塑壳断路器可靠性试验电源的光纤校准技术研究

张 恒, 李灵至, 李传生, 谭向宇, 周仿荣, 蔡 慧

(1.中国计量大学，浙江 杭州 310018； 2.中国计量科学研究院，北京 100029；3.云南电网有限责任公司 电力科学研究院，云南 昆明 650214)

1 引 言

塑壳断路器是一种重要的低压电气元件,在线路中起接通、承载以及分断正常或非正常电流的重要作用,其可靠性决定了线路对突发情况的应急处理能力以及对意外故障的快速响应能力[1]。当相间短路或电流过大时,若已达到脱扣标准而未脱扣,则有可能造成大范围线路的损伤。同样,若在安全电流通过时异常脱扣,则会引起电力供应中断,因此塑壳断路器出厂时应进行严格的可靠性试验[2]。

依据GB/Z 22074-2016《塑料外壳式断路器可靠性试验方法》,塑壳断路器需进行短路保护可靠性试验和过载保护可靠性试验[3]。产生稳定、准确的试验电流是保障塑壳断路器可靠性验证的关键。

塑壳断路器可靠性试验电流为短时的直流或交流电流[4],其最大允许误差要求一般为:直流5%、交流2.5%,对产品质量控制严格的生产制造企业通常要求交、直流均小于2%。塑壳断路器可靠性试验电源是流水生产线上不间断运行的关键设备,受电源运行条件的限制,考虑安装、调试、运输、时间成本,只能进行现场校准。由于电源结构紧凑,某些情况下载流母线不易断开,电流探头安装空间狭小,杂散磁场干扰强烈,这些都对大电流计量以及校准提出了严苛的要求。

常见的大电流传感器包括:分流器、零磁通电流互感器、罗氏线圈以及光纤电流传感器。分流器需介入电流回路,大电流产生的热效应对阻值影响较大,限制了大电流测量的准确性和现场校准应用的便捷性[5];零磁通电流互感器具有较高的测量准确度[6],它和分流器一般作为塑壳断路器可靠性试验电源的电流测量元件,但为控制成本,企业往往倾向于分流器。受原理限制,罗氏线圈只能测量交流电流,当试验电流中存在较长时间直流分量时存在输出跌落问题,测量准确度受外部杂散强磁场的影响较大[7,8]。基于Faraday磁光效应的光纤电流传感器可同时测量交流和直流电流,光纤敏感环柔性开口,可在不断开载流母线的情况下安装,一定程度上不受安装空间的限制,抗干扰能力强,便携性好,能够很好地满足塑壳断路器可靠性试验电源的现场校准需求[9～11]。

本文基于光纤电流传感器闭环检测系统动态模型,分析了传感器的时域、频域响应特性。基于等安匝法对光纤电流传感器进行了大电流校准,并对某塑壳断路器可靠性试验电源进行了现场测试,形成了一种基于光纤电流传感技术的塑壳断路器试验电流现场校准方法,从而为塑壳断路器的质检提供技术性保障。

2 光纤电流传感器可行性分析

2.1 被测信号特征

大容量塑壳断路器可靠性试验电流主要分为直流电流与交流电流,幅值一般在几kA到几十kA之间,持续时间一般为ms到s量级,呈现大幅值、短时、脉冲等特点。交流电流波形为短时工频或工频整流电流,并含有一定的谐波及暂态分量。直流电流近似为矩形脉冲,平顶部分含有纹波分量。

为快速跟踪试验电流的阶跃变化,准确测量试验电流的纹波、谐波、暂态等分量,要求电流传感器具有平坦的频率响应以及较宽的带宽,并具备较快的动态响应速度。因此,需从光纤电流传感器的基本原理出发,分析影响传感器的动态及宽频特性的主要闭环参数,并进行优化,以实现光纤电流传感器对塑壳断路器可靠性试验电流的快速跟踪与准确测量。

