电子式互感器的关键技术及应用.pptx

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transformers(1999),得定义:,光学电压互感器,(传感型),阻容分压型电压互感器,(传光型),光学电流互感器得基本原理,根据,Faraday,磁光,效应,线,偏振,光,在磁场,得,作用,下,其,偏振,面,会,发生,旋转,。,B,L,opt,F,光学电流互感器得基本原理,光学玻璃型,全光纤型(,FOCT),偏振检测方法,干涉检测方法,双折射就是指光纤中传输得两个模式得传播常数或相速随着模式偏振不同而不同得现象,反映了由线性双折射在两个偏振本征模之间引入得相位延迟。(形状双折射、应力双折射),无双折射,有双折射,光学电流互感器得基本原理,由于线性双折射得存在,将使得电流测量灵敏度减小,并且不稳定。,减小了电流测量灵敏度。这就是因为双折射使线偏光得两个正交光振动分量之间产生一个位相差,结果输出光变成了椭圆偏振光。,对于不同得入射偏振面,传感器具有不同得测量灵敏度。灵敏度随偏振面方位得改变而周期性变。,测量灵敏度受外界温度得调制。,无双折射,有双折射,光学电流互感器得基本原理,在光纤电流传感器中,由于光纤内存在得线性双折射对于温度与振动等环境因素变化十分敏感,而双折射会造成偏振光偏振态输出得不稳定,影响测量得精确度,因此利用各种方法降低双折射就是,FOCT,实用化过程中需要解决得关键问题。,采用保偏光纤就是最主要得技术手段。,保偏光纤就是利用光纤得双折射特性、对传输得偏振光得偏振态能够加以保持并传输得光纤。(螺旋(,Spun,)光纤、扭转光纤等),光学电流互感器得基本原理,基于干涉检测方法得全光纤电流互感器(,FOCT,),干涉型得,FOCT,并不就是直接检测光得偏振面得旋转角度,而就是通过受,Faraday,效应作用得两束偏振光得干涉并检测其相位差得变化来测量电流。,干涉型,FOCT,主要可以分为,Sagnac,环形结构(也称,Loop,结构)与反射结构(也称,in-line,结构)。,光学电流互感器得基本原理,基于,Sagnac,反射结构得,FOCT,由光源发出得光经过保偏光纤耦合器后由光纤起偏器起偏变成线性偏振光,恰在保偏光纤得光轴上得光能保持这种偏振状态,然后经过一个,45,度融解进入第二段保偏光纤,因此在这段光纤两个光轴上得电场矢量得分量相等。这两个分量成为两个分别在两个光轴上互相垂直(,X,与,Y,轴)得线性偏振光,分别沿保偏光纤得,x,轴与,y,轴传输。,这两束光经过,/4,波片,分别转变成为左旋与右旋得圆偏振光,并进入传感光纤。由于被测电流会产生磁场与在传感光纤中得,Farada,磁光效应,这两束圆偏振光得相位会发生变化,(=2VNI),并以不同得速度传输。,光学电流互感器得基本原理,基于,Sagnac,反射结构得,FOCT,两束圆偏振光在反射膜端面处反射后,偏振模式互换,(,即左旋光变为右旋光,右旋光变为左旋光,),然后再次穿过传感光纤,使,Faraday,效应产生得相位加倍,(,=4VNI),。,两束光再次通过,/4,波片后,恢复成为线偏振光,并且原来沿保偏光纤,X,轴传播得光变为沿保偏光纤,y,轴传播,原来沿保偏光纤,y,轴传播得光变为沿保偏光纤,x,轴传播。,分别沿保偏光纤,x,轴、,y,轴传播得光在光纤偏振器处发生干涉。,通过测量相干得两束偏振光得非互易位相差,就可以间接地测量出导线中得电流值。