電子式電流互感器

研究動態共88頁2電子式電流互感器研制ECT-Electroniccurrenttransformers共88頁3電流互感器簡介互感器是電力系統的眼睛。傳統的電流互感器是電磁感應式，結構類似變壓器(區別：CT磁密甚小)。按用途分：1、測量用將任一數值的交流電流轉換為用標準儀器可以直接測量的交流電流值；使高壓回路與維護人員可以接近的測量儀表絕緣。

2、保護用將任一數值的交流電流轉換成可以供給繼電保護裝置的交流電流值；使高壓回路與維護人員可以接近的繼電器絕緣。

共88頁4電磁感應式電流互感器主要優點電磁感應式電流互感器是一種傳統的電流測量和保護設備性能比較穩定適合長期運行有長期的運行經驗共88頁5電磁感應式電流互感器的缺點絕緣復雜不能用于測量直流輸電系統磁飽和（將產生大的測量誤差）鐵磁諧振有油易燃易爆體積大，重量重共88頁6電子式電流互感器的優點絕緣簡單沒有磁飽和、鐵磁諧振等問題無二次開路高壓測量頻帶寬，動態范圍大結構緊湊，體積小，重量輕適應電力系統自動化數字化要求無易燃、易爆炸危險共88頁7電子式電流互感器發展現狀電子式電流互感器是當前國內外研究的熱點ABB公司研制的監測、保護超高壓串聯電容器組電流的ECT于1987~1990年全面投運法國ALSTOM、日本東京電力公司、東芝公司也有研究美國的PhotonicPowerSystem公司已經初步將A/D采集式電流互感器產品化，激光供能方式，在美國、芬蘭等國變電站中得到較廣泛的應用國內清華大學、燕山大學、大連理工大學研究有源式ECT華中科技大學、哈爾濱科技大學、上海科技大學、重慶大學進行磁光式ECT的研究共88頁8有關研制及生產電子式電流互感器的單位

目前所達到的水平

研制及生產單位光電互感器種類準確度瑞士ABB公司磁光式0.2級華中科技大學磁光式0.5級加拿大NxtPhase公司全光纖式0.2級瑞士ABB公司有源式0.2級美國PhotonicPowerSystem公司有源式0.2級清華大學有源式0.3級大連理工大學有源式0.5級共88頁9國內外研究現狀廣州換流站激光供能的500kVECT(測直流)西門子公司制造

運用了一些美國PhotonicPowerSystem公司技術廣州換流站激光供能的35kVECT(測直流)共88頁10（加拿大）NxtPhase公司的磁光式500kV組合式光電電流電壓互感器共88頁11（加拿大）NxtPhase公司的磁光式組合式光電電流電壓互感器二次輸出指標共88頁12國內外研究現狀ABB公司的磁光式ECT共88頁13電子式互感器標準IEC60044-7互感器(1999)

第7部分:電子式電壓互感器

IEC60044-8互感器(2002)

第8部分:電子式電流互感器我國也正在制定電子式電壓互感器和電流互感器的國家標準

GB/TXXXX.7-200XGB/TXXXX.8-200X共88頁14電子式電流互感器分類電子式電流互感器主要分兩類：1、無源式－傳感頭采用磁光晶體或光纖2、有源式－傳感頭采用電子器件，需提供電源共88頁15無源式ECT的幾種實現方法(一)基于Faraday磁光效應的

全光纖型電流互感器原理示意圖共88頁16無源式ECT的幾種實現方法(二)基于Faraday磁光效應的

磁光玻璃型電流互感器原理示意圖共88頁17MOCT的幾種實現方法(三)基于Kerr效應測量電流原理示意圖（原理見下頁）

磁介質共88頁18Kerr磁光效應是指線偏振光在磁化了的磁介質表面發生反射時，反射光的偏振面相對于入射光的偏振面會發生偏轉。通過測量偏轉角度的大小，就可以間接測得磁介質外加磁場大小，如果這個磁場是由高壓電流產生，則也可以通過相應的換算得到電流的大小共88頁19有源式ECT的實現方法在高壓側的傳感頭采用的是電子器件，而不是磁光晶體或光纖。因此高壓側要有供電電源。A/D轉換式（即ADC式），實際研制時采用的方式。共88頁20圖ADC式電子式電流互感器的整體結構圖ADC式電子式電流互感器整體結構圖共88頁21A/D轉換式ECT特點AD變換器的轉換精度高，采樣頻率高系統的功耗小，可以實現低功耗接收端的電路比較簡單，可以直接和計算機進行通信傳送的是數字信號，傳送過程中抗干擾能力強共88頁22電子式電流互感器方案的選定無源式電流互感器的原理與傳統的電磁式互感器截然不同，優點在于其傳感頭在設計上沒有電源的供應的問題，但是這種互感器對光學技術、光纖技術以及光學材料的發展有很大的依賴性，研制技術難度大，成本較高。而且，磁光材料在外界環境的溫度壓力等參數變換的情況下的穩定性也是一個技術上難以解決的問題。因此，要達到實用階段還要走很長的路。共88頁23有源式電流互感器采用的是傳統的電阻、電容等器件，優點在于采樣精確度比較高，同無源光電互感器相比，在結構上更加簡單，也比較容易和計算機實現直接通信，但是它的缺點在于傳感頭的電源供應、大范圍電流的準確測量問題和電磁兼容問題。共88頁24最后方案的選定

