383编号文献翻译 组合数字电子式电流和电压传感器

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1、 黄河科技学院毕业设计( (文献翻译) ) 第 1 页 组合数字电子式电流和电压传感器 作者：段雄英、邹积岩、廖敏夫、张可卫 摘 要 在电力系统中已开发出高性能的电流和电压测量系统。该系统由两部分组 成：电流测量元件和电压测量元件。洛高夫斯基线圈和电容分压器分别用于为线 电流和电压测量。 有源电子元件是电流互感器进行在线检测时为这些组件信号调 制并提供电源的。测量信号通过光纤传输，光纤可以抗电磁干扰和噪声干扰。通 过精细的设计和对数字信号处理技术的应用，整个系统的精度可以达到 0.5%， 配以高精度的供继电保护设备可提供较大范围的动态检测。 关键词：电子式电流传感器（ECT） ，电子电压互感器

2、（EVT） ，洛高夫斯基 (Rogowski)线圈，电容分压器（CVD） ，光纤 1 简 介 电流和电压测量在测光、保护和电力系统控制中起着重要作用。随着电力系 统的发展，传统的电流互感器（CT）和电压互感器（PT）有着不能容忍的缺点 ： 绝缘结构成本高且模式复杂，CT 的饱和效应和 PT 的铁磁谐振效应等影响。在 过去的二十年中，大多兴趣投入在光学电流互感器（OCT）和光学电压互感器 （OPT）的研究中。最常见的类型有利用法拉第效应的 OCT 和利用普克尔斯效 应的 OPT， 它们都是使用光学晶体的传感器。 尽管一些成功的现场试验已经完成， 但在商业产品中 OCT 和 OPT 还不能实现量产

3、，因为 OCT 和 OPT 很容易受到环 境温度和机械扰动13。近年来，丽思（Ritz）公司开发的以结合电子式电流和 电压传感器利用洛高夫斯基 （Rogowski） 线圈和电容分压器分别作为传感器线电 流和电压测量4。基于这一概念，一种新型电流和电压测量数字系统被开发出来 了。 黄河科技学院毕业设计( (文献翻译) ) 第 2 页 2 系统结构 数字电流互感器的概念已经提出了近半个世纪， 但因电子元件及常规继电保 护和测光模式的限制使其没有得到很好的发展。 可是现在基于数字技术及信息网 络的继电保护和独占地测光系统操作正在被广泛应用于配电系统。 各种具有特殊 功能的集成芯片投入市场。 所有这些

4、都可能使电子 CT 和 PT 产品基于数字调制。 合并后的电流和电压测量系统框图如图 1 所示。洛高夫斯基(Rogowski)线圈 是用于使电流测量和电力 CT 符合电力线的。洛高夫斯基(Rogowski)线圈纳入有 源电子元件组成了整个电流变送器。 这种发射器生成信息描述性测量电流和光信 号编码。 整个电流发射器和电源部分都被放到一个抗电磁干扰 （EMI） 的铁盒中。 空心陶瓷绝缘体用于维持系统的高电压的一部分。 无论是光纤承载的电流信号还 是电容分压器都为通过绝缘体的电压传感器使用。 电容分压器的电压信号也在绝 缘体的底部调制成光信号。 接着电流信号和电压信号通过光纤传输到测光和继电 保护

5、远程控制室内。 图 1 组合电子式电流和电压测量系统 3 电流和电压传感器 黄河科技学院毕业设计( (文献翻译) ) 第 3 页 在此，提出了一种洛高夫斯基（Rogowski）线圈式电流传感器。Rogowski 线圈，这是一个电感无磁环形口，已用于测量电流一段时间5。图 2 所示为一个 矩形截面 Rogowski 线圈。 Rogowski 线圈是基于载流导体的放置，线圈产生一个电压 E 成正比，线圈 交互 M 和电流变化的的速度为：/di dt (1) ( ) ( ) di t e tM dt 由式(1)得： (2) 1 ( )( )i te t dt M 要获取电流测量值，线圈的输出电压必须

