电子式电流互感器研究pag.ppt

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1、电子式电流互感器研究,共88页,2,电子式电流互感器研制ECT-Electronic current transformers,共88页,3,电流互感器简介,互感器是电力系统的眼睛。传统的电流互感器是电磁感应式，结构类似变压器(区别：CT磁密甚小)。按用途分：1、测量用将任一数值的交流电流转换为用标准仪器可以直接测量的交流电流值；使高压回路与维护人员可以接近的测量仪表绝缘。2、保护用将任一数值的交流电流转换成可以供给继电保护装置的交流电流值；使高压回路与维护人员可以接近的继电器绝缘。,共88页,4,电磁感应式电流互感器主要优点,电磁感应式电流互感器是一种传统的电流测量和保护设备性能比较稳定适合

2、长期运行有长期的运行经验,共88页,5,电磁感应式电流互感器的缺点,绝缘复杂不能用于测量直流输电系统磁饱和（将产生大的测量误差）铁磁谐振有油易燃易爆体积大，重量重,共88页,6,电子式电流互感器的优点,绝缘简单没有磁饱和、铁磁谐振等问题无二次开路高压测量频带宽，动态范围大结构紧凑，体积小，重量轻适应电力系统自动化数字化要求无易燃、易爆炸危险,共88页,7,电子式电流互感器发展现状,电子式电流互感器是当前国内外研究的热点ABB公司研制的监测、保护超高压串联电容器组电流的ECT于19871990年全面投运法国ALSTOM、日本东京电力公司、东芝公司也有研究美国的Photonic Power Sys

3、tem公司已经初步将A/D采集式电流互感器产品化，激光供能方式，在美国、芬兰等国变电站中得到较广泛的应用国内清华大学、燕山大学、大连理工大学研究有源式ECT华中科技大学、哈尔滨科技大学、上海科技大学、重庆大学进行磁光式ECT的研究,共88页,8,有关研制及生产电子式电流互感器的单位目前所达到的水平,共88页,9,国内外研究现状,广州换流站激光供能的500kV ECT(测直流)西门子公司制造运用了一些美国Photonic Power System 公司技术,广州换流站激光供能的35kV ECT(测直流),共88页,10,（加拿大）NxtPhase公司的磁光式500kV组合式光电电流电压互感器,共

4、88页,11,（加拿大）NxtPhase公司的磁光式组合式光电电流电压互感器二次输出指标,共88页,12,国内外研究现状,ABB公司的磁光式ECT,共88页,13,电子式互感器标准,IEC60044-7 互感器(1999)第7部分:电子式电压互感器 IEC60044-8 互感器(2002)第8部分:电子式电流互感器我国也正在制定电子式电压互感器和电流互感器的国家标准 GB/T XXXX.7-200X GB/T XXXX.8-200X,共88页,14,电子式电流互感器分类,电子式电流互感器主要分两类：1、无源式传感头采用磁光晶体或光纤2、有源式传感头采用电子器件，需提供电源,共88页,15,无源

5、式ECT的几种实现方法(一),基于Faraday磁光效应的,全光纤型电流互感器原理示意图,共88页,16,无源式ECT的几种实现方法(二),基于Faraday磁光效应的,磁光玻璃型电流互感器原理示意图,共88页,17,MOCT的几种实现方法(三),基于Kerr效应测量电流原理示意图（原理见下页）,磁介质,共88页,18,Kerr磁光效应是指线偏振光在磁化了的磁介质表面发生反射时，反射光的偏振面相对于入射光的偏振面会发生偏转。通过测量偏转角度的大小，就可以间接测得磁介质外加磁场大小，如果这个磁场是由高压电流产生，则也可以通过相应的换算得到电流的大小,共88页,19,有源式ECT的实现方法,在高压

