10 kV无源电子式电流互感器的输出特性研究及应用分析

丁永生　冯娟　李自清

摘   要：在传统技术中，电力网络中使用有源电子式电流互感器存在很多问题，诸如温漂较大、长期运行稳定性较大、温度变化较大、电磁波谐振等。这些因素将影响电力设备运行的精度和准确性，并且传统技术中采用罗氏线圈等有源互感器，由于线圈体积、重量都比较大，造成电路负荷较大。为此，采用无源电子式电流互感器，通过对其工作原理进行介绍，建立了应用数据模型，对信号处理、算法实现、输出特性进行了分析。并从原理上利用全光纤型传感器，通过分压模型将电路中的高压转换为低压，并对电子线路中输出信号进行积分、滤波、调幅、相位补偿运算，提高了信息输出的纯洁性。实验表明，采用电子式电流互感器能够降低了电力设备应用的误差。

关键词：电力网络;电子式电流互感器;有源互感器;全光纤型传感器;分压模型

中图分类号：TM452                                     文献标识码：B

Research on Output Characteristics and Application Analysis of

10 kV Passive Electronic Current Transformer

DING Yong-sheng1 ，FENG Juan2，Li Zi-qing1

（1. State Grid Electric Power Research Institute Co.，Ltd.，Nanjing，Jiangsu 211000，China;

2. Shagnhai Zhixin Electric Co.，Ltd.，Shanghai 200335，China）

Abstract：In the traditional technology，there are many problems in using active electronic current transformers in power networks，such as large temperature drift，long-term operational stability，large temperature changes，electromagnetic wave resonance，etc. These factors will affect the operation of power equipment. Accuracy and accuracy，and the use of active transformers such as Rogowski coils in the conventional technology，due to the relatively large volume and weight of the coil，resulting in a large circuit load. Aiming at this problem，passive electronic current transformer was adopted in this paper，through the introduction of its working principle，the application data model was established，and the all-fiber sensor in principle is used to convert the high voltage in the circuit to low voltage through the partial pressure model. And integrate，filter，amplitude-modulate，and phase-compensate the output signals in the electronic circuit to improve the purity of the information output. Tests have shown that the use of electronic current transformers can reduce the error of power equipment applications.

Key words：power network;electronic current transformer;active transformer;all-fiber sensor;partial pressure model

電流互感器（CT ）在电力系统中具有重要的作用，其在结构上的构造通常由闭合的铁心和绕组组成[1-3]。电流互感器在电力系统发挥着至关重要的作用，其输出性能关系到电力设备能否正常运行，其输出特性和运行特性直接影响电力系统电路中测量的准确性和保护装置动作的可靠性[4-5]。电流互感器的工作原理通常根据电磁感应原理将一次侧大电流转换成二次侧小电流，电流互感器的一次绕组匝数通常比较少，在工作时串在需要测量的电流的线路中，因此电流互感器经常能够全部通过线路的电流，其二次绕组匝数比较多，在工作中，通常串接在测量仪表和保护回路中[6-7]。电流互感器在电力线路中起保护作用时，其内设置的二次回路一直处于闭合状态，此时的测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗都显得比较小，此时的电流互感器的工作状态接近短路状态。

目前，有源电子式电流互感器存在温漂问题、长期运行稳定性问题、温度变化、电磁波谐振等因素干扰。传统技术中，无源电子式电流互感器通常采用电磁感应原理进行工作，传统研究方法是直接将大电流施加在被测电力设备或者比较仪上[8-9]，将电流互感器输出电流施加在被测电力设备上，通过二者的比较，观察电流互感器的输出差异，进而进行评价。这种测量方式误差较大，测量起来也极为不便。如果在输出端存在高电流、大电流输出时，则存在很大的安全隐患。因此就需要一种新型的测量方法来衡量电流互感器的输出特性。

1   输出特性研究模型

由于无源电子式电子互感器的传感部分是由光学元件决定的，因此，传感元件的性能特征关系到无源电子式电子互感器的输出特性。下面介绍下降压的分压原理。如图1所示，在电路中，通过电阻分压实现高压到低压的转换。

分压公式为：

U2 = ■U1          （1）

下面通过构建测量系统来衡量无源电子式电流互感器的输出特性。在图2中，以光纤传感器作为数据采集的设备，通过高压滤波，获取较为纯净的高压信号，在滤波端，连接有分压模型，通过分压模型将电路中的高压信号转换成为低压信号，分压原理见公式（1）所示。通过降压模型输出满足低压电路中各个器件工作。

