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电子式互感器的关键技术及其相关理论研究中文摘要:电子式互感器与传统电磁式互感器相比,在带宽、绝缘和成本等方面具有优势,因而代表了高电压等级电力系统中电流和电压测量的一种极具吸引力的发展方向。随着信息技术的发展和电力市场中竞争机制的形成,电子式互感器成为人们研究的热点;越来越多的新技术被引入到电子式互感器设计中,以提高其工作可靠性,降低运行总成本,减小对生态环境的压力。本文围绕电子式互感器实用化中的关键技术而展开理论与实验研究,具体包括新型传感器、双传感器的数据融合算法、数字接口、组合式电源、低功耗技术和自监测功能的实现等。目前电子式电流互感器(ECT)大多数采用单传感器开环结构,对每个环节的精度和可靠性的要求都很高,严重制约了ECT整体性能的提高,影响其实用化。本文介绍了新型传感器—铁心线圈式低功率电流传感器(LPCT)和印刷电路板(PCB)空心线圈及其数字积分器,在此基础上设计了一种基于LPCT和PCB空心线圈的组合结构的新型电流传感器。该结构具有并联的特点,结合了这两种互感器的优点,采用数据融合算法来处理两路信号,实现高精度测量和提高系统可靠性,并探索出辨别LPCT饱和的新方法。试验和仿真结果表明,这种新型电流传感器可以覆盖较大的电流测量范围,达到IEC60044-8标准中关于测量(幅值误差)、保护(复合误差)和暂态响应(峰值)的准确度要求,能够作为多用途电流传感器使用。在电子式电压互感器方面,基于精密电阻分压器的新型传感器在原理、结构和输出信号等方面与传统的电压互感器有很大不同,本文设计了一种可替代10kV电磁式电压互感器的精密电阻分压器。通过试验研究与计算分析,得出其性能主要受电阻特性和杂散电容的影响,并给出了减小其误差的方法。测试结果表明,设计的10kV精密电阻分压器的准确度满足IEC60044-7标准要求,可达0.2级。电子式互感器的关键技术之一是内部的数字化以及其标准化接口,本文以10kV组合型电子式互感器为对象设计了一种实用化的数字系统。以精密电阻分压器作为电压传感器,电流传感器则采用基于数据融合算法的LPCT和PCB空心线圈的组合结构。本文首先解决了互感器间的同步与传感器间的内部同步问题,进而依照IEC61850-9-1标准,实现了组合型电子式互感器的100M以太网接口。电子式电流互感器在高电压等级的应用研究中,ECT高压侧的电源问题是关键技术之一。论文首先分析了两种电源方案:取电CT电源和激光电源。取电CT电源通过一个特制的电流互感器(取电CT),直接从高压侧母线电流中获取电能。在取电CT和整流桥之间设计一个串联电感,大大降低了施加在整流桥上的的感应电压并限制了取电CT的输出电流,起到了稳定电压和保护后续电路的作用。激光电源方案以先进的光电转换器、半导体激光二极管和光纤为基础,单独一根上行光纤同时完成供能和控制信号的传输,在不影响光供能稳定性的情况下,数据通信完成在短暂的供能间隔中。在高电位端控制信号通过在能量变换电路中增加一个比较器电路被提取出来。本文还提出了一种将两种供能方式结合使用的组合电源,并设计了这两种电源之间的切换方法,解决了取电CT电源的死区问题,延长了激光器的使用寿命。作为综合应用实例,设计并完成了以LPCT为传感器、由组合电源供能、采用低功耗技术的高压电子式电流互感器。互感器高压侧的一次转换器能够提供两路传感器数据通道,并且具有温度补偿和采集通道的自校正功能,在更宽温度、更大电流范围内保证了极高的测量精度;互感器低电位端的二次转换器具有数字和模拟接口,可以接收数据并发送命令来控制一次转换器,包括同步和校正命令在内的数据信号可以通过同一根供能光纤传送到一次转换器。该互感器具有在线监测功能,这种预防性维护和自检测功能够提示维护或提出警告,提高了可靠性。