6、侧的传感头采用的是电子器件，而不是磁光晶体或光纤。因此高压侧要有供电电源。A/D转换式（即ADC式），实际研制时采用的方式。,共88页,20,图 ADC式电子式电流互感器的整体结构图,ADC式电子式电流互感器整体 结构图,共88页,21,A/D转换式ECT特点,AD变换器的转换精度高，采样频率高系统的功耗小，可以实现低功耗接收端的电路比较简单，可以直接和计算机进行通信传送的是数字信号，传送过程中抗干扰能力强,共88页,22,电子式电流互感器方案的选定,无源式电流互感器的原理与传统的电磁式互感器截然不同，优点在于其传感头在设计上没有电源的供应的问题，但是这种互感器对光学技术、光纤技术以及光学材料

7、的发展有很大的依赖性，研制技术难度大，成本较高。而且，磁光材料在外界环境的温度压力等参数变换的情况下的稳定性也是一个技术上难以解决的问题。因此，要达到实用阶段还要走很长的路。,共88页,23,有源式电流互感器采用的是传统的电阻、电容等器件，优点在于采样精确度比较高，同无源光电互感器相比，在结构上更加简单，也比较容易和计算机实现直接通信，但是它的缺点在于传感头的电源供应、大范围电流的准确测量问题和电磁兼容问题。,共88页,24,最后方案的选定考虑到电子器件的选择和电路的设计难度，采用ADC式电子电流互感器作为研究对象。这种电流互感器的传感头的总体功耗比较小，采样精确度比较高，接收端的电路工作比较

8、可靠，容易实现多路信号同时采集，另外，ADC式光电电流互感器传输的是数字信号，易于和计算机实现数据通信,共88页,25,ECT方案,三相测量电流,C相电流,C相电流,B相电流,B相电流,A相电流,A相电流,保护线圈,测量线圈,保护线圈,测量线圈,保护线圈,测量线圈,高压侧信号处理单元,高压侧信号处理单元,高压侧信号处理单元,信号接收和分配单元,低压侧信号处理单元,低压侧信号处理单元,低压侧信号处理单元,三相保护电流,至测量柜,至保护柜,光纤,共88页,26,共88页,27,正在安装的ECT,共88页,28,共88页,29,ECT的性能指标,电压等级220kV母线电流600A输出精度测量级0.2

9、级，4V，负荷2M保护级为5P20，200mV供能方式为特制线圈供能安装方式为悬挂式 达到水平：国际先进,共88页,30,电流互感器的设计方案,传感头 Rogowski线圈（测量暂态信号保护用）小信号铁芯CT（测量稳态信号测量用）A/D采样及温度补偿电能供应 光纤传输，光纤绝缘子 信号接收单元 电子式互感器校验仪,共88页,31,传感头的结构示意图,图3.1 传感头结构示意图,共88页,32,电流互感器样机（传感头）,共88页,33,传感头内部结构图,共88页,34,传感头部分装配原理示意图1-导电杆、2-电源板、3-电源变压器、4-A/D采集板、5-罗果夫斯基线圈、6-铁芯线圈 7-铁芯线圈

10、外围电路板、8-金具、9-外壳,共88页,35,Rogowski线圈介绍,Rogowski线圈实际上就是一个缠绕在非磁性骨架上的空心螺线管是测量暂态电流的一种常用工具，现在也有用于测稳态电流的，供计量和保护用没有铁心，不会产生磁饱和不直接串联在被测回路中，不会消耗被测回路的能量线圈和被测回路没有直接的电的关系，对被测回路的影响较小,共88页,36,图 罗果夫斯基线圈原理图及等效原理图,共88页,37,Rogowski线圈介绍,Rogowski线圈结构图,首先设线圈每匝中心线与导线中心线间的距离为r，穿过线圈每匝的磁场均为Br，且线圈共有n匝，每匝的面积均为S，0 为真空导磁率，则可得：导线电流

