電子式組合互感器的設(shè)計
數(shù)字調(diào)制式電流互感器概念的提出已近半個世紀了，但受元器件的限制一直沒有發(fā)展起來。近年來ABB公司、德國RITZ公司都有一些不同類型電子式電流互感器和電子式電壓互感器產(chǎn)品的報道。研制了220kV/1250A系統(tǒng)的有源電子式電流互感器/電壓互感器，樣機總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
組合互感器系統(tǒng)由電流測量單元和電壓測量單元兩部分組成。前者采用羅柯夫斯基線圈作為電流傳感器，有源電子器件實現(xiàn)信號的數(shù)宇調(diào)制;后者采用電容分壓器作為電壓傳感器。高壓端電子線路電源由-一個輔助電源感應(yīng)線圈直接從母線上獲取。羅氏線圈和電源感應(yīng)線圈安裝在母線上。高壓端信號調(diào)制和電源調(diào)理電路板置于·一個鐵磁屏蔽盒中,電流信號在高壓端經(jīng)AD變換、E/O變換后調(diào)制成光信號，通過光纖傳送到低電位端。根據(jù)需要，可以將信號繼續(xù)用光纖傳送到遠方的控制室，也可以就地經(jīng)O/E、D/A變換，放大成模擬電流信號,母線電壓經(jīng)電容分壓器變換成低壓信號后，調(diào)制成光信號，經(jīng)光纖傳送到控制室，也可以就地經(jīng)校準、溫度補償后，給出模擬電壓信號、一個陶瓷套管既用作高壓部分元件的絕緣支撐，同時又是傳輸電流信號的光纖和電容分壓器的通道。
3.1組合互感器的電流和電壓信號測取
在有源電子式組合互感器中．作為一次電流采樣傳感頭的元件有很多種、有傳統(tǒng)的電磁式電流互感器、特別設(shè)計的小信號電流互感器、分流電阻器、羅柯夫斯基線圈等。其中羅柯夫斯基線圈以其良好的頻率響應(yīng)、高的測量準確度和結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等特性而成為首選。所以基于羅柯夫斯基線圈的有源ETA也就成為最具發(fā)展?jié)摿Φ墓怆娀ジ衅鳟a(chǎn)品，它既可以用作封閉電器GIS、插接式組合電器PASS中的電流測量設(shè)備，又可用于敞開式獨立有源ETA。羅柯夫斯基線圈是將導(dǎo)線均勻地繞在一個非磁性材料的骨架上制作而成的空心線圈，如圖3所示。載流導(dǎo)線從線圈中心穿過，當導(dǎo)線上有電流通過時，在線圈的兩端將會產(chǎn)生一個感應(yīng)電勢e，其大小為
式中M——羅氏線圈的互感被測電流信號可由下式表示
由式（2)可見，要得到被測電流信號，必須對線圈的輸出電壓信號進行積分，這可以通過兩種途徑實現(xiàn):采用模擬積分器或采用數(shù)字積分。總之，通過后續(xù)電路及相關(guān)的信號處理，我們可以獲得被測電流信號。
在中低壓配電領(lǐng)域，精密電阻分壓器、電容分壓器已經(jīng)使用得比較多。使用這種電壓傳感器技術(shù)，大大簡化了高壓傳感部分的設(shè)計，同時使用光纖傳輸信號，保留了光纖良好的電氣隔離作用，因此在本文的設(shè)計中采用了電容分壓器作為電壓取樣元件。
3.2組合互感器的信號處理系統(tǒng)
信號處理過程如下:電流信號在高壓側(cè)經(jīng)取樣后．變成數(shù)字信號，經(jīng)過適當?shù)墓β使纱螅?qū)剛友光二極管變成光信號，用光纖送到互感器下側(cè)低電壓端。電壓信號經(jīng)分壓器取樣后，變成數(shù)字信號，局樣經(jīng)過適當?shù)墓β史糯螅?qū)動發(fā)光二極管，也變成光信號。在互感器本體低電位例，已安股光1信虧的電流、電壓信號經(jīng)過光纖傳送到變電珀2至3在控制室經(jīng)O/E變換后，經(jīng)過適當調(diào)理，信號再送入工控機中進行信號解調(diào)和處理，解調(diào)后的模擬信號可供計鼉和保護用。在信號處理單元中，瞬態(tài)信號測量即用于保護電流、電壓信號的測量，必須
考慮信號處理單元的響應(yīng)速度及頻帶寬度。例如220kV系統(tǒng)暫態(tài)恢復(fù)電壓的最高固有主頻為
10kHz，如按1/10區(qū)間取樣，則E/O變換的工作主頻帶寬必須大于200kHz、在O/E變換中、則需采用快速光電二極管。
3.3組合互感器的一次側(cè)電子線路供電問題
一次側(cè)電子線路供電問題是有源ETA中的一個關(guān)鍵技術(shù)，一次側(cè)電源要給傳感元件信號處理部分提供穩(wěn)定的電源。有兩種思路解決這個問題，一是從地面二次側(cè)將能量傳送到一次側(cè)提供電源，二是直接從二次側(cè)的母線上取電源。由于一次、二次側(cè)之間要實現(xiàn)完全隔離，所以要將二次側(cè)的能量送到一次側(cè)，最好的辦法是通過光電轉(zhuǎn)換，用光纖來傳送:光電能量轉(zhuǎn)換一-般用大功率半導(dǎo)體激光二極管來完成。激光二極管作為光源提供驅(qū)動光電池的光功率，根據(jù)系統(tǒng)總功率需要選用合適的光功率和輸出效率的二極管。從光纖傳輸來的能量直接耦合到一次側(cè)的光電轉(zhuǎn)換器，通常是在光電池中，將光能轉(zhuǎn)換成電能，已經(jīng)有作為光電轉(zhuǎn)換的商業(yè)化的電二極管陣列可供選擇。采用地面供能的方法，優(yōu)點是電源穩(wěn)定、可靠性好、不受母線電流的影響。但是這個供能方案一般能提供的功率比較小，通常在mW級甚至在pW級。有時這種供能方案無法提供足夠的能量給一次側(cè)。另外，大功率、高效率的激光二極管、光電轉(zhuǎn)換器件比較昂貴．在使用壽命方面也沒有嚴格考核的報道。
由于母線電流變化范圍很大，以額定電流為1250A的ETA為例，母線穩(wěn)態(tài)電流可以在5%-120%1n(額定電流）內(nèi)變化，即在62.5-1500A的范圍內(nèi)變化;短路故障情況下、母線暫態(tài)電流可以達到201n，甚至更高。在這些情況下都要求能提供一次側(cè)電子線路所需要的穩(wěn)定電源。鑒于上述要求，提出了從母線上直接取電源的自具型電源方案，設(shè)計工作主要集中在從一個大范圍內(nèi)變化的電流源中取出--個具有一定功率穩(wěn)定輸出的電壓源。自具型電源的原理圖如圖4所示、在這里我們采用一個環(huán)形帶鐵心的感應(yīng)線圈完成從母線上提取電能的功能。
即可輸出所需要的恒定電壓Ul。因此問題可以轉(zhuǎn)化為設(shè)計一個電源感應(yīng)線圈的負荷阻抗可控電路，當母線電流較小時，等效阻抗較大；當母線電流較大時，等效阻抗較小。合理設(shè)計可控阻抗電路，可以實現(xiàn)在大范圍母線電流下提供穩(wěn)定饋電電源的目的。