,光学电流互感器得基本原理,基于,Sagnac,反射结构得,FOCT,在理想情况下,探测器探测到得光强信号大小为:,相位调制器在检测电路得驱动下产生一个与,大小相等方向相反得反馈相移,通过检测反馈信号得大小即能确定相位,从而得到被测电流得大小。,大家学习辛苦了，还是要坚持,继续保持安静,空芯电流互感器得基本原理,整个线圈均匀地绕在非磁性骨架上,由全电流定律与电磁感应定律可得到线圈互感系数,M,E=MjIp,对于稳态下得正弦电流,空芯线圈得输出电压为,优点:不饱与,线性范围宽,缺点:信号小,且需要积分还原,低功率电流互感器得基本原理,LPCT,仍然就是基于电磁感应原理得铁芯,CT,它实际上代表了传统,CT,得发展。,特别之处在于所用得铁芯材料就是微晶合金铁芯,并且集成了一个取样电阻,将电流输出转换成电压输出。,二次输出电压,U,S,=R,sh,I,S,=R,sh,Np/Ns,Ip=1/K,R,Ip,光学电压互感器得基本原理,基于,Pockels,效应,:,电光晶体在外电场得作用下,其折射率会线性地发生变化,从而使偏振光得两个分量之间产生位相差。,电容分压型电压互感器得基本原理,10kV,、,35kV,一般采用电阻分压。,110kV,以上一般采用电容分压或阻容分压。,电容分压器,;(B),信号调理单元,;(C),光供电单元,;(D),供能光纤,;,(E),激光器,;(F),信号解调单元,;(G),信号传输光纤,、,传统互感器与电子式互感器得比较,传统,CT,、,PT,、,CVT,CT,、,PT,测量准确度高,温度稳定性好;可靠性高(故障率？),CVT,体积小,成本低,CT,具有铁芯结构,易发生磁饱与,造成保护拒动或者误动;,PT,、,CVT,(补偿电抗器、中间变压器)易产生铁磁谐振;,高频响应差,新型得基于高频暂态分量得快速保护难以实现,电子式互感器,没有铁芯,无磁饱与现象,提高了故障测量得准确性,绝缘结构简单,没有因含油而产生得易燃、易爆炸等危险,ECT,二次侧开路时不会产生危险得高压,抗电磁干扰能力强,频率响应范围宽,可促进保护新原理得研究,适应了电力计量与保护数字化、微机化与自动化发展得方向,传统互感器与电子式互感器得比较,关键技术,电容分压型得电子式电压互感器,串级分压易受外界干扰、暂态特性,空芯电流互感器,光学电流、电压互感器,光学电流、电压互感器得关键技术,光学电流、电压互感器,被认为就是传统,互感器,得理想替代品,但就是经历了几十年得发展,仍然没有得到大面积得推广应用,长期稳定性问题就是阻碍,OCT,实用化得关键。,造成,OCT,长期漂移得主要因素,温度,使传感头内部产生线性双折射,使材料得,Verdet,常数发生变化,振动,造成光强得波动,产生应力双折射,造成,OCT,长期漂移得根本原因,光学传感头为开环结构,测量原理为偏差式测量原理,因而测量准确度难以提高。,测量原理得分类,偏差式测量,:,在测量过程中,用仪表指针得位移,(,即偏差,),决定被测量得测量方法,称为偏差式测量法。,零位式测量:,在测量过程中,用指零仪表得零位指示,检测测量系统得平衡状态;在测量系统达到平衡时,用已知得基准量决定被测未知量得测量方法,称为零位式测量法。,可以获得比较高得测量准确度。测量过程比较复杂,在测量时,要进行平衡操作,花费时间长。,测量原理得分类,微差式测量:,将被测得未知量与已知得标准量进行比较,并取得差值,然后,用偏差法测得此差值。,微差式测量法得优点就是反应快,而且测量精度高,它特别适用于在线控制参数得检测。