2.2 工作原理

光纤电流传感器在物理机理上基于Faraday磁光效应及Ampere环路定律[12～15]。如图1所示,光源发出的光经起偏器转为线偏振光,并经45°熔接点均分,经过相位调制器调制后进入保偏延迟光纤,在1/4波片处分别转为左旋、右旋圆偏振光。两束圆偏振光在被测电流的作用下产生相位差,经反射沿原路径返回,由Faraday磁光效应引入的相位差加倍,表达式为:

图1 光纤电流传感器原理图Fig.1 Schematic diagram of fiber-optical current sensor

φd=4F=4NVI

(1)

式中:φd为相位差;F为Faraday相移;V为传感光纤的Verdet常数;N为敏感环路圈数;I为被测电流。两束圆偏振光由1/4波片转回两束正交线偏振光,且偏振方向互换,并在45°光纤熔接点处发生干涉。干涉信号由光电探测器转为电信号,经前置放大,由A/D转换器变为数字信号,在信号处理单元内实现闭环检测算法。解调结果进行数字积分后,经D/A转换变为模拟信号驱动相位调制器,此时的干涉光强为[16]:

(2)

式中:P0为光源输出功率;α为光路损耗;φf为反馈相移。当φf=4F时,系统闭环稳定,反馈相移φf即为传感器的输出。

2.3 数学模型

如图2所示,根据光纤电流传感器原理,可将其分为10个环节[14]。

图2 光纤电流传感器系统数学模型Fig.2 The mathematical model of fiber-optical current sensors

1) 敏感环路

敏感环路实现被测电流与Faraday相位差的比例变换,根据式(1),可等效为一个比例环节,比例系数为K=4VN。

2) 干涉环节

干涉环节反映两束信号光的干涉过程,干涉光强主要受光源输出功率以及光路损耗影响,根据式(2),在系统闭环稳定的情况下可以等效为系数为G0=αP0/2的比例环节。

3) 光电探测器

光电探测器由光电二极管和I-V转换电路组成,作用是将干涉光强转化为电压输出,传递函数可表示为:

(3)

式中:G1为光电探测器的电压响应度;B为探测器的带宽。

4) 前置放大器

前置放大器将光电探测器输出的单端信号并转为差分输出,其电路结构如图3所示,输入端RC高通滤波电路的作用是滤除干涉信号中的直流分量,传递函数为:

图3 差分前置放大器Fig.3 Differential preamplifier

(4)

式中:G2=R1R3C1/R2为电路增益;T1=R1C1、T2=R3C2、T3=R4C3为各级滤波电路的时间常数。

5) A/D转换器

A/D转换器对前置放大器输出电压信号进行采样,并离散化为固定时间间隔的离散信号。忽略转换过程的量化误差,A/D转换器可以等效为系数为G3的比例环节。

6) 数字解调

采用数字锁相放大器技术对干涉信号进行解调,即对相邻正负半周信号采样值之和进行差分,传递函数为:

G4(z)=G4·(1+z-1)

(5)

式中G4为采样点数。

7) 积分环节

对解调得到的误差信号进行累加积分,以实现无差控制。引入前向增益调节系数Ga,积分环节传递函数可表示为:

(6)

8) 反馈环节

反馈通道主要由1个三阶环节和3个比例环节组成,分别为D/A转换增益G6、调制器驱动电路直流增益G7及相位调制器调制系数G8。反馈通道采用D/A转化器将信号处理单元输出的数字信号转化为连续电流信号,并采用两级放大器转为差分电压驱动相位调制器,解决增益与带宽之间的矛盾。

调制器驱动电路为3个一阶环节的级联,如图4所示,其传递函数为:

图4 相位调制器驱动Fig.4 Driver circuit of the modulator

(7)

式中:G7=R1R2R5/[(R1+R2)R4];T1=R3C1、T2=R5C2、T3=R6C3分别为三级滤波器时间常数。

9) 反馈延时

A/D转换器存在输出延时,根据系统控制时序,反馈输出滞后一个控制周期,数学模型为:z-1。

10) 滤波器

滑动平均滤波是数字系统中常用的噪声抑制方法,其差分方程为:

(8)

式中n为滤波器阶数。相应的离散传递函数为:

(9)

