1 前言
    隨著計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的迅速發(fā)展,電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)與控制已基本實現(xiàn)微機(jī)化,設(shè)備體積趨向小型化,這也同樣要求與繼電保護(hù)和控制設(shè)備接口的外部測量部分小型化和弱電化。傳統(tǒng)的保護(hù)控制設(shè)備由于消耗功率較大,要求外部測量設(shè)備具備一定的輸出功率,以驅(qū)動保護(hù)控制設(shè)備的運行。隨著的微處理機(jī)的發(fā)展,迫切需要有與之相">

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技術(shù)頻道

傳感器式電流、電壓互感器簡析

1 前言
隨著計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的迅速發(fā)展,電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)與控制已基本實現(xiàn)微機(jī)化,設(shè)備體積趨向小型化,這也同樣要求與繼電保護(hù)和控制設(shè)備接口的外部測量部分小型化和弱電化。傳統(tǒng)的保護(hù)控制設(shè)備由于消耗功率較大,要求外部測量設(shè)備具備一定的輸出功率,以驅(qū)動保護(hù)控制設(shè)備的運行。隨著的微處理機(jī)的發(fā)展,迫切需要有與之相匹配的直接接口的外部測量設(shè)備的存在,經(jīng)過科學(xué)技術(shù)應(yīng)用人員的辛勤工作,找到了一種早已存在的而以前被人們忽視的微電流、電壓輸出設(shè)備,即洛高夫斯基(Rogowski)電流傳感器和分壓器,其輸出的幾百毫安電流/毫伏電壓能直接與微機(jī)型保護(hù)控制設(shè)備接口,滿足保護(hù)控制測量的要求,且基本消除了傳統(tǒng)電磁式電流、電壓互感器磁飽和的缺點。
2 電流傳感器
早在1912年,洛高夫斯基通過對電力系統(tǒng)測量的研究,發(fā)明了洛高夫斯基線圈測量原理。洛高夫斯基線圈是一個均勻纏繞的線圈,它具有一個非磁性的芯。洛高夫斯基線圈最基本形狀是一個環(huán)形的空氣芯線圈。
洛高夫斯基線圈可通過將導(dǎo)線繞在一個撓性的管子上,然后將管子兩端彎曲到一起而構(gòu)成。見圖1,繞組經(jīng)過精密制造,具有優(yōu)良的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。


通過線圈的電流感應(yīng)產(chǎn)生一個電壓e, 可由以下近似出式給出:
e=-u。NA dI/dt = H dI/dt (1)
其中 u。=自由空間的導(dǎo)磁率
N=纏繞密度,[匝數(shù)/米]
A=單匝截面積[米2 ]
H=線圈靈敏度[Vs/A]
洛高夫斯基線圈由于采用非磁性的線圈芯,故沒有任何非線性飽和效應(yīng)。它允許隔離的電流測量,并具有較寬的帶寬,最大可達(dá)1兆赫茲。
洛高夫斯基線圈具有良好的線性特性,且體積小和重量輕??梢哉J(rèn)為是理想的電流傳感器。
洛高夫線圈不存在飽和性,它可以用來測量從幾安培到幾百千安的電流,最小值和最大值主要取決于測量的電子元件。
線性帶來以下特點:
l所需要的不同規(guī)格的數(shù)目減少
l高故障電流的準(zhǔn)確測量(故障定位,斷路器的狀態(tài)監(jiān)控)
由于洛高夫斯基線圈的輸出與電流的時間導(dǎo)數(shù)成比例,因此需進(jìn)行積分。早期使用的模擬式積分器誤差較大,應(yīng)用不理想,現(xiàn)采用數(shù)字方法積分,效果較好。
2.1電流傳感器的準(zhǔn)確度
影響電流傳感器的準(zhǔn)確性有如下原因:
l溫度變化
l裝配出差錯
l其他相電流的影響(串?dāng)_)
l初級導(dǎo)體的非無限長度(例如:接近線圈的90。 角)
通過嚴(yán)格的設(shè)計及制造的質(zhì)量控制,可以降低線圈芯和繞組裝配對精確度的影響,目前傳感器的準(zhǔn)確度可以達(dá)到0.5%。
但0.5%的精確度很難滿足電力設(shè)計規(guī)范對計量的±2.0%的要求,針對上述影響電流傳感器精確度的因素,可采取如下方法進(jìn)行解決。


1)采用對溫度反應(yīng)不敏感的特殊材料,以降低溫度對其的影響(見圖2)。
2)測量傳感器的溫度,然后對溫度進(jìn)行補(bǔ)償。
3)裝配誤差可以用適當(dāng)?shù)臋C(jī)械安裝來消除。一般情況下,電流傳感器是集成在套管中,這樣裝配誤差就可以降低。
4)串?dāng)_(其他相電流對于被測量電流的影響)可以通過傳感器的優(yōu)化設(shè)計,從而使串?dāng)_影響降到最低。標(biāo)準(zhǔn)傳感器的串?dāng)_如圖3所示。在一般保護(hù)算法中,相位角的準(zhǔn)確度是很重要的。鐵芯電流互感器的缺點是相位移隨電流而改變,特別是在欠激勵或過激勵的過程中。而這種情況對洛高夫斯基線圈來說,已不是問題,因為相位移很小,并且不隨電流而改變。


