電流互感器分類及原理

電流互感器分類及原理電流互感器分類及原理1、電流互感器(CurrentTransformer，CT)電力系統(tǒng)電能計(jì)量和保護(hù)控制的重要設(shè)備，是電力系統(tǒng)電能計(jì)量、繼電保護(hù)、系統(tǒng)診斷與監(jiān)測(cè)分析的重要組成部分，其測(cè)量精度、運(yùn)行可靠性是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的前提。目前在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的是電磁式電流互感器。2、電流互感器國(guó)標(biāo)(GB1208-87S)1）準(zhǔn)確級(jí)：以該準(zhǔn)確級(jí)在額定電流下所規(guī)定的最大允許電流誤差百分?jǐn)?shù)標(biāo)稱。2）測(cè)量用電流互感器的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確級(jí)有：0.1、0.2、0.5、1、3、5；特殊要求的電流互感器的準(zhǔn)確級(jí)有：0.2S和0.5S；保護(hù)用電流互感器準(zhǔn)確級(jí)有：5P和10P兩級(jí)。3、電磁式電流互感器1）原理：一次線圈串聯(lián)于被測(cè)電流線路中，二次線圈串接電流測(cè)量設(shè)備，一二次側(cè)線圈繞在同一鐵芯上，通過(guò)鐵芯的磁耦合實(shí)現(xiàn)一次二次側(cè)之間的電流傳感過(guò)程。一二次側(cè)線圈之間以及線圈與鐵芯之間要采取一定的絕緣措施，以保證一次側(cè)與二次側(cè)之間的電氣隔離。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合以及被測(cè)電流大小的不同，通過(guò)合理改變一二次側(cè)線圈匝數(shù)比可以將一次側(cè)電流值按比例變換成標(biāo)準(zhǔn)的1A或5A電流值，用于驅(qū)動(dòng)二次側(cè)電器設(shè)備或供測(cè)量?jī)x表使用。2）缺點(diǎn)：①.絕緣要求復(fù)雜，體積大，造價(jià)高，維護(hù)工作量大；②.輸出端開(kāi)路產(chǎn)生的高電壓對(duì)周圍人員和設(shè)備存在潛在的威脅；③.固有的磁飽和、鐵磁諧振、動(dòng)態(tài)范圍小、頻率響應(yīng)范圍窄；④.輸出信號(hào)不能直接和微機(jī)相連，難以適應(yīng)電力系統(tǒng)自動(dòng)化、數(shù)字化的發(fā)展趨勢(shì)。4、電子式電流互感器1）特征：①.可以采用傳統(tǒng)電流互感器、霍爾傳感器、空心線圈（或稱為Rogowskicoils）或光學(xué)裝置作為一次電流傳感器，產(chǎn)生與一次電流相對(duì)應(yīng)的信號(hào)；②.可以利用光纖作為一次轉(zhuǎn)換器和二次轉(zhuǎn)換器之間的信號(hào)傳輸介質(zhì)；③.二次轉(zhuǎn)換器的輸出可以是模擬量電壓信號(hào)或數(shù)字量。2）分類（1）按傳感原理的不同劃分：光學(xué)電流互感器和光電式電流互感器I、光學(xué)電流互感器(OpticalCurrentTransformer，簡(jiǎn)稱OCT)原理：傳感器完全基于光學(xué)技術(shù)和光學(xué)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。II、光電式電流互感器(Opto-ElectronicCurrentTransformer，簡(jiǎn)稱OECT)原理：傳感部分采用電子器件而信號(hào)的傳輸采用光學(xué)器件和光學(xué)技術(shù)，是光電子技術(shù)的結(jié)合。（2）按傳感側(cè)是否需要電源劃分：無(wú)源型電流互感器和有源型電流互感器I、無(wú)源型電流互感器：光學(xué)電流互感器的傳感和傳輸部分均采用無(wú)源光學(xué)器件，其利用Farady磁光效應(yīng)，傳感和傳輸信號(hào)都是來(lái)自二次側(cè)的光信號(hào)，一次側(cè)不需要額外能量供給。因此光學(xué)電流互感器屬于無(wú)源型電流互感器。