CN102129909A - 一种低功耗电子式电流互感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种低功耗电子式电流互感器，采用开口铁心式电磁电流互感器作为传感系统的第一级，用一高精密电阻将开口铁心式电子电流互感器的输出变为电压信号，再经由一个升压电压互感器升压后加到薄片型压电陶瓷的两极，使之产生相应的应变，利用反射式光纤位移传感器测得这个应变，从而实时地反映了一次电流的参量信息。低功耗电子式电流互感器的传感部分整体运行在高电位，对地绝缘由绝缘套管和光纤共同完成，实现高、低压完全隔离。该低功耗电子电流互感器实现了对电子式电流互感器的无源化，绝缘结构简单，抗干扰能力强，易于维护。

Description

一种低功耗电子式电流互感器

技术领域

本发明涉及压电陶瓷新技术和反射式光纤位移传感器技术在电力系统电流测量领域的应用，所推出的低功耗电子式电流互感器，是一种新型无源电子式高压电流互感器。

背景技术

电流互感器在电力系统中应用非常广泛，是电厂、变电站必备的设备之一，是电力系统的“眼睛”，它用于各种电流的测量和转换，作为对电费计量、电网的正常运行及故障时提供可靠的模拟量或数据信息的设备。

目前，电力系统中的电流互感器的主要有几类：

第一类是的电磁式电流互感器，其优点是：原理成熟，测量精度及暂态响应特性较好。但在高压大电流运行环境下，这类电流互感器需要大量的绝缘材料来解决原副边绕组的绝缘以及对地绝缘问题，尤其当二次开路时，二次回路高电压会直接对相关二次设备造成损害，甚至发生危险，导致重大事故。

第二类是光电式互感器，它的特点是：无饱和，高精度，线性度好，体积小，重量轻，可靠性、安全性高等。光电互感器的采集器单元(包括电流电压传变和信号处理等)与电力设备的高电压部分等电位，高低压之间连接全部使用光纤，将一次电流或电压转变为小电压信号，就地转换为数字量，通过光纤传输给保护、测量和监控等设备使用。但是基于法拉第效应的光电式电流互感器无法避免光纤的诱导线性双折射问题，温度稳定性和抗干扰性相对比较差，从而对外部环境和制造工艺要求比较高，目前比较难以形成工业化产品，广泛地推广应用。

第三类是罗氏线圈电子电流互感器。其目前的制造工艺趋于成熟，但是由于其输出信号微弱，需在高压侧对信号加以处理并放大，并且光源持续供能的稳定问题和抗干扰能力仍然是困扰它的主要问题，高压侧的信号处理系统也使它无法做到无源化。

发明内容

本发明的目的，旨在提出一种绝缘结构简单，暂态特性良好，采用光纤传输信号，并能广泛应用的低功耗型电子式电流互感器。

按照本发明提供的低功耗电子式电流互感器，利用开口铁心式电磁电流互感器做传感系统的第一级，该电磁式电流互感器的输出端接一高精密电阻，以此将电流信号转化成电压信号，该电压信号经一升压型电压互感器放大后加到固定的薄片型压电陶瓷上，反射式光纤位移传感器的光纤探头距离薄片型压电陶瓷片大约为2mm左右，通过非接触式测量把薄片型压电陶瓷片的逆压电效应产生的振动量转换为相应的光强度的变换量，通过光强度信息来反映电流的大小和方向。将光强度信号转换成电信号后，进行A/D转换后输出所测电流的数字化信息，送入数字化变电站的合并单元中，这样就完成了大电流测量的全过程，也实现电子式电流互感器的无源化和高、低压的完全隔离。

本发明中的低功耗电子式电流互感器，它采用反射式光纤位移传感器的非接触式测量技术除了对二次侧的电气元件有效进行隔离的同时，同时也实现了电子式电流互感器的无源化。运行时，传感部分均处于高电位，其对地绝缘由环氧树脂灌封和光纤来实现。