2.4 动态响应特性分析

为满足塑壳断路器可靠性试验电流的动态测量需求,利用Matlab/Simulink工具对光纤电流传感器的动态响应特性进行分析。

图5给出了光纤电流传感器的阶跃响应和频率响应仿真结果。消除反馈延时可大幅抑制系统超调与谐振,并保持较快的响应速度。系统前向增益调节系数Ga的大小直接影响系统动态响应性能,过小的Ga将严重降低系统的响应速度,而过大的Ga将使系统超调增大,增加调节时间,同时出现明显的谐振。滑动平均滤波器可抑制系统超调,但对系统的响应速度和带宽影响较大。

图5 光纤电流传感器时域、频域特性仿真结果Fig.5 Simulation results of time-domain and frequency-domain characteristics for fiber-optical current sensors

当系统无输出滤波器(n=1),前向增益调节系数Ga=0.031 65,存在反馈延时时,系统处于欠阻尼状态,超调达到32%。消除反馈延时后,系统几乎无超调;上升时间小于5个控制周期(约为5.05 μs);调节时间从17个控制周期缩短至5个控制周期以内。系统-3 dB带宽虽然有所下降,从146.58 kHz降低至120.7 kHz,但谐振被消除。

当系统采用10阶滑动平均滤波器(n=10),前向增益调节系数Ga=0.014 55,存在反馈延时时,系统处于临界阻尼状态,上升时间约为11个控制周期。消除反馈延时后,系统进入过阻尼状态,可进一步增大Ga以提升响应速度。当Ga=0.027 65,系统重新回归临界阻尼状态,此时,上升时间约为9个控制周期,-3 dB带宽也从34.71 kHz提高至39.91 kHz。

根据塑壳断路器可靠性试验电流动态测量的实际需求,综合考虑光纤电流传感器小电流信噪比以及动态响应性能,系统采用10阶滑动平均滤波器,前向增益调节系数Ga=0.027 65,并改进闭环反馈控制算法的时序以消除反馈延时的影响。

3 不确定度分析

3.1 校准溯源

图6所示为基于等安匝法的光纤电流传感器校准原理,直流或交流电源驱动等安匝线圈形成电流回路,标准电流传感器用于测量单匝电流,被校光纤电流传感器的柔性光纤敏感环围绕线圈形成闭合环路,实现试验电流的倍增。直流电流标准器采用零磁通电流互感器,交流电流标准器采用标准电流互感器,它们的测量准确度均优于0.01%,可溯源至国家计量标准。标准直流电流传感器二次输出由具有外部触发功能的六位半数字电压表测量;标准交流电流传感器二次输出由工频电压采集模块测量。误差测量装置产生同步信号,同步采集标准电流传感器以及光纤电流传感器的测量值,并计算误差以实现传感器的校准。

图6 光纤电流传感器校准装置Fig.6 Calibration device of fiber-optical current sensors

直流电流测量误差取200 ms采样数据的有效值计算。工频电流测量误差的算法依据GB/T 20840.8-2007中附录E.6.3的规定[17],数据长度为10个周波。

选取光纤电流传感器50 kA量程的5%、10%、20%、50%、80%、100%及120%作为校准点进行实验,图7给出了传感器的校准结果。

图7 光纤电流传感器直流及交流电流测试结果Fig.7 DC and AC Current test results of fiber-optical current sensors

3.2 测量模型

待校准光纤电流传感器的示值误差Ex可表示为:

Ex=Ix-Is

(10)

式中:Ix为待校准光纤电流传感器直流电流测量示值;Is为标准值。

考虑待校准光纤电流传感器的测量结果受分辨力、校准装置示值的不确定性、等安匝线圈温升以及柔性光纤敏感环路闭合误差的影响,光纤电流传感器的测量模型可表示为:

(11)

3.3 不确定度评定

1) 待校准光纤电流传感器示值误差重复性引入的不确定度u1

表1 光纤电流传感器直流电流示值误差多次测量结果Tab.1 Repeated test results of the indication error of DC current for fiber-optical current sensors A

