CN1696713A - 一种电流测量方法及所使用的电子式电流互感器和这种互感器的新用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电流测量方法，其利用与电力传输母线紧密结合的、由强磁致伸缩非晶合金和压电陶瓷构成电流磁场传感头，将流过电力传输母线的电流所产生的线性磁场变成电压模拟信号并将此电压模拟信号传输给电光转换器件；电光转换器件将此电压模拟信号变为模拟光信号，再通过光纤将模拟光信号送到地电位侧；在地电位侧，由光电转换器件将模拟光信号转换为模拟电信号或经过A/D转换成数字信号输出。上述电光转换器件可以采用激光供电方式进行供电。本发明还公开了这种电流测量方法所使用的电子式电流互感器以及这种电子式电流互感器在在线检测电力变压器线圈的纵绝缘缺陷、在线检测避雷器的工作状态、在线检测断路器的工作状态等方面的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种适合于电力系统电网中的电流测量、继电保护、自动控制和电气设备早期故障在线监测的电流测量方法，以及这种电流测量方法所使用的电子式电流互感器和这种互感器的新用途。
背景技术
目前，在电力系统电网中用于电流测量和继电保护的电流互感器主要是基于电磁感应式的原理，通过一次线圈串联在电力线路中获取电流信号，二次绕组外部回路接有测量仪器或继电保护及自动控制装置，完成电流测量和设备保护、自动控制的功能。在电磁感应式电流互感器的铁芯上绕有一、二次绕组，靠一、二次绕组之间的电磁耦合，将电流信号从一次侧传到二次侧。为了保证所有的低压设备与高电压的绝缘隔离。在铁芯与绕组间，以及一、二次绕组之间要有足够的耐电强度绝缘结构。随着电网中传输容量的增加，电压等级的提高，电磁感应式电流互感器的绝缘结构越来越复杂，体积和重量加大，产品的造价也越来越高。
电磁感应式电流互感器由于铁芯的存在，其电流测量具有非线性特点，当电力系统发生短路故障时，大幅值的短路电流使电磁感应电流互感器的铁芯饱和，输出的二次电流信号严重畸变，常常造成保护拒动，使电力系统发生严重事故。
目前，在电力系统电网中电磁感应式互感器得到了充分的应用，电磁感应式电流互感器主要以干式、油浸式和气体绝缘等多种结构形式来适应电力建设的发展需求。但是，随着电网传输容量的不断增长，电网电压等级的不断提高以及继电保护要求的不断完善，一般的电磁感应式电流互感器已逐渐暴露出与之不相适应的弱点，其固有的体积大、磁饱和、铁磁谐振、动态范围小，使用频带窄等弱点，难以满足新一代电力系统自动化、电力数字网络的发展需要。
另外电磁感应式互感器一般采用油、纸绝缘结构的办法来解决绝缘问题，不可避免地存在易燃、易爆等危险。
发明内容
为了解决现有电磁感应式互感器存在的诸多不足之处，本发明的目的之一是提供一种适合于电力系统电网中的电流测量、继电保护、自动控制和电气设备早期故障在线监测的电流测量方法。
本发明的目的之二是提供这种电流测量方法所使用的电子式电流互感器。
本发明的目的之三是提供这种电子式电流互感器的新用途。
为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种电流测量方法，其特征是利用与电力传输母线紧密结合的、由强磁致伸缩非晶合金片和压电陶瓷构成电流磁场传感头，将流过电力传输母线的电流所产生的线性磁场变成电压模拟信号并将此电压模拟信号传输给电光转换器件；电光转换器件将此电压模拟信号变为模拟光信号，再通过光纤将模拟光信号送到地电位侧；在地电位侧，由光电转换器件将模拟光信号转换为模拟电信号输出。
当然，光电转换器件输出的模拟电信号可以经过A/D转换成数字信号输出。
由于上述方法所使用的电光转换器件是将电压模拟信号直接转换为模拟光信号，所需要的电能很少，上述电光转换器件可以采用激光供电方式进行供电，即用激光源将电能从地电位侧通过光纤送到高电位侧，再由高电位侧的光电转换器件将光能转换成为电能，经过电源稳压电路稳压后向电光转换器件供电。
上述电流测量方法所使用的电子式电流互感器的结构是：包括电流传感器、复合绝缘子和光缆传输接头，光缆传输接头和电流传感器分别与复合绝缘子的上、下端连接；在电流传感器上设有一个用于电力传输母线穿过的电流取样孔，并在电流传感器内设有一个由强磁致伸缩非晶合金片和压电陶瓷构成电流磁场传感头和光电转换器件和电光转换器件；电流磁场传感头靠近电流取样孔；光电转换器件和电光转换器件的光信号的传输光缆穿过电流传感器、复合绝缘子与光缆传输接头连接。
