李深旺　郭志忠　張國(guó)慶　于文斌　申　巖

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系　哈爾濱　150001)

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集磁環(huán)式光學(xué)電流互感器的自校正測(cè)量方法

李深旺郭志忠張國(guó)慶于文斌申巖

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系哈爾濱150001)

摘要為解決集磁環(huán)式光學(xué)電流互感器存在的線性度和準(zhǔn)確度差的問(wèn)題，提出了一種集磁環(huán)式光學(xué)電流互感器的自校正測(cè)量方法。該方法在常規(guī)集磁環(huán)式光學(xué)電流互感器的基礎(chǔ)上增加基準(zhǔn)電流源、自校正線圈和遠(yuǎn)端采集單元，并采用自校正算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使常規(guī)的集磁環(huán)式光學(xué)電流互感器成為一個(gè)完整的自校正測(cè)量系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的集磁環(huán)式光學(xué)電流互感器測(cè)量準(zhǔn)確度等級(jí)滿足IEC 0.2級(jí)的測(cè)量要求，可以有效提高集磁環(huán)式光學(xué)電流互感器的線性度和準(zhǔn)確度，證明了自校正測(cè)量方法的正確性與實(shí)用性。同時(shí)為集磁環(huán)式光學(xué)電流互感器的實(shí)用化設(shè)計(jì)提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：光學(xué)電流互感器集磁環(huán)線性度準(zhǔn)確度自校正測(cè)量

0引言

電流互感器是電力系統(tǒng)不可或缺的電力設(shè)備，準(zhǔn)確測(cè)量任意時(shí)刻的電流值是電力系統(tǒng)對(duì)電流互感器的根本要求[1]。光學(xué)電流互感器(Optical Current Transformer，OCT)經(jīng)過(guò)幾十年的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，被視為常規(guī)電流互感器的理想替代品[2-4]。根據(jù)光路結(jié)構(gòu)的不同，OCT可分為閉合光路型和直通光路型兩種，其中，直通光路型OCT光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高以及易于制造，且隨著測(cè)量精度溫漂[5，6]、長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性[7-9]和電磁干擾[10-12]等技術(shù)難題的逐步解決，直通光路型OCT已進(jìn)入實(shí)用化階段。

集磁環(huán)式光學(xué)電流互感器屬于直通光路型OCT。采用集磁環(huán)的設(shè)計(jì)方案，可以增大直通光路型OCT的測(cè)量靈敏度、提高其抗外磁場(chǎng)干擾能力。但是，由于集磁環(huán)的存在，集磁環(huán)式OCT不可避免地存在鐵磁飽和、磁導(dǎo)率變化和漏磁等缺陷，導(dǎo)致其測(cè)量的線性度和準(zhǔn)確度下降，這是集磁環(huán)式OCT進(jìn)一步實(shí)用化的主要技術(shù)障礙。

解決集磁環(huán)式光學(xué)電流互感器線性度差、測(cè)量準(zhǔn)確度低的問(wèn)題具有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者對(duì)此作了許多針對(duì)性的研究，并提出了一些解決方案，主要包括：①改進(jìn)材料特性方案：通過(guò)選擇磁導(dǎo)率大且剩磁小的鐵磁材料制作集磁環(huán)，增大其磁飽和的頂端閾值及線性范圍，從而提高集磁環(huán)式光學(xué)電流互感器的線性度和測(cè)量范圍[13]；②結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案：通過(guò)精心設(shè)計(jì)集磁環(huán)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)、合理設(shè)計(jì)磁光晶體的長(zhǎng)度和安裝位置等，提高集磁環(huán)式光學(xué)電流互感器的測(cè)量范圍和測(cè)量準(zhǔn)確度[14-17]；③補(bǔ)償方案：根據(jù)集磁環(huán)磁導(dǎo)率隨待測(cè)電流變化的規(guī)律，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償[18]。上述的解決方案只是針對(duì)影響集磁環(huán)式光學(xué)電流互感器傳感特性的某一個(gè)影響因素進(jìn)行優(yōu)化，盡管獲得了一定的改進(jìn)效果，但對(duì)集磁環(huán)式OCT測(cè)量性能的提高效果有限，未能從根本上解決線性度差和測(cè)量準(zhǔn)確度低的問(wèn)題。