II、有源型電流互感器：一種基于傳統(tǒng)電流傳感原理、采用有源器件調(diào)制技術(shù)、由光纖將高壓端轉(zhuǎn)換得到的光信號(hào)傳送到低壓端解調(diào)處理并得到被測(cè)電流信號(hào)的新型電流互感器、由于其電路需要工作電源，故稱為有源式光電電流互感器。因此光電式電流互感器屬于有源型電流互感器。國(guó)際電工委員會(huì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，按照傳感機(jī)理將其分為三類：光學(xué)電流互感器、低功率電流互感器、空芯電流互感器。3）國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀：4）優(yōu)點(diǎn)：①.優(yōu)良的絕緣性能，造價(jià)低；②.不含鐵芯，消除了磁飽和等問(wèn)題；③.抗電磁干擾性能好，低壓側(cè)無(wú)開(kāi)路高壓危險(xiǎn)；④.頻率響應(yīng)范圍寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍大；⑤.無(wú)易燃、易爆炸等危險(xiǎn)；⑥.積小、重量輕，給運(yùn)輸和安裝帶來(lái)很大方便；⑦.適應(yīng)電力計(jì)量與保護(hù)數(shù)字化、微機(jī)化和自動(dòng)化發(fā)展的潮流；⑧.節(jié)省大量貴重金屬材料，對(duì)保證電力設(shè)備的運(yùn)行安全具有極其重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。5）主要問(wèn)題（1）無(wú)源電子式存在的問(wèn)題：①.溫漂問(wèn)題。工作環(huán)境溫度變化導(dǎo)致Faraday磁光材料發(fā)生雙折射現(xiàn)象，雙折射對(duì)輸出光強(qiáng)產(chǎn)生影響，降低了系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度而無(wú)法滿足電力系統(tǒng)計(jì)量的要求。②.長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性問(wèn)題。采用雙層光路傳感結(jié)構(gòu)的塊狀玻璃式無(wú)源電子式電流互感器運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間之后，輸出光強(qiáng)明顯減弱，最終失去測(cè)量電流的功能。（2）空心線圈有源電子式存在的問(wèn)題：①.線圈的結(jié)構(gòu)及制造工藝對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度影響很大。普通空心線圈的設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度最高可達(dá)0.1%，實(shí)際應(yīng)用時(shí)僅為1～3%，批量生產(chǎn)時(shí)分散性較大。②.線圈和一次母線的相對(duì)位置變化對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度有一定的影響，其程度取決于線圈的結(jié)構(gòu)、制造工藝以及相對(duì)位置變化的大小。③.環(huán)境溫度變化對(duì)線圈截面積的變化；④.工作環(huán)境中復(fù)雜強(qiáng)大的電磁干擾。解決方法：用金屬薄片包住測(cè)量線圈⑤.振動(dòng)使線圈與母線相對(duì)位置發(fā)生變化。解決方法：將整個(gè)傳感部分采用高壓絕緣導(dǎo)熱材料澆注密封，形成一體化結(jié)構(gòu)。5、電子式電流互感器—光學(xué)電流互感器(OCT)：1）基于法拉第效應(yīng)的光學(xué)電流互感器：利用法拉第磁光效應(yīng)進(jìn)行電流傳感的磁光玻璃型電子式電流互感器，其特點(diǎn)：一次傳感器為磁光玻璃，無(wú)需電源供電。其示意圖如下：基于法拉第效應(yīng)的光學(xué)電流互感器示意圖2）法拉第磁光效應(yīng)：法拉第磁光效應(yīng)原理示意圖如果通過(guò)一次導(dǎo)線的電流為i，導(dǎo)線周圍所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為H，當(dāng)一束線偏陣光通過(guò)該磁場(chǎng)時(shí)，線偏陣光的偏振角度會(huì)發(fā)生偏振，其偏振角θ的計(jì)算公式為：LVHdlθ=?