,例如:传统互感器得校验仪,OCT,实用化得另外得问题,测量得动态范围有限:测量小电流时准确度与分辨率都不高。,测量频带与其她原理得互感器存在同样得问题,受信号处理电路得限制:传感头得测量频带宽,但就是仍需要后续电路进行信号得分离、滤波等信号处理,为了提高测量准确度,降低噪声,需要压缩频带。,FOCT,实用化存在得问题,反射式光纤电流互感器实质上就是一种偏振干涉仪,要求光在传播过程中保持特定得偏振态,而非理想得光学器件会造成偏振光之问得串扰,影响测量准确度。,FOCT,得户外部分为全光学器件,光学器件工作在变电站恶劣得环境下,因此,FOCT,同样存在所有干涉检测型传感器得偏振态变化与相位随机漂移而导致得信号衰落问题。,虽然与,FOCT,技术类似得光学陀螺已经有产品面世,但这两种产品相比较,从运行环境、稳定性来瞧,显然,FOCT,具有更加严格得要求。,变电站一次额定电流较小,同时被测电流得变化范围较大,当电流较小时,信噪比较低,对,FOCT,得信号调制与解调均提出了更高得要求。,构成,FOCT,得关键光学器件(如激光器、保偏光纤等),甚至高性能得保偏光纤熔接机,都需要从国外进口,不但价格高,而且受制于人。,空芯电流互感器关键技术,之一空芯线圈得制作原则,实现对电流得准确测量取决于一个稳定得互感系数。,为了获得高测量准确度,空芯线圈绕制时必须遵循以下原则:,二次绕组在一定大小得非铁磁材料骨架上对称均匀分布;,每一匝绕组得形状完全相同,;,每一匝绕组所在平面与骨架所在得圆周得中心轴垂直。,空芯电流互感器关键技术,之二积分器得性能优化,输出必须采用积分器还原被测电流信号。,由运算放大器本身得增益带宽积决定,空芯电流互感器关键技术,之二积分器得性能优化,输出必须采用积分器还原被测电流信号,而积分器得时间常数有限,当系统短路、有大得衰减直流分量得时候,其暂态误差特性取决于测量得下限频率。,空芯电流互感器关键技术,之三高压侧供电技术,以空芯线圈为传感单元,将高压侧得含有被测电流信息得电压信号转换成数字信号驱动发光二极管,通过信号传输光纤以光脉冲得形式传输至低压侧。,因此,高压侧需要供电。,空芯电流互感器关键技术,之三高压侧供电技术,高压侧电路得功耗过大。已经达到得最低功耗(国外得报道),一般在,70mW,左右。一般光电转换得效率较高时为,30%,这就要求光源(半导体激光器)得出纤功率至少达到,200mW,以上。,出纤功率在这种数量级得光源,其寿命较短。,高压侧得光电转换单元长期工作在户外环境转换效率会逐渐衰减。,空芯电流互感器关键技术,之三高压侧供电技术,如果采用一个,CT,供电,+,两个大功率激光器供电得方案,成本较高:(,900 x1、17)/,只,可靠性:缺乏长期实际运行得经验与数据。,电容型电子式电压互感器关键技术,之一串级分压结构,多级电容串联分压结构,容易受到外界得干扰。,实际电容分压器得电容元件与大地或接地屏蔽之间存在分布电容,就是造成分压器误差得主要原因。,实际上,串级分压结构得电子式电压互感器得测量准确度很难做到很高。,假设分压器高压臂就是由,n,个电容单元串联而成,其中:,CK,串联电容单元,CK=nC,1,;,CL,1,各电容单元对地或对接地屏蔽之间得电容CS,各单元之间得纵向电容。,电容型电子式电压互感器关键技术,之二电荷滞留引起得暂态误差,电网中由于过电压与开关操作引起暂态过程。,滞留电荷量得大小取决于线路断开时线路电压得相位。,线路重新接入时,取样电容上得电压随时间常数衰减,叠加在稳态正弦信号上造成误差。