为了将电子式电流互感器悬挂在电力传输线的绝缘子铁架上，在复合绝缘子的上端固定有一个挂钩。
为了防止雨水从光缆传输接头通过复合绝缘子灌入到电流传感器内，在复合绝缘子的上端固定有一个弯曲部分向下的光缆引出空心弯头，光缆传输接头与这个光缆引出空心弯头连接。
所述电流传感器包括上、下盖和底座；下盖固定安装在底座上，上盖安装在下盖的一个侧面；在下盖的上部设有一个与复合绝缘子连接的空心螺纹连接头，下盖内设有一个空腔，一个由强磁致伸缩非晶合企片和压电陶瓷构成电流磁场传感头和光电转换器件和电光转换器件安装在空腔内；电流取样孔贯穿底座。
上述电子式电流互感器的新用途是：
1、可以通过测量暂态过程中流进电力变压器高压套管的高频、高压大电流和流出电力变压器中性点套管的高频、高压大电流的峰值，在线检测电力变压器线圈的纵绝缘缺陷。
2、可以通过测量雷击时电力传输线上的瞬态电流峰值，在线检测避雷器的工作状态。
3、可以通过测量断路器的燃弧时间，在线检测断路器的工作状态。
本发明与传统电磁感应式电流互感器相比，具有如下优点：
(1)优良的绝缘性能和便宜的价格
电磁感应式电流互感器的高压母线与二次线圈之间通过铁芯耦合，它们之间的绝缘结构复杂，其造价随电压等级呈指数关系上升。本发明的电子式电流互感器所用材料为强磁致伸缩非晶合金片、压电陶瓷、光纤等绝缘材料来传输信息，所以绝缘结构简单，其造价一般不随电压等级升高而呈线性增加。
(2)不含铁芯，消除了磁饱和和铁磁谐振等问题
电磁感应式电流互感器由于使用了铁芯，不可避免地存在磁饱和及铁磁共振和磁滞效应等问题。本发明的电子式电流互感器不存在这方面的问题。
(3)抗电磁干扰性能好，低压边无开路高压危险
电磁感应式电流互感器二次回路不能开路，低压边存在开路危险。由于本发明的电子式电流互感器的高压边与低压边之间只存在光纤联系，而光纤具有良好的绝缘性能，可保证高压回路与二次回路在电气上完全隔离，低压边无开路高压危险，免除电磁干扰。
(4)动态范围大，测量精度高
电网正常运行时，电流互感器流过的电流并不大，但短路电流一般很大，而且随着电网容量的增加，短路电流越来越大。电磁感应式电流互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量，不能同时满足高精度计量和继电保护的需要。本发明的电子式电流互感器有很宽的动态范围，额定电流可测到几十安培至几万安培，过电流范围可达几十万安培。
(5)频率响应范围宽
本发明的电子式电流互感器的频率响应取决于电流传感器强磁致伸缩非晶合金片对磁场的响应时间，以及电光转换器件对模拟光信号的渡越时间，通过多次试验证明本发明的电子式电流互感可以用来测量高压电力线上的雷击高频大电流、断路器操作高频大电流、突发短路高频大电流的暂态波形(频率带宽为10Hz-10MHz)和暂态电流峰值，而电磁感应式电流互感器是难以进行这方面的工作的。
(6)没有因存油而产生的易燃、易爆等危险
电磁感应式电流互感器一般采用油纸绝缘结构的办法来解决绝缘问题，不可避免地存在易燃、易爆等危险。而本发明的电子式电流互感器的绝缘结构简单，不采用油纸绝缘，在结构上避免这方面的危险。
(7)体积小、重量轻、节约空间
本发明的电子式电流互感器总重量约为15kg，采用悬挂安装方式，直接将产品悬挂在电力传输线的绝缘子铁架上，不需要占用地面的位置。电力传输母线直接从电流传感器的电流取样孔中穿过，减免了电流互感器的连接头与电力传输母线的安装工作量，给产品的运输和安装带来了很大的方便。
(8)适应了电力计量和保护数字化、微机化和自动化的发展
随着计算机和数字技术的发展，电力计量与继电保护已日益实现自动化、微机化。电磁感应式电流互感器的5A或1A输出规范必需采用A/D转换技术才能与计算机接口，而本发明电子式电流互感器输出的就是数字信号，计算机可直接使用，避免中间环节。
由于本发明采用了近年发展起来的磁性传感、电光转换、光纤通讯、激光供电和计算机虚拟仪器等最新技术，因此具有较强的生命力和较高的技术含量，能够有效地替代传统产品并扩展传统产品的用途，满足电力工业高速发展的需求。