為此，本文提出一種集磁環(huán)式OCT的自校正測(cè)量方法，通過(guò)增加基準(zhǔn)電流源、自校正線圈和遠(yuǎn)端采集單元，并采用自校正算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以此實(shí)現(xiàn)集磁環(huán)式OCT的自校正測(cè)量，提高其測(cè)量的線性度和準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用自校正測(cè)量方案的集磁環(huán)式OCT測(cè)量準(zhǔn)確度等級(jí)可以達(dá)到IEC 0.2級(jí)。本文的研究為集磁環(huán)式OCT的實(shí)用化設(shè)計(jì)提供了新的解決方案。

1集磁環(huán)式OCT傳感特性分析

1.1基本原理

集磁環(huán)式OCT采用條狀磁光晶體構(gòu)成光學(xué)傳感器，并在光學(xué)傳感器周圍增加一個(gè)集磁環(huán)構(gòu)成環(huán)繞載流導(dǎo)體的傳感結(jié)構(gòu)，光學(xué)傳感器安裝在集磁環(huán)的氣隙內(nèi)部，如圖1所示。圖中，lc為磁光玻璃的長(zhǎng)度，lg為氣隙的長(zhǎng)度，α為載流導(dǎo)體中心向磁光晶體兩端點(diǎn)的張角。

圖1　集磁環(huán)式OCT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1　System structure of OCT with magnetic concentrator ring

集磁環(huán)可以使待測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)重新分布，光學(xué)傳感基于法拉第磁光效應(yīng)原理測(cè)量載流導(dǎo)體中的待測(cè)電流信息。

采用集磁環(huán)后磁路的拓?fù)潢P(guān)系發(fā)生變化，集磁環(huán)式OCT的等效磁路模型如圖2所示。圖2中，F(xiàn)為磁動(dòng)勢(shì)；Φ為磁通；Rg、Rr分別為氣隙、集磁環(huán)的磁阻。

圖2　集磁環(huán)式OCT等效磁路Fig.2　Equivalent magnetic circuit of OCT with magnetic concentrator ring

利用集磁環(huán)的聚磁能力，可以使待測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)重新分布，極大地增強(qiáng)了氣隙內(nèi)部的磁場(chǎng)。本質(zhì)上，光學(xué)傳感器不是直接對(duì)待測(cè)電流進(jìn)行測(cè)量，而是對(duì)氣隙內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量，并用氣隙部分的磁場(chǎng)線積分代替閉合環(huán)路磁場(chǎng)線積分。若集磁環(huán)是理想的，則氣隙內(nèi)部磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度正比于待測(cè)電流。線偏振光在磁光晶體中經(jīng)氣隙磁場(chǎng)調(diào)制，產(chǎn)生一個(gè)正比于待測(cè)電流的法拉第旋光角，通過(guò)二次信號(hào)處理電路可以解調(diào)出待測(cè)電流信息。

集磁環(huán)式OCT的傳感模型為

uo=kic+δ

(1)

式中，uo為集磁環(huán)式OCT的測(cè)量輸出；ic為待測(cè)電流；k為集磁環(huán)式OCT的變比；δ為誤差項(xiàng)。

以下對(duì)集磁環(huán)式OCT的傳感特性進(jìn)行分析。

1.2靈敏度特性分析

如圖1所示，設(shè)載流導(dǎo)體中施加的待測(cè)電流為ic，載流導(dǎo)體位于集磁環(huán)的中心位置且垂直于集磁環(huán)所在平面，光學(xué)傳感器位于集磁環(huán)氣隙內(nèi)部。

若不采用集磁環(huán)，則圖1所示的集磁環(huán)式OCT退化為常規(guī)直通光路型OCT。此時(shí)，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，光學(xué)傳感器敏感待測(cè)電流ic產(chǎn)生的磁場(chǎng)Bc產(chǎn)生的法拉第旋光角為

(2)

式中，V為磁光材料的菲爾德常數(shù)；μ0為真空磁導(dǎo)率。從而可得常規(guī)直通光路型OCT的靈敏度為

(3)