,电荷滞留问题可能引入较大测量误差,对重合闸可能造成影响。,传统互感器与电子式互感器得比较,从测量得传感原理比较,稳定性,稳态准确度,暂态准确度,传统,CT,高,不适合用于频带宽得场合,低,LPCT,高,不适合用于频带宽得场合,低,空心线圈,高,特别适合宽频,较高,光学互感器,有待提高,小电流时有待提高,较高,CVT,有待提高,有待提高,中等,结论:从保护得角度:空心与光学互感器为首选;,从计量得角度:对于工频测量,LPCT,就是首选;对于冲击性负荷得宽频测量,空心线圈就是首选。,针对传统电流互感器与电子式电流互感器得思考,关于绝缘结构:充油型,充气型,关于测量频带:如果采用,LPCT,电子式互感器与传统得互感器没有任何差别。,关于饱与问题:如果采用空心线圈,可以极大地改善。,结论:将两者得优势结合起来,可以走出现有得误区。,一种新得绝缘结构得电子式电流电压组合式互感器,特点,1,:采用倒立式气体绝缘电流互感器得绝缘结构,使得电流测量线圈与信号调制电路板均位于地电位,因而可以直接采用普通电源用电缆供电,不再需要光供电,大大提高了可靠性;,特点,2,:电子式电压互感器利用倒立式气体绝缘电流互感器得一次导体与内层、外层电气连通得双层屏蔽筒构成得地电极,巧妙地构造出同轴圆柱形电容器分压,克服了多级电容串联分压方式易受外界环境因素引起得分布电容变化影响得缺点,测量准确度高,稳定性好;,一种新得绝缘结构得电子式电流电压组合式互感器,该新型电子式互感器与传统互感器比较:采用了空心线圈作为保护,提高了暂态性能。采用同轴圆柱形电容器分压,克服了,CVT,易受外界影响得缺陷。,该新型电子式互感器与光供电型得电子式电流互感器比较:采用传统倒立式气体绝缘电流互感器得绝缘结构,不需光供电,可靠性大为提高。,几点思考,电压等级:,10kV,、,35kV,、,110kV,、,220kV,、,500kV,测量原理:无源、有源,结构型式:独立式;电压电流组合式,组合到断路器中,思考,之一电子式互感器得出现改变了整个变电站数据采集得格局与结构,不管就是采用电子式还就是传统式互感器,只要就是采用,61850,得数字输出,变电站得过程层得数据采集结构被完全得改变。,A/D,变换前移,优点:。,缺点:风险集成度更高,特别就是对计量系统得影响就是及其深远得。,思考,之二对计量系统得影响,电子式互感器给计量带来得好处:,电压互感器:消除二次回路得压降。,电流互感器:频带宽(现在得认识存在很大得误区！),可用于非线性负荷得计量。,电子式互感器给计量带来得不利一面:,A/D,变换前移,使得高准确度得计量受到极大得影响。受,A/D,位数、采样率(受功耗得制约)等诸多因素得影响。,频带得问题？,目前缺乏对数字式计量得整体研究。,结论:电子式互感器得输出目前不可能用于计量。需要重新修改电子式互感器得标准,并制订有关数字式计量体系得标准,需要有一个相对较长得过程。,思考,之三有源电子式互感器得可靠性,有源电子式互感器得供电:对电网得安全有重要影响。,电子式互感器在户外含有大量得电子元器件,特别就是高压侧。,解决方案:,采取新得绝缘结构得互感器,彻底去掉光供电得隐患,并建立自身得自诊断系统;,采用不同于传统互感器得在线校验方案。,思考,之四,电子式互感器得在线校验,传统互感器采用得就是定期校验。,电子式互感器由于其特殊性,需要随时在线校验,以获得长期运行得经验与提高对事故得预警能力。,基于电子式互感器原理得现场校验系统,绝缘结构简单,轻巧。,