式中：V為磁光玻璃的verdet常數(shù)，L為光線在磁光玻璃中的通光路徑長(zhǎng)度。3）法拉第磁光效應(yīng)在電子式電流互感器中的應(yīng)用：無(wú)源磁光玻璃型電子式電流互感器在電子式電流互感器中將L設(shè)計(jì)為環(huán)路，由法拉第磁光效應(yīng)原理，則：LVHdlθ=?根據(jù)安培環(huán)路定律，在環(huán)路中LIVHdl=?可推出：VIθ=根據(jù)馬呂斯定律，在圖中：()210sinJJα?θ=+()220cosJJα?θ=+式中：0J為輸入光強(qiáng)1J、2J為經(jīng)檢偏器分出的兩條光強(qiáng)α為光路中的光強(qiáng)衰減系數(shù)?為起偏器與檢偏器夾角（為常數(shù)）則：()()1212/JJJJ-+=()cos2?θ-+=()sin2θ=()sin2VI2VI≈則可得出：()12122JJIVJJ-=+4）二次處理系統(tǒng)模塊和接口連接模塊：二次處理系統(tǒng)模塊模擬接口連接模塊數(shù)字接口連接模塊5）基于法拉第效應(yīng)的光學(xué)電流互感器的缺點(diǎn)：①.由于目前尚沒(méi)有高精度側(cè)量偏振面旋轉(zhuǎn)角度的檢側(cè)裝置，所以通常采用檢偏器將線偏振光的偏振面角度變化的信息轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)變化的信息，然后通過(guò)光電管將光強(qiáng)度信號(hào)變成電強(qiáng)度信號(hào)，以便于檢測(cè)和處理；②.要求磁光晶體傳感頭具有較穩(wěn)定的作條件，傳感頭能夠在外界應(yīng)力、溫度等條件變化的情況下保持較穩(wěn)定的verdet常數(shù)；③.對(duì)系統(tǒng)的電子電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求也較高。6）基于光纖干涉效應(yīng)或全光纖效應(yīng)的全光纖電流互感器全光纖型光電電流互感器：其信號(hào)傳感和傳輸部分都采用光纖。優(yōu)點(diǎn)是傳感頭結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，比基于法拉第效應(yīng)的磁光式電流互感器容易制造，精度、壽命及可靠性也比較高。但缺點(diǎn)是這種互感器需要的是比較特殊的保偏光纖，否則線偏振光進(jìn)入光纖后會(huì)很快變成任意偏振方向的光，對(duì)信號(hào)測(cè)量產(chǎn)生很大影響，而要做出有高穩(wěn)定性的保偏光纖很困難，造價(jià)比較高，阻礙了這種電流互感器的實(shí)用化進(jìn)程。6、電子式電流互感器—基于羅柯夫斯基（Rogowski）線圈的空芯電流互感器基于Rogowski線圈空芯電流互感器示意圖1）基本原理：Rogowski線圈是一個(gè)由漆包線繞制的非磁性環(huán)形空心螺線管。被測(cè)量的載流導(dǎo)體從空心線圈的中心軸垂直線圈平面穿過(guò)，則在線圈兩端感應(yīng)出正比于被測(cè)電流對(duì)時(shí)間微分的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。按照線圈截面形狀分：圓形截面Rogowski線圈、矩形截面Rogowski線圈。圓形截Rogowski線圈矩形截面Rogowski線圈2）優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：①.測(cè)量精度高：精度可設(shè)計(jì)到高于0.1%，一般為0.5%-1%②.測(cè)量范圍寬：沒(méi)有鐵心飽和，繞組可用來(lái)測(cè)量的電流范圍可從幾安培到幾千安培③.頻率范圍寬：一般可設(shè)計(jì)到0.1Hz到1MHz，特殊的可達(dá)200MHz的帶通④.可測(cè)量其它技術(shù)不能使用的受限制領(lǐng)域的小電流⑤.生產(chǎn)制造成本低3）制作Rogowski線圈的注意事項(xiàng)①.互感M足夠大，提供的信號(hào)超過(guò)可能存在的干擾電平，但同時(shí)線圈繞組輸出電壓不能過(guò)大，以免擊穿線圈匝間絕緣。②.為了達(dá)到高的精確度，骨架截面做成圓形。骨架的半徑不能太大。③.骨架精加工，截面積均勻，線匝均勻密繞并與磁通方向垂直。