若采用集磁環(huán)，假設(shè)集磁環(huán)無(wú)漏磁，由待測(cè)電流ic產(chǎn)生的磁通全部從集磁環(huán)內(nèi)部通過(guò)，氣隙內(nèi)的磁場(chǎng)為均勻磁場(chǎng)。

由待測(cè)電流ic產(chǎn)生的磁通為

(4)

氣隙磁阻Rg和集磁環(huán)磁阻Rr可表示為

(5)

式中，lr為集磁環(huán)的長(zhǎng)度；μr為集磁環(huán)的相對(duì)磁導(dǎo)率；S為集磁環(huán)開(kāi)口端面的面積。

從而，氣隙內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

(6)

對(duì)于由鐵磁材料制作而成的集磁環(huán)，其相對(duì)磁導(dǎo)率μr?1，從而式(6)可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

(7)

光學(xué)傳感器敏感氣隙內(nèi)部磁場(chǎng)產(chǎn)生的法拉第旋光角為

(8)

從而可得集磁環(huán)式OCT的靈敏度為

(9)

比較式(3)和式(9)可得，集磁環(huán)式OCT與常規(guī)直通光路型OCT的靈敏度之比為

(10)

集磁環(huán)式OCT在設(shè)計(jì)時(shí)一般都會(huì)盡量利用氣隙的有效長(zhǎng)度，使得lc/lg≈1；載流導(dǎo)體向磁光玻璃的張角α恒小于π/2，即π/α>2。因此，與常規(guī)直通光路型OCT相比，集磁環(huán)式OCT的測(cè)量靈敏度至少可以提高兩倍以上。

1.3準(zhǔn)確度特性分析

考慮集磁環(huán)磁導(dǎo)率的影響，式(1)所示的集磁環(huán)式OCT的傳感模型可以進(jìn)一步表示為

uo=kic+δ=krk2ic+δ

(11)

式中，集磁環(huán)式OCT的變比k=krk2；kr為磁導(dǎo)率靈敏度校正因子。

其中

(12)

集磁環(huán)一般采用鐵磁材料制作而成，實(shí)際的集磁環(huán)材料是非理想的，其磁導(dǎo)率是磁感應(yīng)強(qiáng)度的函數(shù)，按磁滯回線變化。當(dāng)待測(cè)電流發(fā)生變化時(shí)，集磁環(huán)的磁導(dǎo)率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)地變化，從而導(dǎo)致集磁環(huán)磁阻發(fā)生變化。特別地，當(dāng)待測(cè)電流增大到一定大小之后，集磁環(huán)會(huì)進(jìn)入磁飽和狀態(tài)。

由式(12)可知，當(dāng)集磁環(huán)材料的相對(duì)磁導(dǎo)率μr變化時(shí)，磁導(dǎo)率靈敏度校正因子kr也隨之變化，根據(jù)式(11)，此時(shí)變比k也隨之變化，而不再是常數(shù)，這就導(dǎo)致集磁環(huán)式OCT的線性度變差。線性度差導(dǎo)致的測(cè)量準(zhǔn)確度下降是集磁環(huán)式OCT面臨的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

2自校正測(cè)量方法

線性度是評(píng)價(jià)電流互感器測(cè)量品質(zhì)的重要參數(shù)，為了解決集磁環(huán)式OCT線性度差的問(wèn)題，本節(jié)提出一種集磁環(huán)式OCT的自校正測(cè)量方法，并具體設(shè)計(jì)了一種自校正測(cè)量系統(tǒng)，它包括集磁環(huán)、光學(xué)傳感器、光源、自校正線圈、基準(zhǔn)電流源、遠(yuǎn)端采集單元和信號(hào)處理單元。圖3所示是集磁環(huán)式OCT自校正測(cè)量系統(tǒng)的示意圖。

圖3　集磁環(huán)式OCT自校正測(cè)量系統(tǒng)Fig.3　Self-calibration system of OCT with magnetic concentrator ring