6、是完整的。这可以通过两种常见的 方法：（1）电子积分器的使用;（2）在使用数值积分软件之后线圈的输出电压 是数字化的。本文图 3 所示为积分器。该积分器的输出为: (3) 0 1 i vVdt RC 其中，Vi 是 Rogowski 线圈的输出从目前可以得到以下等式： (4) 0 M Vi RC 因为没有铁芯饱和，Rogowski 线圈有广泛的测量范围。同样的线圈可用于 测量从几安培至数百千安培的电流。此外，他们具有较高的测量精度，也就是说 可以精确至 0.1%6，而且它对温度不敏感。电容分压器（CVD）技术已被广泛 应用于高压电力系统。影响 CVD 测量精度的主要因素是杂散电容和电容的温度

7、系数。精密电容分压器技术用于提高测量精度。有效减小杂散电容的方法是全速 淡化分频器高度。本文中，主要是以充满绝缘油的绝缘体来尽量减少它的高度。 通过这种方法，杂散电容分压器可以保持在较低水平，且位于高压臂中的具有相 同的温度特性的串联电容器可以被大大改善。 分压器终端置顶一个屏蔽电极以补 偿杂散电容的影响。 将电子电压互感器（EVT）中 CVD 放在室外，强烈的温度变化可能影响分 压器的误差。 正如微处理器基础系统中的传感器一样， 在 EVT 中的 CVD 是不同 于常规 CVD 的。因其负荷小的特点，故如图 4 所示,特殊结构的 CVD 可以消除 黄河科技学院毕业设计( (文献翻译) ) 第

8、 4 页 温度的影响。 分压器是由具有相同的电介质、规模、价值和温度系数的 m+n 个电容器 Ci 组成的。m 个电容器串联在系统中的值 C1得满足高压臂中的要求：， 1 / i CCm 低压臂中的电容值 C2 是由并联电路得出的 C2=nCi, 那么分压比 K为: (5) 21112 /()1/(1)KUUCCCmn 电容值 C1由于温度变化变为 Ci +C1，这时分压比 K是: K=C1/(C1+C2) =(1/m)(Ci+C1)/(1/m)(Ci+C1)+n(Ci+C1) =1/(mn+1) (6) 由式 5 和式 6 可知 K= K，通过这种方式，所有具有相同参数的电容 Ci都 可以消

9、除温度对分频比率的影响。 4 信号处理 如图 5 所示为一个信号处理框图。现在市场上发售有许多特殊的 A / D 芯片 黄河科技学院毕业设计( (文献翻译) ) 第 5 页 在。有多种方式可以从一个远程发射点传达测量信息。电压频率调制是一个纯粹 的数字技术，它可以提供无差错和无干扰的传输，因此，最适合在电力系统中使 用。这项技术的基本概念是把测量信号转换成 PFM（脉冲频率调制）信号，其 测量信号的频率偏差与电流或电压的大小成线性正比。 图 5 信号处理系统 式 7 阐述了这种关系： (7) 0max0 () ( )FFk FF u t 其中 F0 是输入直流电压偏移设置的基本频率，系数 k

10、是取决于实际电路。 LED（发光二极管低） 直接由频率脉冲驱动， 然后信号调制成光脉冲。 与 LED 匹配的光纤传输窗口具有 850nm 的中心波长。 200m 多模光纤用来传输光信号。 控制室接收器是一个光电二极管，即用于重建电频率脉冲的驱动放大器，之后把 频率信号发送到计算机用于解调。 由时间 到其实是一个完整的频率信号计数过程，并且计数值 Y j i 为： i t j t 0max00max0 ()( )()()( ) jjjj iiii tttt jiji tttt YFdtF dtk FFu t dtF ttk FFu t dt Yji 是由计数器获取的，所以： 0 max0 ()