附图说明
图1是本发明一种电流测量方法的流程图；
图2是本发明所述电子式电流互感器的结构示意图；
图3是图2的左视图；
图4是本发明所述电子式电流互感器中电流传感器的结构示意图；
图5是图4的A-A剖视图；
图6是电力变压器等值电路图；
图7是暂态过程中的电力变压器等值电路图。
具体实施方式
参见图1，一种电流测量方法，是利用与电力传输母线紧密结合的、由强磁致伸缩非晶合金片和压电陶瓷构成电流磁场传感头，将流过电力传输母线的电流所产生的线性磁场变成电压模拟信号并将此电压模拟信号传输给电光转换器件；电光转换器件将此电压模拟信号变为模拟光信号，再通过光纤将模拟光信号送到地电位侧；在地电位侧，由光电转换器件将模拟光信号转换为模拟电信号输出。同时光电转换器件输出的模拟电信号可以经过A/D转换成数字信号输出供用户选择。用户可根据需要，选取模拟信号或者数字信号的输出量，供电能计量、继电保护、自动控制、电气设备早期故障在线监测之用。
由于上述方法所使用的电光转换器件是将电压模拟信号直接转换为模拟光信号，所需要的电能很少(不超过1W)，上述电光转换器件可以采用激光供电方式进行供电，即用激光源将电能从地电位侧通过光纤送到高电位侧，再由高电位侧的光电转换器件将光能转换成为电能，经过电源稳压电路稳压后向电光转换器件供电。这种供电方式的优点是向电光转换器件提供的电源比较稳定，而且也不易受到外界杂散光源的影响。
参见图2、图3，电子式电流互感器的结构是：包括电流传感器1、复合绝缘子2和光缆传输接头3及弯曲部分向下的光缆引出空心弯头4，光缆引出空心弯头4和电流传感器1分别采用螺纹连接的方式与复合绝缘子2的上、下端连接；光缆传输接头3与光缆引出空心弯头4连接；在电流传感器1上设有一个用于电力传输母线穿过的电流取样孔5，在复合绝缘子2的上端采用螺纹连接的方式设有一个挂钩6。
参见图4、图5，电流传感器1包括上、下盖7、8和底座9；下盖8通过螺栓固定安装在底座9上，布线时可以将螺栓拧松，取下底座9。上盖7也通过螺栓安装在下盖8的一个侧面；在下盖8的上部设有一个与复合绝缘子2连接的空心螺纹连接头10，下盖8内设有一个空腔11，空腔11内装有一个由强磁致伸缩非晶合金片12和压电陶瓷13构成电流磁场传感头14和光电转换器件15和电光转换器件16；电流取样孔5贯穿底座9。电流磁场传感头13的强磁致伸缩非晶合金片12靠近电流取样孔5；光电转换器件15和电光转换器件16的光信号的传输光缆17穿过电流传感器1、复合绝缘子2及光缆引出空心弯头4与光缆传输接头3连接。
电磁感应式电流互感器主要用于电网中的电流测量和继电保护，本实施方式中的电子式电流互感器不但具有电磁感应式电流互感器的全部功能，而且还具有电网中电气设备早期故障在线监测的功能。
(1)电力变压器在线监测功能
电力变压器是电网中的主要电气设备，发电机通过它实现电力能源的远距离传输，因此对电力变压器设备绝缘性能的运行状态监测就极为重要。人们为了了解电力变压器设备运行时绝缘状态，通过在线检测各种数据实时反映变压器设备绝缘性能的优劣。
本实用新型电子式电流互感器能够为电力变压器设备在线监测技术提供一种全新的检测方法。
参见图6、图7，电子式电流互感器能够为电力变压器设备在线监测技术提供一种全新的检测方法。
图6中，C1-线圈纵向电容，C2-线圈对地电容，C3-电容式套管对地电容。
从图6中可以看出，线圈对地电容、电容式套管对地电容是可以测量出来的，而线圈纵向电容是测量不出来的，它的大小取决于线圈匝间、饼间绝缘性能和匝间电压的变化。
由于本实施方式的电子式电流互感器可以测量出高压电力线上的雷击高频大电流、断路器操作高频大电流、突发短路高频大电流的暂态波形和暂态电流峰值，因此我们可以在高频、高压条件下测量线圈纵向电容，根据线圈纵向电容的变化分析电力变压器设备绝缘性能的状态。
电力变压器在运行时所承受雷击电流、开关操作电流、突发短路电流的冲击暂态过程中，电力变压器的等值电路图可以等效为一个电容电路(当频率为100KHz-1MHz的电流冲击波作用变压器线圈时，线圈电感支路相当于断路状态)。如图7所示，
分析以上电路，可求出线圈纵向电容C纵与电流I1、I2的关系公式：
(C纵+C地+C套)/C纵＝I1/I2