基準(zhǔn)電流源向密繞在集磁環(huán)上的自校正線圈施加一個(gè)基準(zhǔn)電流ib，待測(cè)電流ic是工頻電流，頻率為fc=50 Hz；基準(zhǔn)電流ib是高頻電流，其頻率為fb，且fb?fc。自校正線圈中的電流ib產(chǎn)生基本正比于電流大小的磁通量Φb(設(shè)Φb=kbib，以由冷軋硅鋼片制作的集磁環(huán)為例，考慮其磁化曲線的非線性，集磁環(huán)工作于非磁飽和狀態(tài)時(shí)kb的變化小于0.2%)。由于集磁環(huán)的作用，Φc和Φb都集中于集磁環(huán)內(nèi)部，構(gòu)成如圖2所示的磁通回路。安裝在集磁環(huán)氣隙內(nèi)的光學(xué)傳感器根據(jù)法拉第磁光效應(yīng)原理測(cè)量氣隙內(nèi)部的磁場(chǎng)信息。

遠(yuǎn)端采集單元對(duì)基準(zhǔn)電流ib進(jìn)行測(cè)量并將測(cè)量結(jié)果輸送至信號(hào)處理單元；光學(xué)傳感器測(cè)量氣隙內(nèi)部的磁場(chǎng)信息，也將測(cè)量信號(hào)輸送至信號(hào)處理單元。在同步時(shí)鐘控制下，信號(hào)處理單元對(duì)光學(xué)傳感器和遠(yuǎn)端采集單元輸送來(lái)的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行同步采樣。

在任意t時(shí)刻，光學(xué)傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后分成兩路相同的信號(hào)，其中，第一路信號(hào)經(jīng)過(guò)工頻濾波器，其輸出信號(hào)僅含有工頻電流信息，即

uo1(t)=krk1ic(t)

(13)

第二路信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波器，其輸出信號(hào)僅含基準(zhǔn)電流信息，即

uo2(t)=krk1ib(t)

(14)

與此同時(shí)，遠(yuǎn)端采集單元測(cè)量基準(zhǔn)電流源的輸出電流獲得的輸出信號(hào)可表示為

uz(t)=kzib(t)

(15)

式中，kz為遠(yuǎn)端采集單元的靈敏度。

遠(yuǎn)端采集單元獨(dú)立工作，其靈敏度kz與傳感頭部分無(wú)關(guān)，不會(huì)受到集磁環(huán)磁導(dǎo)率、傳感頭結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。可以認(rèn)為kz是一個(gè)獨(dú)立的常數(shù)。

由式(13)～式(15)可以推導(dǎo)得到集磁環(huán)式OCT自校正測(cè)量系統(tǒng)的傳感模型為

(16)

由式(16)可見(jiàn)，自校正測(cè)量的輸出電壓與集磁環(huán)式的磁導(dǎo)率變化等因素?zé)o關(guān)，只需實(shí)時(shí)同步檢測(cè)工頻濾波器、高通濾波器和遠(yuǎn)端采集單元的測(cè)量值，即可得到待測(cè)電流的準(zhǔn)確值，消除了集磁環(huán)磁導(dǎo)率變化對(duì)集磁環(huán)式OCT的影響，從而提高集磁環(huán)式OCT的線性度。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4所示是本文設(shè)計(jì)的集磁環(huán)式OCT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，集磁環(huán)式OCT的額定電流為1 000A。集磁環(huán)式OCT通過(guò)工裝固定，載流導(dǎo)體從集磁環(huán)中心穿過(guò)且垂直于集磁環(huán)所在平面，自校正線圈密繞在集磁環(huán)上，其匝數(shù)為1 882。集磁環(huán)由冷軋硅鋼片制作而成，集磁環(huán)的外半徑R=0.27 m、內(nèi)半徑r=0.23 m、厚度d=0.04 m，氣隙長(zhǎng)度lg=0.13 m。光學(xué)傳感器的磁光晶體采用牌號(hào)為ZF—7的重火石材料，磁光晶體沿通光方向的長(zhǎng)度lc=0.05 m。