上述低功耗电子式电流互感器的优点是：体积小，重量轻，抗干扰能力强，对绝缘结构的要求比较简单，精度满足电能计量和保护控制的要求，动态稳定性能良好，能长期稳定运行，属于一种低功耗电子式电流互感器产品。

附图说明：

图1：薄片型压电陶瓷逆压电效应特性原理图

图2：低功耗电子式电流互感器测量原理图

图3：低功耗电子式电流互感器输入-输出特性图

图4：低功耗电子式电流互感器内部结构图

1.绝缘外壳  2开口铁心式电磁电流互感器  3环氧树脂

4高精密电阻  5升压电压互感器  6薄片型压电陶瓷  7紧固件

8光纤探头  9绝缘套管  10光纤  11低功耗电子式电流互感器底座

12反射式光纤位移传感器

具体实施方式：

以下结合上述各附图，详细说明本发明。

本发明中低功耗电子式电流互感器的传感系统以开口铁心式电磁电流互感器1为传感基础，其二次侧接入一高精密电阻3，将二次电流转换为电压。该电压经过升压电压互感器5升压后，得到的电压

与一次电流

呈线性关系：

$\stackrel{\·}{U}\∝{\stackrel{\·}{I}}_1---\left(1\right)$

将

加在薄片型压电陶瓷6(厚度大约在0.5mm左右)的两极。参见图1，本发明中所采用薄片型压电陶瓷6受到电压

作用时，利用其逆压电效应，把升压电压互感器5输出电压

的幅值、方向的变化量转化为薄片型压电陶瓷6的应变量，这是把电能转换成为机械能的关键环节。经过大量的实验数据证明：在一定的应变范围内，薄片型压电陶瓷6应变相量与电压相量成正比，具有很好的线性度，如式2所示：

$\mathrm{\ΔS}\∝\stackrel{\·}{U}---\left(2\right)$

薄片型压电陶瓷6的灵敏度很高，其驱动电流通常在10μA以下。这种采用薄片型压电陶瓷6的逆压电效应，把大电流相量线性地转换为微振动应变量的方法，实现了在电流互感器二次侧的有效电气隔离。

除了采用压电陶瓷的新技术，本发明首次把反射式光纤位移传感器12也引入到电力系统的电流测量当中。反射式光纤位移传感器是一种原理简单，设计灵活，性能稳定，造价低廉，抗干扰能力强的光电测量装置。本发明通过其光纤探头8的非接触测量方式，把薄片型压电陶瓷6的应变量转换成为与幅值大小成正比的接收光强度的变化量(反射式光纤位移传感器以电压向量形式来表征光强度变化量)，见图1，表达式如下：

${\stackrel{\·}{U}}_0\∝\mathrm{\ΔS}---\left(3\right)$

由(1)、(2)、(3)可得出反射式光纤位移传感器的输出与一次电流的关系：

${\stackrel{\·}{U}}_0\∝{\stackrel{\·}{I}}_1---\left(4\right)$

根据反射式光纤位移传感器12所提供的位移-输出电压特性曲线，在前坡区可以达到几个纳米的测量精度。对于薄片型压电陶瓷6在±1.0mm范围内的振动位移，能够完成高精度的识别。实验表明反射式光纤位移传感器12的输出能够正确响应薄片型压电陶瓷6的应变量，从而间接地快速反映一次电流的波形，具有很好的测量精度(见图3)。

反射式光纤位移传感器12的频率特性好，可以达到100kHz的响应频率，因此能够正确响应暂态过程的波形。同时暂态过程中的直流分量也能转化为压电陶瓷片的恒定位移，得到正确的响应后转换为光纤10内一定强度的光通量。在反射式光纤位移传感器12的信号处理过程中，光强度转换为电信号，进行A/D转换后输出所测电流的数字化信息，最后送入数字化变电站的合并单元中，完成了电流互感器信号转换的所有过程。

本发明中低功耗电子式电流互感器的传感部分整体运行在高电位，开口铁心部分采用环氧树脂3灌封，再用绝缘套管9按照6～10kV电压等级的标准进行外部封装，对地绝缘由绝缘套管9和光纤10共同完成，实现高、低压完全隔离。

