电流互感器，发展到现在，已经取得了很大进步。,光电电流互感器原理,目前在光纤电流互感器研究领域主要有三个研究方向：1.有源型；2.光学晶体型；3.全光纤型。1.光学晶体型该类互感器的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磁光材料后，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的偏振面进行调制，此时,式中，,为偏振面的偏转角；,为光通过介质的路径长度；,为磁场强度；,为磁光材料的特性常数(Verdet)费尔德常数，它与介质的性质和波长、温度有关。如果 角能够被检测出，则可测得磁场强度。,而磁场强度和导线流过的电流之间满足安培环路定律，式中表示电流产生的磁场回路半径，因此，就可由求出被测电流的大小和相位。,基于法拉第效应原理的无源型光电电流传感器系统,光源发出的光经起偏器后变成线偏振光，线偏振光经过位于电流产生的磁场中的磁光材料后偏振方向受到磁场调制，经过检偏器后由信号检测与处理单元进行强度探测和信号处理。,图7-3 法拉第电流互感器原理图,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，充分发挥了光电互感器的特点，尤其是在高压侧不需要电源器件，使高压侧设计简单化，工作寿命长。光学晶体型电流互感器的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Verdet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。,有源型,有源型又可以称为混合型，所谓有源型光电电流互感器乃是高压测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。有源型光电电流互感器不用光学器件作为敏感元件测量电流，而是把光纤作为信号传输的媒质，这样，一方面可以容易地实现互感器高低压之间的电气隔离，另一方面又克服了采用光学敏感元件带来的长期稳定性和可靠性问题。,有源型,互感器采用Rogowski线圈作为检测电流的传感头。Rogowski线圈一般是在非磁性骨架上缠绕一定圈数的导线(常采用康铜丝)，然后将绕制好的空心线圈套在电力母线上。套在电力母线上的Rogowski线圈的感生电动势是电力母线电流微分的一个比例系数，所以为了恢复被测电力母线电流的幅值和相位信息，需要将Rogowski线圈输出信号进行积分后再进行进一步的处理。在图7-8中，采用高精度低功耗的A/D转换器实时地将信号由模拟量变成数字量，然后通过电光转换经光纤送到低压地面端进行电光转换，再通过合适的D/A转换恢复成模拟量。,图7-4 有源型电流互感器,有源型,有源型光电电流互感器结构简单，长期工作稳定好，容易实现高精度、性能稳定实用化的产品,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。,全光纤型,全光纤型光电电流互感器的传感头即是光纤本身(而无源型光电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。,全光纤型,处于高压侧的传感光纤为单模光纤，而处于高、低压两侧之间的传光光纤为椭圆芯保偏光纤。基本工作原理是：由低压侧光源发出的光束经过光纤起偏器后变为线偏振光，其偏振方向与椭圆光纤的长、短轴成45度角，故在传光光纤中传输的是互为垂直的二束线偏振光。通过高压侧的延迟器后再变为旋转方向相反的圆偏振光，即左旋偏振光和右旋偏振光。它们在传感光纤中继续传输，并在电流产生的磁场作用下，各自旋转了不同角度。,全光纤型,两束光在光纤末端被反射镜反射，根据反射定律，它们的旋转方向发生交换，即左旋偏振光变为右旋偏振光，右旋偏振光变为左旋偏振光。返程的二束光在电流作用下，偏振角再次发生旋转，再经波片后，变为互相垂直的二束线偏振光，但它们原来的偏振方向发生了交换，即前进时在x方向的偏振光，返程时变为y方向的偏振光，反之亦然。两束光在起偏器中产生干涉，根据偏振干涉原理，就可以获得被测电流的大小和相位。,图7-5 全光纤型光纤电流互感器原理框图,二束光除偏振方向互相交换外，它们都在同一根光纤中传输，周围环境产生的光纤伸缩等效应对互感器的输出几乎没有影响，因此可以从理论上排除外来的干扰。而由电流产生的相移为式中V为传感光纤的费尔德常数，N是环绕载流导体的光纤匝数，I为被测电流，系数4是本方案中有二束偏振光在传感光纤中往返二次传输的结果。干涉仪输出的光强为式中I0正比于光源的光强。由信号处理电路求出(7-10)式的，再由(7-9)式测出高压母线中的电流大小和相位。全光纤型光电电流互感器的优点是传感头结构最简单，比无源的容易制造，精度和寿命与可靠性比无源型要高。