通过降低电压后，再通过A/D转换单元将电路中的模拟信息转换为数字信号，然后将转换后的数字信息分成两个数据通道，一方面，将转换后的数字信号通过光纤通道，通过时序协调发送到微处理器进行处理。另一方面，通过A/D转换单元转换后的数字信息通过光纤通道传输到D/A转换单元，通过D/A转换单元重新将输出的数字信号转换成模拟信息输出[17]。通过两路输出的信息，即数字输出和模拟输出的信息，可以通过不同的处理方式进行信息处理，通过微处理器处理后的信号可以连接到计算机处理器，通过计算机处理系统对电路中的信息再次做出处理，比如通过示波器、分析器、诊断装置等进行二次诊断，对电路中的无源电子传感器传递的电流、电压、谐波、纹波等信息进行实时采样，同时实现对电力线设备的控制命令、监测和诊断等。通过传感器检测的信号通过采集器的处理，这能够提高互感器数据信息的驱动能力，进而提高输出信号的精度，免受电力线路中负载大小的影响。另一方面通过对输出信号积分、滤波、调幅、相位补偿等过程处理，能够保证电子式组合互感器输出信号的精度和一致性，也降低了电力设备应用的误差。微处理器输出的数字信号还能够通过光纤通道，以太网传输的方式进行更高层次的数据传递和数据分享。在计算机处理端，通常通过数据计算得出的角差和比差来衡量电流互感器的输出特性。

2   输出特性分析

2.1   传感器原理介绍

无源电子式电子互感器通常输出分数字量和模拟量两种不同类型，其通常有磁-光电流互感器、光电电流互感器、罗氏线圈互感器等不同的电流互感器[10-12]。无源型电子式互感器采用的传感头通常不需要电源进行供电。目前，市场上用的比较多的电子式互感器的传感头大多采用法拉第磁光效应原理制成。采用该传感器可以不考虑无饱和、无温度稳定的问题，这种方式能够保证正常的运行寿命，图3为全光纤型电子式互感器。

在该类型中，传感头是由光纤组合而成，在工作过程中，通过光纤进行信息传感，该部件将诸如光学玻璃、光纤的光学器件当做被测电流的传感器使用。在计算过程中，输出系统的输出电压与被测电流的大小为成正比关系，光纤在工作过程中可将光波调制划分为强度调制、波长调制、相位调制和偏振调制等[13]。无源电子式电子互感器的工作原理如图4所示。

在图4中，无源电子式电流互感器的工作理论依据是法拉第（Faraday）磁光效应理论。法拉第（Faraday）磁光效应理论在该处使用时，充分利用了磁与光的关系[14]，当传输光波透过磁光材料时，电流将产生磁场，产生的磁场能够使光波在透过磁光材料时，使得光波的偏振面受磁场的影响而发生偏转，当测量出旋转角度后的线偏振光（通过测量偏振角而实现）时，通过测量线偏振光的旋转角度，便可确定被测电流。如果出现了敏感路径，由于其为闭合环路，则穿过敏感环路的电流产生的磁场可在闭合环路中产生作用，在该过程中，按照安培环路定律计算产生法拉第相角的大小。

θF = V■μ0 Hdl = μ0 ■Hdl = μ0 VNI0     （2）

在式1中，μ0表示磁导率，V表示光纤材料特性的维尔德常数;H表示为光传播方向上的磁场强度;L表示为光路长度;N表示为绕载流体的光圈数;I表示为被测电流。

2.2   输出特性分析

基于上述论述，在无源电子式电子互感器中，其基本原理可以概括为利用光纤通讯技术进行数据信息转换，电路中无铁芯和电感，减轻了电路中的负荷，例如在采用Rogowski线圈感应的有源互感器中，由于线圈为缠绕在环状非磁性骨架上的空心线圈，根据磁性特性，其虽然在一定程度上能够解决铁芯线圈的磁路饱和问题。但是Rogowski线圈电流互感器的高压侧设置有电子式电路组合而成的电子模块[15]，其通过滤波处理、积分变换以及A/D 转换，最终变换成数字信号，该信号再通过电光转换电路，进而转变成为光信号。下面对信号处理、算法实现、特性分析等方面的内容进行介绍。