考慮到電子器件的選擇和電路的設計難度，采用ADC式電子電流互感器作為研究對象。這種電流互感器的傳感頭的總體功耗比較小，采樣精確度比較高，接收端的電路工作比較可靠，容易實現多路信號同時采集，另外，ADC式光電電流互感器傳輸的是數字信號，易于和計算機實現數據通信共88頁25ECT方案三相測量電流C相電流C相電流B相電流B相電流A相電流A相電流保護線圈測量線圈保護線圈測量線圈保護線圈測量線圈高壓側信號處理單元高壓側信號處理單元高壓側信號處理單元信號接收和分配單元低壓側信號處理單元低壓側信號處理單元低壓側信號處理單元三相保護電流至測量柜至保護柜光纖共88頁2673654211—輸電線2—傳感頭3—絕緣子串4—接線盒5—拉桿6—傳輸光纖7—電子元件電子式電流互感器現場安裝示意圖共88頁27正在安裝的ECT共88頁28共88頁29ECT的性能指標電壓等級220kV母線電流600A輸出精度測量級0.2級，4V，負荷2MΩ保護級為5P20，200mV供能方式為特制線圈供能安裝方式為懸掛式達到水平：國際先進共88頁30電流互感器的設計方案

傳感頭

Rogowski線圈（測量暫態信號－保護用）小信號鐵芯CT（測量穩態信號－測量用）

A/D采樣及溫度補償電能供應

光纖傳輸，光纖絕緣子信號接收單元電子式互感器校驗儀共88頁31傳感頭的結構示意圖圖3.1傳感頭結構示意圖共88頁32電流互感器樣機（傳感頭）共88頁33傳感頭內部結構圖共88頁34

傳感頭部分裝配原理示意圖1-導電桿、2-電源板、3-電源變壓器、4-A/D采集板、5-羅果夫斯基線圈、6-鐵芯線圈7-鐵芯線圈外圍電路板、8-金具、9-外殼共88頁35Rogowski線圈介紹Rogowski線圈實際上就是一個纏繞在非磁性骨架上的空心螺線管是測量暫態電流的一種常用工具，現在也有用于測穩態電流的，供計量和保護用沒有鐵心，不會產生磁飽和不直接串聯在被測回路中，不會消耗被測回路的能量線圈和被測回路沒有直接的電的關系，對被測回路的影響較小共88頁36圖羅果夫斯基線圈原理圖及等效原理圖共88頁37Rogowski線圈介紹

Rogowski線圈結構圖首先設線圈每匝中心線與導線中心線間的距離為r，穿過線圈每匝的磁場均為Br，且線圈共有n匝，每匝的面積均為S，0為真空導磁率，則可得：導線電流I(t)與Br的關系為：

感應電壓u2(t)與I(t)的關系為：

共88頁38Rogowski線圈的幾個問題（1）在測量小信號時，由于Rogowski線圈為空心線圈，要達到很高的準確度，就要求線圈具有較多的匝數。根據國家標準GB1208－1997對電流互感器的規定，對于測量通道，應保證在小于1.2倍額定電流的情況下能夠實現正常測量，誤差在規定的范圍之內；同時對保護通道，能保證在20倍額定電流以內能夠進行保護監測。假設額定電流為600A，則保護用暫態電流幅值可達600＊20＝12000A，實現如此大范圍內信號的準確測量難度是很大的共88頁39Rogowski線圈的幾個問題（2）線圈骨架的選擇水泥、大理石、花崗巖

要求：選擇線性膨脹系數小的材料做線圈骨架，隨溫度變化，形變越小越好，使線圈所受影響最小Rogowski線圈的輸出信號通常比較弱，易受外界電磁場的干擾，應對線圈進行屏蔽，輸出信號用屏蔽雙絞線引出共88頁40小信號鐵芯CT（測量穩態信號－測量用）根據國家標準GB1208－1997對電流互感器的規定，對于測量通道，應保證在小于1.2倍額定電流的情況下能夠實現正常測量，誤差在規定的范圍之內；鐵芯采用硅鋼片或超微晶合金材料，環形穿心結構，沒有氣隙、漏磁少共88頁41A/D轉換電路A/D轉換電路是整個傳感頭的核心部分要求：A/D轉換器件功耗小、采樣率足夠高線圈輸出的電流為正弦波，因此A/D轉換器件要具有雙極性輸入，串行輸出采用時分復用方式傳送下行信號共88頁42共88頁43高電位側的電源供應問題特制CT線圈從母線采電的供能方式