缺点是这种互感器的光纤需要保偏光纤，比有源型和无源型所采用的普通光纤特殊，要做出有高稳定性的保偏光纤很困难，造价比较高。,高压光纤电压互感,和电流互感器类似，电压互感器作为电力系统中的重要设备，对电力系统的稳定运行和精确计量具有重要意义。它为电力系统提供用于计量、控制和继电保护所必需的信息。目前，包括我国在内的世界各国，电压的测量仍然依靠传统的电磁式电压互感器PT(Potential Transformer)，它要求在高、低压端之间提供复杂昂贵的电气绝缘。随着输配电网朝着高电压、大容量方向发展，不仅使高电压等级的PT变得越来越笨重，价格越来越昂贵，而且给运输和安装带来困难，加上本身存在的磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、频带窄、易燃易爆、易受干扰，PT的次级短路危及周围设备及操作人员的生命安全等一系列问题，都促使人们研制更为先进的传感系统。,基于晶体电光效应的电压互感器,1.晶体的电光效应光在各向同性介质中传播时，由于，若 为常数，光是直线前进的；若，则光沿曲线前进。光在各向异性介质中传播时，由于，为常数，出现双折射效应。因此，光在介质中传播的规律是受介质折射率分布所制约，而介质的折射率分布则与介质的介电常数分布密切相关，以前认为介质的介电常数 是一个物质常数，实际上外界的各种因素常常会引起的变化，从而引起光传播的变化。例如：介质因受力而引起的折射率变化，称为弹光效应；因电场而引起的折射率变化，称为电光效应；因磁场而引起的折射率变化，称为磁光效应等。,Pockels效应型光学电压互感器,该原理互感器是利用材料的Pockels效应来实现对高压电压进行测量的。按照外加电场方向分为横向和纵向两种方式。图7-6a为晶体的横向调制方式，图7-6b为纵向调制方式。横向调制型的优点是：晶体半波电压易于调整(因半波电压和晶体的尺寸有关)，电极距便于调整以适应测量不同电压等级的要求；不许透明电极；易于加工制造。而温度灵敏度较大则是其缺点。纵向调制的优点是：抗干扰(温度及外电场干扰)的能力较强，缺点是测高压困难(绝缘及晶体半波电压较低)，对此可用电容分压、多晶片叠加分压等方法予以克服。,图7-6a 横向调制,图7-6b 纵向调制,图7-7 基于Pockels原理的高压电压互感器的光路结构图1入射光纤；2、8透镜；3起偏器；4波片；5BSO Pockels 晶体；6检偏器；745棱镜；9出射光纤,工作原理,起偏器将入射的光变成线偏振光，经过波片后将线偏振光变成圆偏振光后入射到BSO Pockels晶体，BSO晶体的左右两面镀透明电极(纵向调制)，当被测电压施加于Pockels晶体上时，圆偏振光将变成椭圆偏振光，且椭圆度由施加到Pockels晶体上的电压决定。椭圆偏振光经检偏器检出，通过光电探测器探测检偏器输出的光强可以确定施加于Pockels晶体上的电压。,克尔效应型光学电压互感器,图7-8 基于克尔效应的光学电压传感器,工作原理,光源发出的光经起偏器P后变成线性偏振光，且偏振方向同晶体的和轴成45角，偏振光经过克尔晶体后，出射光的偏振方向会产生旋转，旋转的大小和施加于克尔晶体两侧面上的电压成比例，科尔晶体后放置一偏振方向同起偏器偏振方向垂直的检偏器，出射光经检偏器后，由探测器探测光强。,基于模间干涉原理的电压互感器,近年来，基于双模光纤的模间干涉原理的电压互感器逐渐引起人们的重视。它利用光纤中的低阶线性偏振模和之间的干涉原理进行电压测量。电压互感器由二个干涉仪，即传感干涉仪和接收干涉仪构成，用单模保偏光纤(起传光作用)把二个干涉仪连在一起。二个干涉仪都由椭圆芯双模光纤和压电晶体构成，这样选择多模激光二极管和光纤，即只允许二个低阶模和通过光纤传输，其它高阶模均被截止。当光源发出的光束经单模保偏光纤耦合到双模光纤后，二个线偏振光的偏振面平行于椭圆芯光纤的长轴和短轴。而石英晶体在被测电压(电场)作用下，圆柱型的晶体的周长发生变化，缠绕在晶体上的双模光纤的模折射率随着变化。,二偏振模间的光程差。其中 是传感光纤的长度，是传感光线中积累起来的二个模间的群折射率之差。类似地，在接收干涉仪中，有，其中 为接收光纤的长度，是接收光纤中积累起来的二个模间的群折射率差。接收干涉仪的输出两个边瓣光强为,随着相位差的变化，两个边瓣强度呈周期性交替。,0 45 90 135,180 225 270 315,图7-9 模间干涉输出光强和模间相位差之间的关系,图7-10 模间干涉型电压互感器结构图,在相位跟踪器的作用下，双模光纤的相位差锁定在正交状态，即 90o。故传感光纤在被测电压作用下有一个相位变化 时，相位跟踪器随之产生一个相同的相位变化，根据跟踪器的控制电压就可测出被测电压的大小和相位。,