电子互感器结构与原理

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1、第 2 章 电子式电流互感器的总体结构与基本原理 2.1 引言 电流互感器是电力系统中计量和继保所需的重要设备，新型的电子式电流互感器以无磁 饱和，测量精度高，响应频带宽等突出的优点而成为研究的热点，根据高压侧部分是否需要 供电，电子式电流互感器（ECT）可分为有源电子式电流互感器和无源电子式电流互感器。 本章就电子式电流互感器的工作原理，总体架构，以及在实用化过程中存在的问题作了分析 和探讨。 2.2 电子式电流互感器的总体结构 根据国际电工委员会提出的标准（IEC60044-8） ，电子式电流互感器（ECT）的通用框图如图 2.1 所示，一次电流传感器产生与一次端子通过电流相对应的信号，它

2、是一种电气、电子、 光学或其他装置。一次转换器将来自一次电流传感器的信号转换成适合于传输系统的信号。 传输系统用于一次部件和二次部件之间传输信号的短距或长距耦合装置。依据所采用的技术， 传输系统也可用以传送功率。二次转换器将来自传输系统的信号转换成正比于一次端子电流 的信号量，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。对于模拟输出型 ECT，二次转换器 直接供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。对于数字输出型电子式互感器，二次转换 器通常接至合并单元再输出至二次设备。电子式电流互感器可分为无源型和有源型两大类， 前者基于光学传感技术，一般是基于法拉第（Faraday）效应等磁光变换原理， 这类

3、互感器直接用光进行信息变换和传输，与高电压电路完全隔离，具有不受电磁干扰，测 量范围大，响应频带宽，体积小及便于数字传输等优点，其特点是在高压侧部分无需电源， 故称为无源电子式电流互感器；后者基于电磁感应原理，如采用无铁心的 Rogoswki 线圈， 这类电子式电流互感器与常规电流互感器较相似，但体积小，暂态响应好，可靠性高，可以 直接以模拟量形式输出，也可将信号数字化后用光纤技术进行信息传送，这样大大简化了互 感器的绝缘结构，适用于高电压系统，这类电子式电流互感器的特点是高压侧有电子电路， 需要有电源对其供电。故称为有源电子式电流互感器。 2.3 无源型电子式电流互感器的工作原理及其结构 光

4、在传播过程中，如果在垂直于光传播方向的平面内，光矢量始终沿一个固定的方向振 动，就称这种光为线偏振光。磁场能使本来不具有旋光性的物质产生旋光性即当一束线偏 振光穿过无旋性介质时，如果在介质中沿光的传播方向施加一个外磁场，光通过介质后，光 的振动面就会转过一个角度，这种现象被称为磁致旋光效应或法拉第效应。对于给定的介质， 振动面的转角与介质的长度 L 及磁场强度 H 成正比： ? ?VHL 。（2.1） 其中，比例系数 V 叫做费尔德（Verdet）常数，由介质和光波波长决定。 磁致旋光效应的旋转方向仅与磁场方向有关，与光线传播方向的正逆无关，这种磁致旋光现 象与晶体的自然旋光现象是不同的。光束

5、往返通过自然旋光物质 时，因旋转角相等方向相反而相互抵消，但通过磁光介质时，只要磁场方向不变， 旋转角都朝一个方向增加，因此，磁致旋光效应是一个不可逆的光学过程。 目前研究较多、实用化程度较高的无源型 ECT 是基于法拉弟磁光效应原理的 电流互感器，即利用法拉弟效应测量光在光纤或磁光物质中传播时受附近电流所 产生的磁场的影响而使光的极化方向发生偏转的原理来测量磁场强度，进而测量 电流。基于法拉弟磁光效应的电子式电流互感器的示意图如图 2.2 所示。无源型 ECT 的特点是系统的线性度好，灵敏度高，绝缘性能好，其难点是精 度和稳定性受温度、振动的影响较大。基于法拉弟效应的 ECT 根据传感头光学