系统测试表明:具有低功耗光纤发射驱动电路的一次转换器平均功耗在40mW以下;上行光纤中通信波特率可以达到200kb/s,下行光纤中更是高达2Mb/s;系统准确度同时满足IEC6044-8标准对0.2S级测量和5TPE级保护电子式互感器的要求。目录:电子式互感器的关键技术及其相关理论研究摘要4-6Abstract6-81绪论12-221.1电子式互感器的发展背景12-131.2电子式互感器发展与研究现状13-191.2.1电子式互感器简介13-161.2.2基于光学效应的电子式互感器16-171.2.3混合型电子式互感器17-181.2.4电子式互感器的优越性18-191.3电子式互感器的实用化研究19-201.4论文主要内容20-222基于数据融合的组合结构电流传感器研究22-372.1引言222.2铁心线圈式低功率电流传感器LPCT22-242.3PCB空心线圈与数字积分器24-292.3.1空心线圈工作原理24-252.3.2PCB空心线圈原理与设计25-282.3.3数字积分器28-292.4数据融合在组合结构电流传感器中的应用29-332.4.1数据融合简介29-302.4.2空心线圈与LPCT的互补302.4.3数据融合算法原理30-322.4.4LPCT饱和的实时判定算法32-332.5数据融合算法仿真33-362.6本章小结36-373中压电子式互感器的实用化研究37-633.1电阻分压式电压传感器37-403.1.1传感器结构设计37-383.1.2精密电阻分压器38-393.1.3电磁兼容设计39-403.2中压组合型电子式互感器的系统结构40-413.3前端信号调理设计41-453.3.1抗混叠滤波器设计42-433.3.2采集通道自校正43-443.3.3信号隔离与保护44-453.4电子式互感器的时间同步45-513.4.1合并单元内部同步与相位差补偿45-473.4.2同步脉冲发生算法47-513.5基于ARM的中压电子式互感器合并单元51-533.6传感器误差试验研究53-623.6.1误差试验设计53-553.6.2电流传感器误差试验与性能评估55-583.6.3电压传感器误差试验及特性研究58-623.7本章小结62-634高压电子式电流互感器的组合电源系统63-844.1电子式电流互感器电源方案634.2取电CT电源63-734.2.1工作原理63-644.2.2平波电抗器64-684.2.3取电CT电源系统设计68-714.2.4OrCAD建模与仿真71-724.2.5试验结果72-734.3激光电源73-804.3.1能量、数据光纤复合传输原理73-754.3.2激光器载波驱动电路设计75-764.3.3激光器的过流保护76-774.3.4自动温度控制77-784.3.5基于微处理器的激光器驱动系统784.3.6光电转换器特性78-804.4电子式电流互感器的组合电源系统80-834.4.1组合电源的意义80-814.4.2组合电源切换设计81-834.5本章小结83-845高压电子式电流互感器的实用化研究84-995.1高压电子式电流互感器的总体结构84-855.2一次转换器的低功耗设计85-885.2.1组合电源对一次转换器的低功耗要求855.2.2一次转换器的结构优化85-865.2.3模拟信号调理电路86-875.2.4电源拓扑的低功耗设计87-885.3二次转换器及接口88-905.3.1与一次转换器间的数字接口895.3.2模拟接口89-905.4低功耗光电传输系统设计90-945.4.1低功耗LED驱动电路90-925.4.2上行光纤解码电路92-935.4.3在线监测功能93-945.5光电传输系统性能测试94-965.5.1光纤通信试验955.5.2异步串行通信编码方式95-965.6电流互感器试验96-985.6.1模拟接口准确度试验96-975.6.2高压绝缘试验975.6.3电磁兼容设计97-985.7本章小结98-99结论99-101创新点摘要101-102参考文献102-110攻读博士学位期间发表学术论文情况110-111致谢111-112