一个绝缘等压等级6～10kV的低功耗电子式电流互感器，只要增加分绝缘套管9的高度和光纤10的长度，同样也适用于110kV、220kV和500kV高压等级电流的测量中，节约了许多的绝缘材料，其成本大幅度降低。

反射式光纤位移传感器12的非接触测量方式有效解决了低功耗电子式电流互感器的一、二次电气隔离问题，并真正实现低功耗电子式电流互感器的无源化测量。这种把电气量转换为位移量的方法颠覆了串通的电磁传递关系并实现了一、二次的电气隔离。

本发明中的薄片型压电陶瓷6所消耗的功率大约为0.4mW，通过对高精密电阻的整定，低功耗电子式电流互感器的整体功耗不超过1W，额定负荷与电磁式电流互感器比较，如表1所示：

表1：额定负荷与常规电磁式电流互感器的额定负荷比较：

理论和实践均表明，高压变电站运行环境属于强电场、强磁场，但是对电压驱动型的压电陶瓷片不会产生干扰，同时强电场、强磁场也不会对光纤通道所传输的光强度信号产生任何干扰。与法拉第磁光效应的光学电流互感器(OCT)相比较，长期困扰测量精度受环境温度的影响问题得到了妥善解决。从另一途径实现了低功耗电子电流互感器的数字化、无源化和光纤传输化。

Claims (8)

1.一种低功耗电子式电流互感器，其特征在于：利用开口铁心式电磁电流互感器(2)做传感系统的第一级，在该开口铁心式电磁电流互感器(2)的输出端接一电阻，以此将电流信号转化成电压信号，该电压信号经一升压型电压互感器(5)加到固定的薄片型压电陶瓷(6)上，反射式光纤位移传感器(12)的光纤探头(8)距离薄片型压电陶瓷(6)大约为2mm左右，由此测得薄片型压电陶瓷(6)由于电压作用产生的应变量，由此获得了一次电流的信息，送入到A/D转换单元，信号最终输出到数字变电站的低压合并单元，这样就完成了大电流测量的全过程，也实现电子式电流互感器的无源化和高、低压完全隔离。

2.如权利要求1所述的一种低功耗电子式电流互感器，其特征在于：采用开口铁心式电磁电流互感器(2)作为传感的第一级，输出电流信号。

3.如权利要求1所述的一种低功耗电子式电流互感器，其特征在于：利用高精密电阻(4)来将电磁式电流互感器的输出电流转换为电压信号。

4.如权利要求1所述的一种低功耗电子式电流互感器，其特征在于：采用升压型电压互感器(5)将电压信号放大。

5.如权利要求1所述的一种低功耗电子式电流互感器，其特征在于：将放大后的电压信号加到薄片型压电陶瓷(6)两极，薄片型压电陶瓷(6)厚度大约在0.5mm左右，由薄片型压电陶瓷(6)的逆压电效应所产生的应变来获得被测电流的信息。

6.如权利要求1所述的一种低功耗电子式电流互感器，其特征在于：采用反射式光纤位移传感技术，通过非接触式测量把薄片型压电陶瓷(6)的逆压电效应产生的振动量转换为相应的光强度的变换量，通过光强度信息来反映电流的大小和方向。

7.如权利要求1所述的一种低功耗电子式电流互感器，其特征在于：光强度信号通过光纤(10)来传输，在电流互感器的二次侧转换为电信号，进行A/D转换后输出所测电流的数字化信息，送入数字化变电站的合并单元中，完成电流互感器信号转换的所有过程。

8.如权利要求1所述的一种低功耗电子式电流互感器，其特征在于：传感部分整体运行在高电位，开口铁心部分采用环氧树脂(3)灌封，再用绝缘套管(9)按照6～10kV电压等级的标准进行外部封装，低功耗电子式电流互感器的对地绝缘由绝缘套管(9)和光纤(10)共同完成，实现高、低压完全隔离。

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