C地、C套的电容值可采用离线的方式测量，而C纵是无法测量的。采用本实用新型电子式电流互感器测量暂态过程中流进电力变压器高压套管的高频、高压大电流I1和流出电力变压器中性点套管的高频、高压大电流I2的峰值，根据上述公式，就能够计算出线圈纵向电容C纵。
检测暂态过程中的线圈纵向电容C纵，实现在线监测电力变压器运行状态的功能。
(2)避雷器在线监测功能
避雷器主要用于限制电力变压器设备上的过电压，在避雷器发生动作时，避雷器将产生残压，该残压通过电力传输母线作用在变压器高压套管端子上，通常该残压为电力变压器设备1.6-2.2倍额定工作电压。采用本实用新型电子式电流互感器用来测量过电压作用变压器高压套管端子的瞬态电流，计算避雷器残压U残。
U残＝I1/2лf(C纵+C地+C套)
检测避雷器动作时的残压，实现在线监测避雷器运行状态的功能。
(3)断路器在线监测功能
断路器主要用于合、分电力变压器设备的工作电流，当断路器切换时，断路器的燃弧时间是判断断路器工作状态的一个很重要的指标。采用本实用新型电子式电流互感器用来测量断路器的燃弧时间t燃，检测断路器动作时的燃弧时间t燃，实现在线监测断路器运行状态的功能。
Claims (10)
1、一种电流测量方法，其特征是利用与电力传输母线紧密结合的、由强磁致伸缩非晶合金和压电陶瓷构成电流磁场传感头，将流过电力传输母线的电流所产生的线性磁场变成电压模拟信号并将此电压模拟信号传输给电光转换器件；电光转换器件将此电压模拟信号变为模拟光信号，再通过光纤将模拟光信号送到地电位侧；在地电位侧，由光电转换器件将模拟光信号转换为模拟电信号输出。
2、根据权利要求1所述的一种电流测量方法，其特征是所述光电转换器件输出的模拟电信号可以经过A/D转换成数字信号输出。
3、根据权利要求1所述的一种电流测量方法，其特征是所述电光转换器件可以采用激光供电方式进行供电，即用激光源将电能从地电位侧通过光纤送到高电位侧，再由高电位侧的光电转换器件将光能转换成为电能，经过电源稳压电路稳压后向电光转换器件供电。
4、一种如权利要求1所述的电流测量方法所使用的电子式电流互感器，其特征在于包括电流传感器(1)、复合绝缘子(2)和光缆传输接头(3)，光缆传输接头(3)和电流传感器(1)分别与复合绝缘子(2)的上、下端连接；在电流传感器(1)上设有一个用于电力传输母线穿过的电流取样孔(5)，并在电流传感器(1)内设有一个由强磁致伸缩非晶合金片(12)和压电陶瓷(13)构成电流磁场传感头(14)和光电转换器件(15)和电光转换器件(16)；电流磁场传感头(14)靠近电流取样孔(5)；光电转换器件(15)和电光转换器件(16)的光信号的传输光缆(17)穿过电流传感器(1)、复合绝缘子(2)与光缆传输接头(3)连接。
5、根据权利要求4所述的电子式电流互感器，其特征在于在复合绝缘子(2)的上端设有一个挂钩(6)。
6、根据权利要求4或5所述的电子式电流互感器，其特征在于在复合绝缘子(2)的上端固定有一个弯曲部分向下的光缆引出空心弯头(4)，光缆传输接头(3)与这个光缆引出空心弯头(4)连接。
7、根据权利要求4所述的电子式电流互感器，其特征在于所述电流传感器(1)包括上、下盖(7、8)和底座(9)；下盖(8)固定安装在底座(9)上，上盖(7)安装在下盖(8)的一个侧面；在下盖(8)的上部设有一个与复合绝缘子(2)连接的空心螺纹连接头(10)，下盖(8)内设有一个空腔(11)，一个由强磁致伸缩非晶合金片(12)和压电陶瓷(13)构成电流磁场传感头(14)和光电转换器件(15)和电光转换器件(16)安装在空腔(11)内；电流取样孔(5)贯穿底座(9)。
8、一种如权利要求4所述的电子式电流互感器的新用途，是电子式电流互感器可以通过测量暂态过程中流进电力变压器高压套管的高频、高压大电流和流出电力变压器中性点套管的高频、高压大电流的峰值，在线检测电力变压器线圈纵绝缘缺陷。
9、一种如权利要求4所述的电子式电流互感器的新用途，是电子式电流互感器可以通过测量雷击时电力传输线上的瞬态电流峰值，在线检测避雷器的工作状态。
10、一种如权利要求4所述的电子式电流互感器的新用途，是电子式电流互感器可以通过测量断路器的燃弧时间，在线检测断路器的工作状态。
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