11、I(t)与Br 的关系为：感应电压u2(t)与I(t)的关系为：,共88页,38,Rogowski线圈的几个问题（1）,在测量小信号时，由于Rogowski线圈为空心线圈，要达到很高的准确度，就要求线圈具有较多的匝数。根据国家标准GB12081997对电流互感器的规定，对于测量通道，应保证在小于1.2倍额定电流的情况下能够实现正常测量，误差在规定的范围之内；同时对保护通道，能保证在20倍额定电流以内能够进行保护监测。假设额定电流为600A，则保护用暂态电流幅值可达6002012000A，实现如此大范围内信号的准确测量难度是很大的,共88页,39,Rogowski线圈的几个问题（2）,线圈骨架的

12、选择水泥、大理石、花岗岩要求：选择线性膨胀系数小的材料做线圈骨架，随温度变化，形变越小越好，使线圈所受影响最小Rogowski线圈的输出信号通常比较弱，易受外界电磁场的干扰，应对线圈进行屏蔽，输出信号用屏蔽双绞线引出,共88页,40,小信号铁芯CT（测量稳态信号测量用）,根据国家标准GB12081997对电流互感器的规定，对于测量通道，应保证在小于1.2倍额定电流的情况下能够实现正常测量，误差在规定的范围之内；铁芯采用硅钢片或超微晶合金材料，环形穿心结构，没有气隙、漏磁少,共88页,41,A/D转换电路,A/D转换电路是整个传感头的核心部分要求：A/D转换器件功耗小、采样率足够高线圈输出的电流

13、为正弦波，因此A/D转换器件要具有双极性输入，串行输出采用时分复用方式传送下行信号,共88页,42,共88页,43,高电位侧的电源供应问题,特制CT线圈从母线采电的供能方式 激光供能方式 蓄电池或太阳能电池供能方式 超声电源供能方式,共88页,44,特制CT线圈供能方式,采用接在母线上的参数变压器获得电压信号，对其进行整流、滤波、稳压后供给后级的电子线路 问题是母线中电流变化范围很大，从空载电流到额定电流，以及发生故障时的短路电流和雷电冲击电流，都要求保证直流电源的可靠输出在母线电流为零的情况下，这种方法不能提供足够的电压输出来维持传感头的工作,共88页,45,共88页,46,激光供能方式,采

14、用激光器从地面低电位侧通过光纤将光能传送到高电位侧，再经光电池将光能转换成电能，再经过DCDC变换后，提供稳定的电压输出优点：纹波小、不易受外界干扰，摆脱了高压母线电流大小和电压高低的影响，这种供能方式的互感器可以对母线进行故障检测缺点：价格比较昂贵、寿命短、光电池转换效率低，功率不足，要求电子线路选用低功耗元件,共88页,47,激光器和光电池,选用半导体激光器（LD），波长为808nm传感头电子线路的总功率一般在140mW或更高，电路板上DCDC转换电路的转换效率在50%左右，光电池的转换效率在2530%左右，激光器应工作在额定功率的7080%左右，因此，要求激光器的输出功率在1.52.0W

15、比较合适目前半导体激光器市场价格欧美1.8W10000小时（1.14年）$2500国内2.0W 5000小时（0.57年）￥3000,共88页,48,光纤传输与光纤绝缘子,基本设计要求是：允许传光光纤通过绝缘结构；耐受相应电压等级的各种过电压；具有一定的抗振能力；为了体现光电式电流互感器的优点，绝缘结构的设计应尽可能做到体积小重量轻另一种思路：无线传输，如GPRS、GSM通讯，缺点：盲区、故障、不独立,共88页,49,共88页,50,共88页,51,共88页,52,共88页,53,低压侧接线盒,图接线盒结构示意图,1-外壳、2-进线头、3-加紧式出线头、4-固定架、5、6-密封圈、7-固定螺栓