2.2頻率范圍
電力系統(tǒng)工頻為50赫茲,而洛高夫斯基線圈的頻率范圍為從幾赫茲到10000赫茲以上。故對于保護(hù)、監(jiān)控和電力測量來說,完全滿足要求。圖4表示了洛高夫斯基線圈與頻率的關(guān)系。

3.電壓傳感器
測量電壓所用的電壓傳感器是阻抗式的(電阻式或電容式)分壓器(見圖5)。與磁電壓互感器相比,其有優(yōu)點如下:
l無飽和,線性
l體積小,重量輕
l不會引起鐵磁諧振


在電網(wǎng)中,磁諧振是一個問題。這種結(jié)果在許多情況下是:如果在相線和地線之間連接一個普通的電流互感器,將可能發(fā)生熱過載和損壞。電阻式電壓傳感器,由于不存在電感,因此不會引起磁共振。它可在這種特殊情況下被用于測量相線至地線的短路電流。
電阻式分壓器必須能夠承受各種正常情況和故障情況的電壓,以及試驗電壓。這對分壓器提出了較高的要求。在實際中,這就意味著分壓器的電阻值必須很高。此時應(yīng)重點處理雜散電容問題。
3.1電阻式電壓傳感器的準(zhǔn)確度
電阻式電壓傳感器的準(zhǔn)確度取決于電阻的準(zhǔn)確度,或更準(zhǔn)確地說,取決于分壓比的準(zhǔn)確度。兩個電阻都允許改變,如果在同方向改變的話。不準(zhǔn)確性的主要來源是:
l電阻溫度系數(shù)
l電阻電壓系數(shù)
l電阻器的漂移(電壓、溫度)
l雜散電容
l相鄰相線的影響(串?dāng)_)
電阻式電壓傳感器的精確度與電流傳感器的精確度一樣,可以達(dá)到±0.5%的準(zhǔn)確度。但不滿足計量中±0.2%準(zhǔn)確度的要求。
可采用如下優(yōu)化措施:
1) 通過采用高質(zhì)量的材料,以及優(yōu)化的設(shè)計,補(bǔ)償溫度的影響和電阻電壓系數(shù)。
2) 降低相鄰相和分壓器之間的電容
3.2 電容式電壓傳感器的準(zhǔn)確度
準(zhǔn)確度主要取決于介電常數(shù)對溫度的依賴關(guān)系,環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)對溫度的依賴性在-40℃至+70℃的溫度范圍內(nèi)為1% 。其他影響準(zhǔn)確性原因為:
l電容器的漂移(絕緣的考化)
l雜散電容
l相鄰相位的影響(串?dāng)_)
由于溫度影響,一般準(zhǔn)確度為3%。當(dāng)要求更高的準(zhǔn)確度時,需采用電阻式分壓器。
3.3頻率范圍
由于電阻式分壓器的高阻抗水平,頻率響應(yīng)沒有象洛高夫斯基線圈的頻率響應(yīng)那樣寬。然而可以測量到高達(dá)幾千赫茲頻率(見圖7)。這對于監(jiān)控,保護(hù)和電力質(zhì)量測量是足夠的。
4 標(biāo)準(zhǔn)的制定
目前IEC TC38工作組(WG23和WG27)在現(xiàn)有的儀用互感器的基礎(chǔ)上,已考慮了傳感器技術(shù)的特殊要求(電磁兼容性等),草擬了IEC60044-7 [3]標(biāo)準(zhǔn)。已于1999年12月發(fā)表,IEC60044-8 [4]的草案已于2000年中發(fā)表。這兩個標(biāo)準(zhǔn)都包括了電壓和電流傳感器的模擬輸出的規(guī)定。IEC60044-8還包括對多達(dá)7個電流信號和5個電壓信號數(shù)字點對點輸出的規(guī)定。
IEEE(電氣與電子工程師學(xué)會)電力系統(tǒng)繼電委員會發(fā)表了一個傳感器標(biāo)準(zhǔn)的建議。 [5]
5 傳感器性能的比較
傳感器式電流和電壓互感器與傳統(tǒng)電流和電壓互感器性能對比

性能
傳統(tǒng)電流和電壓互感器
傳感器式電流和電壓互感器
信號
5A/100V
150mv/2: V
次級負(fù)載
1-50VA
≥4光歐
準(zhǔn)確度
測量:0.2%-1% 保護(hù):5%-10%
多用途1%
動態(tài)范圍
40´In/1.9´Un
無限制
線性
非線性
完全線性
飽和
輸出信號畸變
不存在
鐵磁畸變
破壞性(電壓互感器)
不存在
溫度系數(shù)
無影響
受補(bǔ)償
電磁兼容性
無影響
屏數(shù)
短路的次級
破壞性(電壓互感器)
無傷害
開路的次級
破壞性(電流互感器)
無傷害
重量
40kg(電流、電壓互感器)
8kg(組合傳感器)
壽命期成本
覆蓋所有應(yīng)用的不同型式
種類繁多
2種

6 電壓傳感器,電流電流傳器


上述電壓傳感器,電流電流傳器已應(yīng)用于廣州地鐵二號線33kV GIS交流開關(guān)柜中,實現(xiàn)與保護(hù)控制設(shè)備的直接弱電接口。

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