6、结 构的不同，又可分为块状玻璃式、全光纤式、集磁环式等几种，如图 2.3 所示。 块状玻璃型 ECT 中光源经调制与极化变成偏振光，通过光纤引入到具有法拉 弟效应的磁光材料中，光在其内多次反射并被电流产生的同方向的磁场调制，再通过另一条 光纤输入到光电探测器中21，经电子电路处理后完成信号的探测。选 取传感材料时要考虑光学特性，运行范围，稳定性等因素，通常选取 Verdet 常数 大，温度系数小的磁光材料，以提高传感器的灵敏度和温度稳定性。 全光纤型 ECT 中传感和信号传输部分均采用光纤，利用光纤作为磁光材料。 将光纤缠绕在被测电流导线外面，光源产生的激光通过起偏器变成线性偏振光， 然后进入

7、光纤，线性偏振光经过光纤线圈后再经过检偏器分析，然后用光检测器 检测偏转角? ，即可换算出电流。 这种结构的无源 ECT 的优点是结构简单，成本低，受附近其他磁场的影响小， 可用多绕圈数的方法来提高其灵敏度。主要缺点是光纤绕制时其截面上所受的应 力不均匀、扭曲、内部晶体结构变化以及温度变化等因素使通过的光产生双折射 现象，影响 ECT 的测量精度和稳定性19,2224，近年来国外已研究成功将绕制后的 光纤线圈通过高温退火技术以减小双折射现象，25 但在退火后，光纤的外保护层 将受到损坏，需要重新制作外保护层，在制作新保护层时要注意不要将残余的双 折射效应又引入光纤线圈 26 。 集磁环式 EC

8、T 是以一小块磁光材料作为传感元件，并在它周围加一环形的导 磁材料以加强磁光材料中的磁场强度，以增加其测量灵敏度，这种无源 ECT 的传 感头光路比较简单，设备尺寸小，气隙较大，易于实现，但由于存在集磁环铁心， 因此在故障电流下可能存在饱和、磁滞现象。这种 ECT 的测量结果受周围电流的影响，气隙的磁场分布不均匀，测量结果与传感头的位置有关2728。2.4 有源型电子式电流互感器的工作原理及总体结构 有源型 ECT 利用电磁式 CT、分流器或 Rogowski 线圈传感出与被测电流成比例的信号， 通过电光转换后，利用光纤将光信号传送到低压侧，再经过光电转换将电信号汇入合并单位 供二次设备使用。

9、其中基于 Rogowski 线圈原理的有源 ECT 因其测量范围大，线性度好，无 磁饱和等优点而成为研究的热点。这种电流互感器既利用了光纤系统提供的高绝缘性的优点， 显著降低了电流互感器的制造成本、体积和重量，又充分发挥了被电力系统广泛接受的常规 CT 测量装置的优势，同时还避免了无源 ECT 传感头光路的复杂性及全光纤传感头线性双折 射、块状玻璃全反射相位差等技术难点。但有源 ECT 因为高压侧有信号处理电路，故必须 要有一个稳定的供电系统才能正常工作。有源 ECT 主要由传感头，高压侧数据采集单元， 信号传输系统，合并单元，高压侧电源组成。图 2.4 是采用光供电的有源型 ECT 的结构图

10、。2.4.1 Rogowski 线圈传感头 有源型 ECT 的传感头一般采用 Rogowski 线圈。Rogowski 线圈测量电流是依据全电流的电 磁感应原理，实质上是一组导线线圈缠绕在一个非磁性骨架上组成的。因为无铁磁材料，故 传感器没有磁饱和现象，即使被测电流的直流分量很大，它也不饱和，线性度好29。其结 构如图 2.5 所示，当线圈的结构一定时，线圈的互感 M 为一常量，测量线圈所交链的磁链 与穿过 Rogowski 线圈限定面的电流成正比。不论线圈截面为何种形状，Rogowski 线圈均 有：即感应电势 e 与一次侧电流变化率成正比，相位相差 900 。与传统电磁式互感器相比，基于

11、Rogowski 线圈原理的 ECT 具有很多的优点： （1）测量准确度高，可优于 0.1%； （2）测量范围宽，可测量的电流范围可从几安培到几千安培； （3）频率范围宽，根据不同要求可设计到 0.1Hz 到 1MHz，特殊的可设计到 200MHz，其低 频电流测量等效电路图如图 2.6 所示； （4）可以测量其他技术不便使用的受限制领域的大电流；（5）不含铁心，暂态性能好； （6）绝缘性能好，造价低； 2.4.2 高压侧数据采集单元 在有源 ECT 的传感头位于高压侧，如果将其输出的原始信号通过电缆输送到低压侧处 理，电磁干扰将会直接影响测量结果的准确性。因此，应在高压侧利用数据采集系统将传