16、、8、9-螺钉、10、11-螺母、12、13-密封圈、,共88页,54,共88页,55,共88页,56,信号接收机的主要作用,将传感头通过光纤传递下来的光脉冲信号转换成电脉冲信号，并进行放大处理。通过两路处理通道(一路是是采用D/A转换器的模拟通道，一路是采用计算机处理的数字通道)，对传输下来的信号进行处理。输出IEC标准规定的模拟信号和数字信号,共88页,57,共88页,58,共88页,59,信号接收机的组成,O/E变换部分(光电转换)逻辑控制电路部分-提供控制信号信号接收机的模拟通道-数字还原成模拟信号信号接收机的数字通道-将数据采集进计算机,分为以下四个部分：,共88页,60,1、O/E

17、变换部分(光电转换),将传感头传下来的两组信号：一组是数据信号，另一组是时钟信号，转换成电脉冲信号。器件采用PIN光电二极管。放大整形电路将微弱的电信号还原成标准的TTL电平信号。器件采用高精度的比较器。,共88页,61,2、逻辑控制电路,将系统的四路时钟信号和数据信号分离开来，并产生器件要求的时序；送入D/A转换器和PC机接口卡，分别进行处理。,共88页,62,3、模拟通道-D/A转换电路,将传感头传输的串行信号转换为并行数字信号，送入到D/A转换器件中；通过D/A转换电路后，输出的模拟信号共分四路：一路电流测量通道(来自CT线圈)；二路继电保护通道(来自Rogowski线圈)；三路电压监测

18、输出(用于监测供能电压)；四路温度测量输出(用于监测和误差校正)。,共88页,63,4、数字通道,提供满足标准要求的数字信号，供二次仪表使用(测量、计量或保护)测量额定值：2D41H(十进制11585)，保证测量2倍额定电流无任何溢出保护额定值：01CFH(十进制463)，保证测量50倍额定电流无任何溢出,共88页,64,电子式互感器校验仪的研制,共88页,65,电子式互感器校验仪的研制,传统互感器校验仪存在的问题校验电磁式互感器的测差式互感器校验仪不能检定ECT样机。电磁式CT的二次输出为恒流输出，而电子式电流互感器的二次侧输出是电压（其中测量通道4V，保护通道200mV）传统校验仪不能校验

19、数字信号。虚拟仪器技术 美国NI公司的LabVIEW软件及各种功能的采集卡,共88页,66,电子式互感器校验仪的原理,信号调理箱将基准信号和待测信号变换成高精度数据采集卡能承受的电压信号，经采集卡进入计算机，得到两个离散数据序列通过对这两个离散序列的软件分析得到两个信号各自的特征和它们之间的比差和角差 软件分析的主要算法是基于离散信号的傅立叶变换,共88页,67,新型电流电压互感器校验仪,共88页,68,新型互感器校验仪显示软面板,共88页,69,电流互感器实验室测试结果,试验接线图,共88页,70,电流互感器实验室测试结果,测试波形图,共88页,71,电流互感器实验室测试结果,测量通道比差和

20、角差（输出带负载15k）,共88页,72,电流互感器实验室测试结果,保护通道比差和角差（输出带负载15k）,共88页,73,ECT的型式试验数据,共88页,74,ECT的型式试验数据,共88页,75,ECT的现场试验,现场电流测试方案示意图,共88页,76,新东北电气（锦州）电力电容器有限公司与清华大学合作开发的电子式电流互感器样机,共88页,77,共88页,78,电子式电流互感器二次侧的信号处理机,共88页,79,电流互感器样机（传感头）,共88页,80,传感头内部结构图,共88页,81,安装好的ECT,共88页,82,安装在控制室的测试屏,共88页,83,关于ECT和EVT的下一步工作,提高ECT和EVT的测量准确度 实现ECT和EVT输出数字量与微机保护设备直接接口(必须)通过现场挂网试验，积累运行的经验保护用ECT的研制,共88页,84,共88页,85,共88页,86,共88页,87,共88页,88,谢谢各位!,