在进行信号处理时，基于光强调制原理对光信号进行处理，具体地来说，在光强调制期间的直流偏置信号当做参考信号，作为原始参数，基于上述原理分析，光传输信息的顺序为光纤连接器-光纤-光纤连接器-光电检测，最终，将光信号转变成为电信号，在整个过程中，光-电转换的线性关系如图5所示。

假设UIN为光电电路中的输入，Uout为光电电路中的输出，在图5中，曲线1为UIN和Uout之间的实际关系，当光电电路中的感光电路受发光死区的影响，则UIN和Uout之间的线性度就表现的较差，当UIN变大时，UIN与Uout之间的线性关系就表现的较为突出。为了计算的方便，利用以下公式进行：

UIN = UAC + UDC参考          （3）

通过上述公式，还可以解释为，将曲线1中的线性部分延长，得到直线2，由于UIN与Uout之间的线性关系此时为非线性关系，因此直线2不会超过原点。由于UDC参考经传输的交流信息抬高到传输关系的线性区域，此时，对于叠加在UDC参考上的UAC，直线2的斜率表示为转换前的交流信号的衰减倍数KAC，KDC表示為UDC参考对应的静态工作点与原点之间的连线3的斜率。通过中直线2和直线3之间与横轴之间的夹角α和β之间的角度可以看出，当KDC≠KAC时，则有KDC < KAC，表示光电电路中光转换为电的过程中，有误差存在的，该误差受温度、漂移、磁场、振动等因素制约。

如图6所示，图6表示光电转换与温度之间的关系。

KDC在数学上的意义还可以表示为传输曲线中UDC参考相对于静态工作点与原点之间构成的直线的斜率，当KDC < KAC时，UDC参考信号的衰减倍数为直线4的斜率，此时，KDC和KAC之间的差距较大，当直线4的斜率变成5时，KDC和KAC之间的差距将变小，二者之间的距离更为接近，此时，可认为选用的电流互感器的精度比较高。通过上述分析，在利用发光管及光电管的线性区，将高压侧模拟信号调制后的光信号直接传输至低压侧，然后再根据参考信号的衰减来计算交流信号的衰减，避免在电路中精度不足的情况。

在实际工作时，装置需要考虑铁磁谐振以及铁芯饱和的情况，采用无源电子式电子互感器能够克服磁芯由于饱和而造成的波形畸变，致使测量精度较低的问题[16]。在研究无源电子式电子互感器的输出特性时，考虑的因素通常不同于常规的磁芯。

3   实验结果与分析

下面通过将本技术方案与罗柯夫斯基 （R ogows-ki）线圈的互感器与无源电子式电流互感器作为对比分析[18]，即通过传统电磁式 CT 与 电子式光纤传感器的电流采样波形情况，进一步分析 ECT 电流的传变特性，实验模型如图7所示。

在实验中，将 Rogowski线圈的 ECT 和传统CT 的传感器并联，最终输出的电流电压信号分别与数字录波器和传统录波器连接，通过上述试验，得出如图8和图9所示的数据波形。

通过上述波形图可以看出，在相同时间内，可以看出，有源电子式电流互感器输出的波形毛刺比无源电子式电流互感器输出的波形毛刺较大。这将导致电力线路中的负载设备产生的比差和角差波动较大。这可以通过图10和图11中可以看出。

通过上述测试，采用本设计的方案，总的测量精度到的较大的提高。这使得电力系统中的电力设备能够获的较好的稳定性，可靠性也得到很大的提高。根据电力电网运行状态的评价，使得用户能够得到保护失效、误动和拒动概率等，根据这些参数，进而衡量智能集成开关在配电网中的准确度和精度。

4   结   论

通过对无源电子式电流互感器及其工作原理进行介绍，引出了获取无源电子式电流传感器输出特性的重要性，这关系到电力系统中电力设备运行的可靠性，这对用户获取电力网络运行信息，进而把握电网信息具有重要的意义。基于Faraday磁光效应原理的无源电子式电流互感器的发展也越来越激烈，从早期的磁光玻璃演变到今天的全光纤，与磁光玻璃型电流传感器相比，全光纤型电流互感器从原理和工艺都进行了改善，能够克服磁光玻璃电流传感器受温度、振动等因素的影响，也可以应用到高电压等级和电磁环境恶劣的情况下工作的电力系统，具有明显的技术优势。

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