关于电子式电流互感器的设计分析

关于电子式电流互感器的设计分析

近年来，由于社会对电能的需求量不断增加，电力企业的传输容量也在不断的增加，而电子式电流互感器的设计成功，有效的确保了电力系统运行的安全性，而且有效的降低了成本，为数字化变电站的建设奠定了良好的基础。文中从电子式电流互感器的类型和特点进行了分析，并进一步对电子式电流互感器的设计思想、光电池的选择及电源性能参数进行了具体的阐述。

标签：电子式电流互感器；高压侧电源；供能电路

前言

传统的电磁式电流互感器对于当前电力系统传输容量不断加大，而且电压等级不断提升的情况其适用性越来越差，使电力系统的发展带来了一定的制约作用。在这种情况下，开发电子式电流互感器则具有必然性，由于于其通过利用光通信及微电子技术，并采用新型的传感原理，有效的规避了传统电力互感器所存在的不足之处，利用数字信号进行输出，确保了电力系统安全、稳定的运行，不仅实现了成本的节约，而且也实现了对二次设备的优化。目前数字化变电站的建设更是需要以电子式互感器和光纤通讯网作为其基础，所以电子式电流互感器在当前电力系统运行了具有极为重要的意义。

1 电子式电流互感器类型及特点

1.1 无源式

无源式电子式电流互感器是不需要电源供电的光电电流和电压测量的装置，利用磁光晶体和光纤作为传感器，而且光纤不仅可以作为信号传输通道，而且也可作为传感元件，由于无源式互感器其种类较多，所以利用了较多的物理效应。

1.2 有源式

有源式电子式电流互感器其是以电子器件为其传感头，同时需要在一次侧提供电源，利用一次侧的采术传感器来进行取样，信号通道以光纤为主，将一次侧的光信号在地面进行处理后将其还原为被测信号。这种有源式的互感器具有非常好的绝缘性和抗电磁干扰性，而且不仅制造成本得到了有效的降低，而且无论是体积还是重量都有所减小，而且能够更好的将常规电流测量装置的优势有效的发挥出来，利用电子器件作为传感头，有效的规避了传统传感头光路复杂及对温度及振动敏感的问题。由于在有源式电流互感器上所采用的电阻和电容器件都是沿用了传统的器件，具有更高的精确度，而且结构更为简单，易与实现与计算机的联通，更具有实用性。

2 电子式电流互感器的设计思想

2.1 基本原理

电子式电流互感器共分四个模块传感头、光纤传输、信号接收单元、电子式互感器校验仪，而传感头又是由Rogowski线圈、小信号铁芯CT、A/D采样及温度补偿、电能供应四个部分组成。

小信号铁芯CT根据国家标准GB1208-1997对电流互感器的规定，对于测量通道，应保证在小于1.2倍额定电流的情况下能够实现正常测量，误差在规定的范围之内；铁芯采用硅钢片或超微晶合金材料，环形穿心结构，没有气隙、漏磁少。

A/D转换电路是整个传感头的核心部分，它的要求是A/D转换器件功耗小、采样率足够高；线圈输出的电流为正弦波，因此A/D转换器件要具有双极性输入，串行输出；采用时分复用方式传送下行信号。

高电位侧的电源供应问题现阶段共有四种供电方式：特制CT线圈从母线采电的供能方式；激光供能方式；蓄电池或太阳能电池供能方式；超声电源供能方式。

基于Rogowski线圈的电子式电流互感器主体是一个空心线圈，待测的母线电流从线圈中心流过，在线圈中产生感应电势。由于线圈中没有铁芯，其输出的电压值很小，可以直接输入微机系统，这样就形成了集数据采集、实时处理系统于一体，经由光纤输出数字信号的电子式电流互感器。

2.2 Rogowski线圈介绍

Rogowski线圈（罗氏线圈）又叫电流测量线圈、微分电流传感器，其利用非铁磁性材料进行环形缠绕，通过电流对时间的微风来对信号进行输出，而且可以对输出的电压信号进行积分，从而实现输入电流的真实还原。而且该线圈可以实时进行电流的测量，能够快速的进行响应，不会有饱和和相位误差的产生。所以可以用于继电保护及一些大电流的场合。

2.3 其他模块

首先，在进行光纤传输与光纤绝缘子设计时，对于传光光纤需要通过绝缘结构时是允许的，而且要对各种过电压具有较好的耐受性，抗震能力要相当好。同时在进行绝缘设计时需要确保绝缘结构具有小巧、灵活的特点，而且传输上需要采取无线传输。但这种设计也避免不了会存在一定的缺陷，即会存在传输的盲区，而且容易发生故障，不具有独立性。

其次，信号接收机的组成分为四个部分：O/E变换部分（光电转换）；逻辑控制电路部分-提供控制信号；信号接收机的模拟通道-数字还原成模拟信号；信号接收机的数字通道-将数据采集进计算机。O/E变换部分（光电转换）将传感头传下来的两组信号：一组是数据信号，另一组是时钟信号，转换成电脉冲信号，

器件采用PIN光电二极管，同时放大整形电路将微弱的电信号还原成标准的TTL 电平信号。器件采用高精度的比较器。逻辑控制电路将系统的四路时钟信号和数据信号分离开来，并产生器件要求的时序；送入D/A转换器和PC机接口卡，分别进行处理。信号接收机的模拟通道将传感头传输的串行信号转换为并行数字信号，送入到D/A转换器件中。

最后一个模块是电子式互感器校验仪，它的原理是信号调理箱将基准信号和待测信号变换成高精度数据采集卡能承受的电压信号，经采集卡进入计算机，得到两个离散数据序列；通过对这两个离散序列的软件分析得到两个信号各自的特征和它们之间的比差和角差；软件分析的主要算法是基于离散信号的傅立叶变换。

3 电子式电流互感器光电池的选择

光电转换器件即光电池，其能够将入射光能转化为电能，从而实现激光器供电发出的能量以光的形式来进行传送。目前可以选用的光电池具有较多的种类，但在实际工作中最为经常采用的还是硅光电池。由于其具有较高的转换效率，所以更易于实现产品化和商业化的发展。而且电子式电流互感器的激光器输出波长正好处于硅光电池的峰值波长之间，所以在光电池的最佳转换工作状态正好处于激光器输出的波长之下。而且在高压设备测量时，利用硅光电池的光照强度不会对器件及周围环境的变化带来敏感性。同时硅光电池的输出电压、电流及峰值功率都决定了其具有较好的宽广光谱响应。光照灵敏度和良好线性，而且硅光电池自身也具有较好的稳定性，这就决定了在电子式电流互感器内选择硅光电池是较为适宜的。

4 电子式电流互感器电源的性能参数

电子式电流互感器电源由光电转换模块和激光输出共同组成，激光输出模块是主要有电流驱动，驱动电流为2.2A电流，可达到驱动电流要求。光纤的出口处光功率是1.6W，在利用光电进行转换后的电功率可达125mW左右。

5 结束语

随着信息化技术的快速发展，电子式电流互感器在我们的生活中得以广泛的应用，所以需要确保电子式电流互感器的质量和可靠性，确保其在应用过程中能够发挥更好的作用，同时我们也要加强对电子式电流互感器的研究力度，使其在应用过程中不断完善，推动电力行业的健康发展。

参考文献

[1]王涛，郑薇，潘晨.电子互感器在智能变电站中的应用研究[J].华章，2011.

[2]李世良，李忠良.新型中高压电子式电压互感器的传感原理及结构[J].华章，2013.