一、引言 傳統(tǒng)電磁式互感器以其固有的體積大、磁飽和、鐵磁諧振、動態(tài)范圍小和頻帶窄等缺點(diǎn)，已經(jīng)難以滿足新一代電力系統(tǒng)自動化、數(shù)字化等的發(fā)展需要。隨著光纖技術(shù)和光電子學(xué)的發(fā)展，各種基于光學(xué)和光電子學(xué)原理的電子式電流互感器得到了迅猛的發(fā)展。Rogowski線圈以其不飽和性和易實(shí)現(xiàn)性，被廣泛用于電子式電流互感器高壓側(cè)的傳感單元中。但是，由于它在人工繞制和多層繞制過程中會引人額外誤差，而且、線圈骨架材料的溫度特性對線圈的輸出也有很大的影響，因而影響了Rogowski線圈的工業(yè)實(shí)用化進(jìn)程。 針對這種情況，本文采用低功率電流互感器（LPCT）作為高壓側(cè)傳感單元。LPCT作為一種電磁式電流互感器，具有輸出靈敏度高、技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、易于大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)；此外，由于其二次負(fù)荷較小，加上高導(dǎo)磁鐵心材料的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對大動態(tài)范圍電流的測量。 LPCT的輸出電壓信號由位于高壓側(cè)的信號處理電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字光脈沖信號，經(jīng)由光纖傳至低壓端控制室，然后由低壓側(cè)信號處理電路將光信號還原為電信號，并提供測量和保護(hù)兩個信號通道的輸出接口。由于采用光纖作為高低壓側(cè)信號連接的通道，所以在很大程度上降低了對電流互感器絕緣結(jié)構(gòu)的要求。 二、LPCT的測量原理 如前所述，LPCT實(shí)際上是一種具有低功率輸出特性的電磁式電流互感器，在IEC標(biāo)準(zhǔn)中，它被列為電子式電流互感器的一種實(shí)現(xiàn)形式，代表著電磁式電流互感器的一個發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。由于LPCT的輸出一般是直接提供給電子電路，所以二次負(fù)載比較??；其鐵心一般采用微晶合金等高導(dǎo)磁性材料，在較小的鐵心截面（鐵心尺寸）下，就能夠滿足測量準(zhǔn)確度的要求。此外，LPCT二次回路要并接—阻值較小的電壓取樣電阻，該電阻是LPCT的一個組成部分，等效電路如圖1所示。 如圖1所示，LPCT的輸出為與一次側(cè)電流成正比的電壓信號、表達(dá)式如下： 式中：Us為LPCT電壓輸出； Ip為一次側(cè)電流； Rsh為采樣電阻； Np為一次繞組匝數(shù)； NS為二次繞組匝數(shù) 本文設(shè)計的LPCT鐵心材料為微晶合金，變比為6000：l。LPCT的取樣電阻阻值為15Ω，溫度系數(shù)小于5×10-6。額定一次電流為100A，在額定一次電流時，二次負(fù)荷約為4mW。 IEC標(biāo)準(zhǔn)中，對于測量通道，在5％～120％額定一次電流變化范圍內(nèi)的準(zhǔn)確度有嚴(yán)格的要求；對于5P20保護(hù)通道，則在100％～2000％額定一次電流變化范圍內(nèi)的準(zhǔn)確度有要求。所以LPCT在400倍的電流變化范圍內(nèi)必須保證較好的線性度。假設(shè)額定一次側(cè)電流為100A，則一次電流變化范圍為5A～2000 A，LPCT的二次輸出電壓變化范圍為0.0125V～5V。 三、系統(tǒng)構(gòu)成 電子式電流互感器的設(shè)計思路是在高壓側(cè)將從LPCT取得的模擬信號就地進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為光信號；互感器本體提供標(biāo)準(zhǔn)的光通信接口，光信號通過該接口由光纖傳至控制室的信號接收單元。在控制室由低壓側(cè)信號處理單元將該光信號還原為數(shù)字電信號，并按照繼電保護(hù)和測量設(shè)備的要求，將信號進(jìn)行分離，并提供保護(hù)通道和測量通道的輸出接口。圖2是電子式電流互感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。 系統(tǒng)中僅采用一個LPCT同時作為測量通道和保護(hù)通道的傳感元件，因此，首先必須保證LPCT在很寬的一次電流變化范圍內(nèi)有很好的線性度；其次，由于LPCT的二次輸出電壓變化范圍比較大，所以實(shí)現(xiàn)對全范圍信號的準(zhǔn)確測量有一定的難度，這對高壓側(cè)信號處理電路也提出了較高的要求。 圖2中，高壓側(cè)信號處理電路主要由儀用放大器、4階Bessel抗混疊濾波器、14位A/D轉(zhuǎn)換器、復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）和電光轉(zhuǎn)換模塊組成。其中CPLD負(fù)責(zé)A/D轉(zhuǎn)換器所需控制信號的產(chǎn)生以及數(shù)字脈沖的編碼。 當(dāng)輸人模擬信號較小時，由于量化誤差的影響，A/D轉(zhuǎn)換的誤差將增大。在實(shí)際測量過程中，一般將A/D轉(zhuǎn)換器的輸入調(diào)整為其滿量程值附近。