2) 待校准光纤电流传感器的分辨力引入的不确定度u2

3)校准装置示值不确定性引入的不确定度u3

经上级计量标准溯源,校准装置中零磁通直流电流互感器、六位半数字电压表整体测量不确定度为Urel=0.02%,k=2。相应的标准不确定度为:u3=u(δIs)=(50 005 A×0.02%)/2=5.0 A。

4) 等安匝线圈温升引入的不确定度u4

5) 敏感环路闭合误差引入的不确定度u5

表2 不确定度分量汇总Tab.2 Summary of uncertainty components

取包含因子k=2,直流50 kA校准结果的扩展不确定度为:U=kuc=2×18.3 A=36.6 A,相对扩展不确定度Urel=0.07%。按同样的方法计算,交流电流50 kA校准结果的相对扩展不确定度为:Urel=0.1%,k=2。

结合前文的校准结果,在2.5～60 kA范围内,光纤电流传感器的直流、工频电流测量准确度优于0.2%,能够满足塑壳断路器可靠性试验电流的校准需求。

4 现场测试

前文完成光纤校准技术可行性分析以及溯源,利用本文所提出的光纤校准技术对某塑壳断路器生产线上的2台可靠性试验电源进行现场校准,它们分别可产生短时直流和短时交流可靠性试验电流。可靠性试验电源内置传感器为LEM公司的零磁通直流电流互感器。

图8(a)给出了塑壳断路器可靠性试验电源产生的直流试验电流测量波形,其电流幅值约为7.5 kA,持续时间大于5 s。试验电流的上升阶段存在一定的振荡,应是电源内部回路的感性负载造成,上升时间约为6.856 ms,远大于光纤电流传感器的上升时间。光纤电流传感器能够很好地跟踪试验电流的变化,同时可为试验回路的改进提供参考。

图8 塑壳断路器可靠性试验交、直流电流测量波形Fig.8 Waveform of AC and DC current in the reliability test of molded case circuit breakers

图8(b)给出了塑壳断路器可靠性试验电源产生的交流试验电流的测量波形。根据前文仿真结果,光纤电流传感器能够较好复现工频电流波形。试验电流波尾处的小幅振荡是由于开关未能理想切断电源导致。

取试验电流稳态部分的有效值进行计算,以光纤电流传感器的测量结果作为标准,塑壳断路器可靠性试验电源的示值与之比较,结果如表3所示。塑壳断路器可靠性试验电源的示值误差较小,均在±0.2%以内。

表3 短时直流电流测量结果Tab.3 Test results of the short-time DC currents

取交流试验电流开关切断前的稳态试验电流进行有效值计算,结果如表4所示。与光纤电流传感器相比,在1～13 kA范围内,塑壳断路器可靠性试验电源的示值误差小于0.6%,整体上满足2%测量准确度的要求。与1～10 kA校准点相比,11～14 kA校准点的示值误差变化规律存在差异,尤其在14 kA校准点示值误差达到1%,可能的原因为:被校试验电源采用的是直流电流互感器,具有较宽的小信号带宽,但对于接近满量程状态的工频大电流的测量准确度存在不确定性,可送计量实验室在工频大电流校准装置下开展进一步的比对测试。

表4 短时交流电流测量结果Tab.4 Test results of the short-time AC currents

经光纤电流传感器校准,塑壳短路器可靠性试验电源能够准确输出满足国家标准的试验电流,可正常进行可靠性试验,保证了塑壳断路器产品的可靠性。

5 结 论

塑壳断路器可靠性试验电源是关系产品质量的关键设备,需要通过周期校准保证可靠性试验电流的准确可靠。电流大、干扰强、安装空间受限是该电源现场校准的主要难点。通过研究光纤电流传感器的稳态电流测量准确度、响应频带、动态跟踪性能、大电流溯源性等特性,证明了光纤电流传感器应用于塑壳断路器可靠性试验电流校准的可行性。在现场校准试验中实践了光纤校准技术,为该技术的推广提供了现实性支撑,为塑壳断路器可靠性试验电源的现场校准提供了一条技术途径。