圖4　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4　Test system

大電流發(fā)生器向載流導(dǎo)體施加一個(gè)待測(cè)電流ic?；鶞?zhǔn)電流源向自校正線圈施加一個(gè)基準(zhǔn)電流ib，基準(zhǔn)電流的頻率為800 Hz。遠(yuǎn)端采集單元測(cè)量基準(zhǔn)電流源的輸出電流，并將測(cè)量信號(hào)輸送給信號(hào)處理單元。標(biāo)準(zhǔn)CT的準(zhǔn)確等級(jí)為0.01S，可以準(zhǔn)確測(cè)量載流導(dǎo)體中的電流信息。光學(xué)電流傳感器變比調(diào)整為1 200∶1.862。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，向載流導(dǎo)體施加5%～120%倍額定電流，并同時(shí)測(cè)量集磁環(huán)式OCT自校正前、自校正后的輸出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5　Test results

由圖5a可見(jiàn)，當(dāng)待測(cè)電流為額定電流5%～120%時(shí)，若不采用自校正測(cè)量方法，集磁環(huán)式OCT的比差在-2.49%～0.12%之間，線性度較差；采用自校正測(cè)量方法之后，集磁環(huán)式OCT的比差在-0.10%～0.10%之間，線性度較好，測(cè)量準(zhǔn)確度與自校正前的比差結(jié)果相比顯著提高。采用自校正測(cè)量方案時(shí)，集磁環(huán)式OCT的比差和角差滿足IEC 0.2級(jí)的測(cè)量準(zhǔn)確度要求。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用自校準(zhǔn)測(cè)量方法可以有效提高集磁環(huán)式OCT的線性度和準(zhǔn)確度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)論相吻合，證明了自校正測(cè)量方法的正確性與實(shí)用性。

4結(jié)論

本文分析了集磁環(huán)式OCT的傳感特性，指出增加集磁環(huán)可以有效提高直通光路型OCT的測(cè)量靈敏度，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致直通光路型OCT的線性度較差，從而導(dǎo)致集磁環(huán)式OCT的測(cè)量準(zhǔn)確度下降。為解決這一問(wèn)題，提出了一種集磁環(huán)式OCT的自校準(zhǔn)測(cè)量方法，并建立了自校準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。該方法在集磁環(huán)式OCT的基礎(chǔ)上增加自校正線圈、基準(zhǔn)電流源和遠(yuǎn)端采集單元等構(gòu)成自校準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)電流的自校準(zhǔn)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用自校準(zhǔn)測(cè)量方法時(shí)，集磁環(huán)式OCT測(cè)量準(zhǔn)確度高、線性度好，測(cè)量準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到IEC 0.2級(jí)，證明自校準(zhǔn)測(cè)量方法的正確性和實(shí)用性。本文的研究可以為集磁環(huán)式OCT的實(shí)用化提供新的解決思路。

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作者簡(jiǎn)介

李深旺男，1985年生，博士研究生，研究方向?yàn)槔^電保護(hù)新技術(shù)、光學(xué)測(cè)量技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

E-mail：lishenwang2010@163.com

張國(guó)慶男，1969年生，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和光學(xué)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用等。

E-mail：guoqingz@126.com(通信作者)

Self-Calibration Measurement Method for Optical Current Transducer with Magnetic Concentrator Ring

Li ShenwangGuo ZhizhongZhang GuoqingYu WenbinShen Yan

(Department of Electrical EngineeringHarbin Institute of TechnologyHarbin150001China)

AbstractIn this paper a self-calibration measurement method is proposed to improve the linearity and accuracy of the optical current transducer with the magnetic concentrator ring.A reference current source，a self-calibration coil，and a remote collection unit are applied to the normal optical current transducer with the magnetic concentrator ring to form the self-calibration measurement system.And the self-calibration algorithm is also used in the signal processing.The experimental results show that the designed optical current sensor with the magnetic concentrator ring can meet the requirement of IEC 0.2 class.And the linearity and accuracy of the optical current transducer with the magnetic concentrator ring are improved obviously by using the self-calibration measurement method.The experimental results demonstrate the correctness and practicality of the self-calibration measurement method.The research can provide a new method for the practical design of the optical current transducer with the magnetic concentrator ring.

Keywords：Optical current transducer，magnetic concentrator ring，linearity，accuracy，self-calibration measurement

中圖分類號(hào)：TM452

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(B3441515K003)和國(guó)家電網(wǎng)公司“基于光學(xué)電流互感器的新型繼電保護(hù)應(yīng)用研究”項(xiàng)目資助。

收稿日期2015-06-27改稿日期2016-06-05