12、感 头输出的模拟信号转换成数字信号，然后经由光纤传输到低压侧。这样既保障了高压侧与低 压侧的电气隔离，又有效地减小了电磁干扰对测量结果的影响3031。 根据电子式电流互感器输出信号的特点及相关标准对信号传输的要求，可以将高压侧数 据采集单元分为信号调理和逻辑控制电路两个部分，其主要的功能是：逻辑控制电路在接收 到低压侧合并单元发送的同步采样命令后，启动信号调理模块对 Rogowski 线圈输出的二次 电压信号进行高速采样，并将采样值组帧编码，经电光转换（E/O）变成光信号，通过光纤 向低压侧的合并单元传输。其结构框图如图 2.7 所示。设计中选用 ADE7759 芯片来实现信 号的采样及调整的

13、功能，ADE7759 是 AnalogDevice 公司生产的一款功能先进的能量计量芯 片。内部集成了两个二阶的? ? 型模数转换器（ADC） ，两个模拟信号通道：电流通道 （CH1）和电压通道(CH2)。在电流通道上有一个数字积分器，能够直接接到 Rogowski 线圈 电流传感器，从而省去了外部的模拟积分器，能够保证长时间的稳定性和电流、电压通道之 间的精确相位匹配。该数字积分器具有-20dB/dec 的衰减和大约-90的相移。在 40 Hz70 Hz 范围内幅频、相频响应较理想，相位随频率的波动可以忽略，且性能稳定。在实际应用 时，一个逻辑控制电路模块需要接入多个信号采样及调整模块，这就

14、要求逻辑控制电路有较 多的 I/O 口可供配置。同时，在计算被测一次电流时需要对 Rogowski 线圈二次电压信号 的采样值进行积分；ADE7759 的信号采样率选用 14kSPS，高采样率可以提高积分的精度， 还能简化 ADC 的前置电路的设计。 一般的单片机难以满足要求，采用现场可编程门阵列（FPGA）不仅能够很好地解决上述 问题，还能够方便地对数据信息进行编码传输。逻辑控制电路模块利用 FPGA 控制 ADE7759 进行信号采样及相应的处理，然后从 ADE7759 中读出电流、电压信号的采样值，送入到数 据排序模块中进行排序输出，经过组帧编码模块将数据变成曼彻斯特码输送到电光转换模块

15、。2.4.3 信号传输系统 把高压侧采样的数字信号传送到低压侧，目前普遍采用光纤技术来传送。采用光纤传送 信号具有如下优点： （1）抗电磁干扰及抗共模干扰能力强； （2）高低压侧隔离性能好，低压侧负载对高压侧无影响； （3）响应时间短、精度高； （4）传输损耗低。光纤一方面用来传输被测电流信号的数据信息，另一方面保障了高压侧与低压侧的电气 隔离，有效地减小了电磁干扰对测量结果的影响。设计中光发送器选用 HBFR-1414 型光电 模块，光接收器采用 HBFR-2412 型光电模块。其发送波长为 820nm，传输数率为 5MBd，传 送距离为 2000m，选用 62.5/125m 多模玻璃光纤连

16、接。光纤传输的接口示意图如图 2.8 所示。高压侧数据采集单元采样的数据信息经 HBFR-1414 转换为光信号，通过光纤传输到低压侧 合并单元中的接收器 HBFR-2412，经过整形放大之后转换成和 TTL 电平兼容的脉冲信号输 出，便于后级电路对数据信息的处理。 2.4.4 合并单元 合并单元（MergingUnit，简称 MU）是电子式电流互感器重要组成部分，它连接了电子 式电流互感器二次转换器与变电站二次设备（同时也用于电子式电压互感器） 。采用一台合 并单元（MU）可汇集多达 12 个二次转换器数据通道。一个数据通道承载一台电子式互感器 或一台电子式互感器采样测量值的单一数据流。在多相或组合单元时，多个数据通道可以通 过一个实体接口从二次转换器传输到合并单元。合并单元对二次设备提供一组时间相干的电 流和电压样本。二次转换器也可从常规电压互感器或电流互感器获取信号，并可汇集到合并 单元。合并单元的主要功能是同步采集三相电流电压输出的数字信息并汇总按照一定的格式 输出给二次保护控制设备。合并单元与二次设备的接口是串行单向多路