11、( ) () j i t jiji t YF tt u t dt k FF 黄河科技学院毕业设计( (文献翻译) ) 第 6 页 （8） 式 8 是由 到的输入脉冲信号的积分值, 它等于由信号曲线包围的面积 i t j t 值。如果输入信号的微小变化保持在 与 之间, 或者采样时间= 足够 i t j t C T j t i t 短，其点的值可以是一个近似值。 j t ( ) ( ) j i t t j ji u t dt u t tt （9） 由式 8 和 9，我们可以得到： 0 max0 () 1 ( ) () jiji j ji YF tt u t ttk FF （10） 整合延迟效果所

12、造成的错误，可以通过软件进行修改。由于该系统采用光纤 传输数字信号，所以它是抗电磁干扰。 5 线电位编码器电源 使用光纤实现高低电压间的绝缘，但在高电压上仍有些电源问题。有三种方 法可以设计一个电流驱动的电力供应：电池，电流互感器，和光功率。常见的是 电池的工作寿命为 510 年，平均修复时间为 3 年，动力系统中是不行的。更重 要的是，大尺寸的电池和其复杂的浮点充电电路是不可取的。一些先进的电池成 本高，如锂或光电池成为应用的障碍。在此提出了一种特殊设计的辅助 CT 是用 来直接从生产线上获取能量的。这种高压 CT 的绝缘要求要比那些常规 CT 更简 单，并且输出功率低，所以它比常规 CT

13、要小的多。 在电源 CT 设计中应该考虑两个关键问题。首先，电力 CT 应为线电流尽提 供可能低的所需的电压和电流，也就是，在该系统运行中实测线电流有一个最低 值。其次，在故障电流中，电源 CT 能吸收多余的能量成为供应电子元器件的稳 定力量， 且其本身不会被电场力所破坏。 该电源系统的示意图如图 6 所示。 从图 6， 我们可以得到的： 黄河科技学院毕业设计( (文献翻译) ) 第 7 页 0 1 11 1/ L Z UZ （11） 其中，Z0-控制阻抗，Z1-负载阻抗，I-线电流， -负载电压。 L U 为了使负载电压是常量，那么 Z0必须随线电流 I 的变化而变化，也就是 L U 说，如

14、果我们能够设计出随线电流 I 变化的控制阻抗电路，我们可以得到一个稳 定的高能量输出功率的电子元件。图 7 说明了电源的设计运行原则。能量由电源 CT 获得。起初，电源稳压电路是唯一施加在电源变压器的次级绕组的负载。当 所有的稳压电源电压是指定的值时，当前分支电路是停止电力供应的进一步补 充。通过这种设计方法，该系统可以正常工作在 5到 20 的额定电流（400A） 。 6 系统性能 用综合电子式电流和电压传感器的单导线施工原型为 110KV 电力系统进行 测试，初步测试结果概述如下：电子式电流传感器在室温下的比率的误差特性如 图 8 所示。 纵轴表示比率误差，而横轴表示初级电流流向导体。这一

15、数字表明 RMS （均方根方）的光接口输出波形的值和初级电流作为衡量一个 0.2 级线圈型 CT 的 RMS 的波形的值的关系。Rogowski 线圈的输出设计为 400mV 相对应的初级 黄河科技学院毕业设计( (文献翻译) ) 第 8 页 电流 400 A 的变动率，和积分器的参数为：R= 10k 的中，C =0.1F 的。由数 字可以看出 ECT 的比率误差范围为1.0。如上所述，通过软件解调信号，可 以很方便地利用数字信号处理技术进行错误修改， 并有望获得更高的测量精度为 0.5。测量电流的相位误差要好于 20 分钟时电流过载 50Hz 的 20。图 9 显示 电压传感器的测试结果。无论是高压电容器系列和低电压电容器聚丙烯电容器。 该测试是在室温下执行的。这一数字表明在控制室的光纤接口输出波形的 RMS 值和 0.2 级