本文中的高壓側(cè)信號處理電路中，共設(shè)置了3個模擬輸入通道。其中：1個用于測量傳感頭處溫度（通過安裝于傳感頭側(cè)的溫度傳感器提供模擬信號）；另外2個用于測量LPCT的輸出信號，將其放大增益分別設(shè)置為1和10，其中1倍增益回路作為保護(hù)通道信號，10倍增益回路作為測量通道信號，這是因為在500～120％的額定一次電流范圍內(nèi),LPCT的二次輸出電壓較小，將其放大10倍后再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，可以減小轉(zhuǎn)換誤差，提高測量準(zhǔn)確度。 圖2中，高、低壓側(cè)之間的信息傳輸由光纖來完成。光纖具有良好的絕緣性能，利用光纖作為高壓端和低壓端的信號傳輸媒質(zhì)，具有絕緣簡單、造價低、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。光纖中傳輸?shù)氖枪庑盘?，必須在高壓端增加電光轉(zhuǎn)換模塊以及在低壓端增加光電轉(zhuǎn)換模塊。為了提高測量的可靠性，增強(qiáng)抗干擾能力，在進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換之前，將 LPCT輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。這樣，光纖中傳輸?shù)氖菙?shù)字光脈沖信號，能夠進(jìn)一步提高抗干擾能力。 光信號由光纖傳輸至低壓端后，由信號處理電路將光信號還原為電信號，并按照繼電保護(hù)和測量設(shè)備的要求，分離出測量通道信號和保護(hù)通道信號。低壓側(cè)信號處理電路主要由光電轉(zhuǎn)換模塊、FPGA和D/A轉(zhuǎn)換器組成，低壓側(cè)信號處理電路主要完成對各路信號的分離、移相以及必要的增益調(diào)節(jié)。 電子式電流互感器中，為保證高壓側(cè)信號處理電路正常工作，需要一定的能量，本文采用一種激光供能的方式來實(shí)現(xiàn)。圖3是一種采用激光供能方式的基于LPCT的電子式電流互感器實(shí)現(xiàn)方案。 四、試驗 （一）試驗方案 電子式電流互感器的測試方案如圖4所示。圖中,A為電流源，電流傳感頭由LPCT構(gòu)成，高準(zhǔn)確度電流互感器為0.1級，其二次輸出信號作為標(biāo)準(zhǔn)信號與電子式電流互感器輸出信號進(jìn)行對比。本文采用一種基于虛擬儀器技術(shù)的互感器校驗儀來完成對電子式電流互感器的校驗。 互感器測試系統(tǒng)的輸出結(jié)果和高準(zhǔn)確度電流互感器的輸出結(jié)果都將送人虛擬儀器進(jìn)行處理，其中高準(zhǔn)確電流互感器的輸出結(jié)果被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)值，而電子式電流互感器測試系統(tǒng)的輸出結(jié)果則被認(rèn)為是測量值，虛擬儀器通過比較兩路信號的大小即可計算出電子式電流互感器測試系統(tǒng)的測量誤差。 （二）準(zhǔn)確度試驗 當(dāng)一次電流從額定電流（100 A）的500～12000變化（5A-120A）時，電子式電流互感器測量通道的比差和角差如圖5所示。 從圖5中可以看出，電子式電流互感器測量通道在5%～120％額定一次電流變化范圍內(nèi)比差、角差測量值滿足0.2級電子式電流互感器準(zhǔn)確度的要求。 此外，還對保護(hù)通道在20倍額定電流下進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如表1所示。 從表1可以看出，電子式電流互感器保護(hù)通道滿足5P20級電子式電流互感器準(zhǔn)確度的要求。 （三）溫度特性試驗 電子式電流互感器實(shí)際工作在-30℃～70℃溫度范圍內(nèi)，所以，必須對電子式電流互感器做溫度特性試驗。因條件所限，本文采用等安匝法對額定一次電流下測量通道做了溫度試驗。將LPCT、高壓側(cè)信號處理電路和高壓側(cè)電源先后分別放置在烘箱和冰箱內(nèi)，調(diào)節(jié)溫度變化范圍為70℃～20℃和-30℃～20℃。測量得到的系統(tǒng)比差和角差隨溫度變化曲線如圖6所示。 從圖6可以看出，電子式電流互感器在-30℃～70℃范圍內(nèi)，系統(tǒng)比差變化小于±0.1％，角差變化小于±2′，具有很好的溫度特性。 四、結(jié)語 本文利用LPCT技術(shù)成熟、測量準(zhǔn)確度高和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，研制了一套基于LPCT的電子式電流互感器。該電子式電流互感器具有以下特點(diǎn)： 1．傳感頭僅采用一個LPCT,用來實(shí)現(xiàn)電流互感器的測量和保護(hù)兩個通道，進(jìn)一步簡化了電子式電流互感器的設(shè)計。 2．采用了成熟的電子技術(shù)、光纖傳輸技術(shù)，使得絕緣可靠簡單。 3．整套系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確度高，測量范圍寬，分別達(dá)到IEC對0.2級和5P20級電子式電流互感器的要求。 4．溫度試驗表明，在—30℃～70℃范圍內(nèi)系統(tǒng)的比差變化小于±0.1％，角差變化小于±2′，驗證了裝置具有較強(qiáng)的實(shí)用性。