這樣制作的線圈為無(wú)定向結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜外界磁場(chǎng)下也能夠準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)電流，且母線在線圈內(nèi)的相對(duì)位置變化時(shí)引起的誤差足夠小。④.線圈外加一層金屬屏蔽，以減少外加雜散磁場(chǎng)的影響。屏蔽層不可以形成回路，否則將沿屏蔽層形成環(huán)流，對(duì)一次側(cè)電流形成的磁場(chǎng)起抵消作用。⑤.考慮到長(zhǎng)期運(yùn)行、外界環(huán)境對(duì)溫度穩(wěn)定性的要求，選用熱膨脹系數(shù)盡可能小的材料制成骨架。⑥.選用的漆包線不能過(guò)細(xì)，以免繞制過(guò)程中發(fā)生斷線。⑦.骨架直徑尺寸大于10倍的線圈厚度。4）影響Rogowski線圈測(cè)量精度的因素①.Rogowski線圈的電阻R，任何造成電阻R改變的因素都是傳感部分的誤差來(lái)源。選擇大的采樣電阻R，有助于減小它對(duì)測(cè)量的影響。②.Rogowski線圈的互感M，它與它與線圈的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，環(huán)境的擾動(dòng)（如振動(dòng)引起結(jié)構(gòu)松散或溫度引起的熱脹冷縮）將改變這一參數(shù)，引起誤差。在繞制Rogowski線圈時(shí)盡量使結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、緊密，從而增強(qiáng)線圈適應(yīng)環(huán)境變化的能力。采取這些措施，線圈的測(cè)量精度可以達(dá)到0.1%。③.被還原的電流大小，還與電路電阻、電容、放大器基準(zhǔn)電壓等有關(guān)，任意參數(shù)改變都產(chǎn)生誤差，參數(shù)的變化主要是由元件的溫度漂移引起的，所以應(yīng)該選用溫度穩(wěn)定性好的元件，電阻采用精密電阻，電容采用云母電容。5）壓頻轉(zhuǎn)換式有源型電流互感器壓頻轉(zhuǎn)換式：采樣線圈將流過(guò)母線的電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過(guò)壓頻轉(zhuǎn)換電路，即V/F轉(zhuǎn)換部分，經(jīng)過(guò)V/F轉(zhuǎn)換后電壓的變化將轉(zhuǎn)換為脈沖頻率的變化。電脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)電光變換器件(E/O變換)后，變?yōu)楣庑盘?hào)，經(jīng)過(guò)光纖傳到低壓端，低壓端的光電轉(zhuǎn)換器件(O/E轉(zhuǎn)換)將光信號(hào)還原成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)頻壓轉(zhuǎn)換電路即那轉(zhuǎn)換部分后，通過(guò)信號(hào)處理單元最后進(jìn)行顯示，其示意圖如下。壓頻轉(zhuǎn)換式電流互感器的示意圖壓頻轉(zhuǎn)換式電流互感器的主要優(yōu)點(diǎn)是①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。②精確度和抗干擾性能比較高。③比較適合信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸。④可以減少低壓端和高壓端之間連接光纖的數(shù)量。⑤集成化V/F,F/V轉(zhuǎn)換芯片ADVFC32，但正常工作功耗較大，使整個(gè)系統(tǒng)的起始工作的最小電力母線電流變大，減小了系統(tǒng)的測(cè)量范圍。6）A/D轉(zhuǎn)換式有源型電流互感器A/D轉(zhuǎn)換式：整個(gè)系統(tǒng)分為高壓端和低壓端兩個(gè)部分。高低壓端之間采用光纖進(jìn)行連接，高壓端包括采樣線圈、積分電路、高壓端供電電源、A/D轉(zhuǎn)換、時(shí)序電路和E/O轉(zhuǎn)換等模塊。低壓端包括O/E轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理電路等模塊。高壓端將采樣線圈取得的電壓信號(hào)送入電子轉(zhuǎn)換電路中，電子轉(zhuǎn)換