激光供能方式

蓄電池或太陽能電池供能方式超聲電源供能方式共88頁44特制CT線圈供能方式采用接在母線上的參數變壓器獲得電壓信號，對其進行整流、濾波、穩壓后供給后級的電子線路問題是母線中電流變化范圍很大，從空載電流到額定電流，以及發生故障時的短路電流和雷電沖擊電流，都要求保證直流電源的可靠輸出在母線電流為零的情況下，這種方法不能提供足夠的電壓輸出來維持傳感頭的工作共88頁45共88頁46激光供能方式采用激光器從地面低電位側通過光纖將光能傳送到高電位側，再經光電池將光能轉換成電能，再經過DC－DC變換后，提供穩定的電壓輸出優點：紋波小、不易受外界干擾，擺脫了高壓母線電流大小和電壓高低的影響，這種供能方式的互感器可以對母線進行故障檢測缺點：價格比較昂貴、壽命短、光電池轉換效率低，功率不足，要求電子線路選用低功耗元件共88頁47激光器和光電池選用半導體激光器（LD），波長為808nm傳感頭電子線路的總功率一般在140mW或更高，電路板上DC－DC轉換電路的轉換效率在50%左右，光電池的轉換效率在25~30%左右，激光器應工作在額定功率的70~80%左右，因此，要求激光器的輸出功率在1.5~2.0W比較合適目前半導體激光器市場價格歐美1.8W

10000小時（1.14年）$2500國內2.0W

5000小時（0.57年）￥3000共88頁48光纖傳輸與光纖絕緣子基本設計要求是：允許傳光光纖通過絕緣結構；耐受相應電壓等級的各種過電壓；具有一定的抗振能力；為了體現光電式電流互感器的優點，絕緣結構的設計應盡可能做到體積小重量輕另一種思路：無線傳輸，如GPRS、GSM通訊，缺點：盲區、故障、不獨立共88頁49共88頁50共88頁51共88頁5245678312圖嵌入光纖的合成絕緣子結構１—備用光纖２—可拆卸連接頭３—傳輸光纖4—絕緣子金具５—芯棒６—傘裙7—護套8—硅橡膠共88頁53低壓側接線盒圖接線盒結構示意圖1-外殼、2-進線頭、3-加緊式出線頭、4-固定架、5、6-密封圈、7-固定螺栓、8、9-螺釘、10、11-螺母、12、13-密封圈、共88頁54共88頁55共88頁56信號接收機的主要作用將傳感頭通過光纖傳遞下來的光脈沖信號轉換成電脈沖信號，并進行放大處理。通過兩路處理通道(一路是是采用D/A轉換器的模擬通道，一路是采用計算機處理的數字通道)，對傳輸下來的信號進行處理。輸出IEC標準規定的模擬信號和數字信號共88頁57共88頁58共88頁59信號接收機的組成O/E變換部分(光電轉換)邏輯控制電路部分-提供控制信號信號接收機的模擬通道-數字還原成模擬信號信號接收機的數字通道-將數據采集進計算機分為以下四個部分：共88頁601、O/E變換部分(光電轉換)將傳感頭傳下來的兩組信號：一組是數據信號，另一組是時鐘信號，轉換成電脈沖信號。器件采用PIN光電二極管。放大整形電路將微弱的電信號還原成標準的TTL電平信號。器件采用高精度的比較器。共88頁612、邏輯控制電路將系統的四路時鐘信號和數據信號分離開來，并產生器件要求的時序；送入D/A轉換器和PC機接口卡，分別進行處理。共88頁623、模擬通道-D/A轉換電路將傳感頭傳輸的串行信號轉換為并行數字信號，送入到D/A轉換器件中；通過D/A轉換電路后，輸出的模擬信號共分四路：

一路電流測量通道(來自CT線圈)；二路繼電保護通道(來自Rogowski線圈)；三路電壓監測輸出(用于監測供能電壓)；四路溫度測量輸出(用于監測和誤差校正)。共88頁634、數字通道提供滿足標準要求的數字信號，供二次儀表使用(測量、計量或保護)測量額定值：2D41H(十進制11585)，保證測量2倍額定電流無任何溢出保護額定值：01CFH(十進制463)，保證測量50倍額定電流無任何溢出共88頁64

電子式互感器校驗儀的研制共88頁65電子式互感器校驗儀的研制

傳統互感器校驗儀存在的問題

校驗電磁式互感器的測差式互感器校驗儀不能檢定ECT樣機。電磁式CT的二次輸出為恒流輸出，而電子式電流互感器的二次側輸出是電壓（其中測量通道4V，保護通道200mV）傳統校驗儀不能校驗數字信號。虛擬儀器技術

美國NI公司的LabVIEW軟件及各種功能的采集卡共88頁66電子式互感器校驗儀的原理

信號調理箱將