傳感器式電流、電壓互感器簡析

分類：解決方案日期：2007-02-05 00:00:00

1 前言
隨著計算機技術、通信技術的迅速發展，電力系統的繼電保護與控制已基本實現微機化，設備體積趨向小型化，這也同樣要求與繼電保護和控制設備接口的外部測量部分小型化和弱電化。傳統的保護控制設備由于消耗功率較大，要求外部測量設備具備一定的輸出功率，以驅動保護控制設備的運行。隨著的微處理機的發展，迫切需要有與之相匹配的直接接口的外部測量設備的存在，經過科學技術應用人員的辛勤工作，找到了一種早已存在的而以前被人們忽視的微電流、電壓輸出設備，即洛高夫斯基（Rogowski）電流傳感器和分壓器，其輸出的幾百毫安電流/毫伏電壓能直接與微機型保護控制設備接口，滿足保護控制測量的要求，且基本消除了傳統電磁式電流、電壓互感器磁飽和的缺點。
2 電流傳感器
早在1912年，洛高夫斯基通過對電力系統測量的研究，發明了洛高夫斯基線圈測量原理。洛高夫斯基線圈是一個均勻纏繞的線圈，它具有一個非磁性的芯。洛高夫斯基線圈最基本形狀是一個環形的空氣芯線圈。
洛高夫斯基線圈可通過將導線繞在一個撓性的管子上，然后將管子兩端彎曲到一起而構成。見圖1，繞組經過精密制造，具有優良的準確度和穩定性。

通過線圈的電流感應產生一個電壓e，可由以下近似出式給出：
e=-u。NA dI/dt = H dI/dt （１）
其中 u。=自由空間的導磁率
N=纏繞密度，[匝數/米]
A=單匝截面積[米2 ]
H=線圈靈敏度[Vs/A]
洛高夫斯基線圈由于采用非磁性的線圈芯，故沒有任何非線性飽和效應。它允許隔離的電流測量，并具有較寬的帶寬，最大可達1兆赫茲。
洛高夫斯基線圈具有良好的線性特性，且體積小和重量輕。可以認為是理想的電流傳感器。
洛高夫線圈不存在飽和性，它可以用來測量從幾安培到幾百千安的電流，最小值和最大值主要取決于測量的電子元件。
線性帶來以下特點：
l所需要的不同規格的數目減少
l高故障電流的準確測量（故障定位，斷路器的狀態監控）
由于洛高夫斯基線圈的輸出與電流的時間導數成比例，因此需進行積分。早期使用的模擬式積分器誤差較大，應用不理想，現采用數字方法積分，效果較好。
2.1電流傳感器的準確度
影響電流傳感器的準確性有如下原因：
l溫度變化
l裝配出差錯
l其他相電流的影響（串擾）
l初級導體的非無限長度（例如：接近線圈的90。角）
通過嚴格的設計及制造的質量控制，可以降低線圈芯和繞組裝配對精確度的影響，目前傳感器的準確度可以達到0.5%。
但0.5%的精確度很難滿足電力設計規范對計量的±2.0%的要求，針對上述影響電流傳感器精確度的因素，可采取如下方法進行解決。

1）采用對溫度反應不敏感的特殊材料，以降低溫度對其的影響（見圖2）。
2）測量傳感器的溫度，然后對溫度進行補償。
3）裝配誤差可以用適當的機械安裝來消除。一般情況下，電流傳感器是集成在套管中，這樣裝配誤差就可以降低。
4）串擾（其他相電流對于被測量電流的影響）可以通過傳感器的優化設計，從而使串擾影響降到最低。標準傳感器的串擾如圖3所示。在一般保護算法中，相位角的準確度是很重要的。鐵芯電流互感器的缺點是相位移隨電流而改變，特別是在欠激勵或過激勵的過程中。而這種情況對洛高夫斯基線圈來說，已不是問題，因為相位移很小，并且不隨電流而改變。

2.2頻率范圍
電力系統工頻為50赫茲，而洛高夫斯基線圈的頻率范圍為從幾赫茲到10000赫茲以上。故對于保護、監控和電力測量來說，完全滿足要求。圖4表示了洛高夫斯基線圈與頻率的關系。

3．電壓傳感器
測量電壓所用的電壓傳感器是阻抗式的（電阻式或電容式）分壓器（見圖5）。與磁電壓互感器相比，其有優點如下：
l無飽和，線性
l體積小，重量輕
l不會引起鐵磁諧振

在電網中，磁諧振是一個問題。這種結果在許多情況下是：如果在相線和地線之間連接一個普通的電流互感器，將可能發生熱過載和損壞。電阻式電壓傳感器，由于不存在電感，因此不會引起磁共振。它可在這種特殊情況下被用于測量相線至地線的短路電流。
電阻式分壓器必須能夠承受各種正常情況和故障情況的電壓，以及試驗電壓。這對分壓器提出了較高的要求。在實際中，這就意味著分壓器的電阻值必須很高。此時應重點處理雜散電容問題。
3.1電阻式電壓傳感器的準確度
電阻式電壓傳感器的準確度取決于電阻的準確度，或更準確地說，取決于分壓比的準確度。兩個電阻都允許改變，如果在同方向改變的話。不準確性的主要來源是：
l電阻溫度系數
l電阻電壓系數
l電阻器的漂移（電壓、溫度）
l雜散電容
l相鄰相線的影響（串擾）
電阻式電壓傳感器的精確度與電流傳感器的精確度一樣，可以達到±0.5%的準確度。但不滿足計量中±0.2%準確度的要求。
可采用如下優化措施：
1）通過采用高質量的材料，以及優化的設計，補償溫度的影響和電阻電壓系數。
2）降低相鄰相和分壓器之間的電容
3.2 電容式電壓傳感器的準確度
準確度主要取決于介電常數對溫度的依賴關系，環氧樹脂的介電常數對溫度的依賴性在-40℃至+70℃的溫度范圍內為1% 。其他影響準確性原因為：
l電容器的漂移（絕緣的考化）
l雜散電容
l相鄰相位的影響（串擾）
由于溫度影響，一般準確度為3%。當要求更高的準確度時，需采用電阻式分壓器。
3.3頻率范圍
由于電阻式分壓器的高阻抗水平，頻率響應沒有象洛高夫斯基線圈的頻率響應那樣寬。然而可以測量到高達幾千赫茲頻率（見圖7）。這對于監控，保護和電力質量測量是足夠的。
4 標準的制定
目前IEC TC38工作組（WG23和WG27）在現有的儀用互感器的基礎上，已考慮了傳感器技術的特殊要求（電磁兼容性等），草擬了IEC60044-7 [3]標準。已于1999年12月發表，IEC60044-8 [4]的草案已于2000年中發表。這兩個標準都包括了電壓和電流傳感器的模擬輸出的規定。IEC60044-8還包括對多達7個電流信號和5個電壓信號數字點對點輸出的規定。
IEEE（電氣與電子工程師學會）電力系統繼電委員會發表了一個傳感器標準的建議。 [5]
5 傳感器性能的比較
傳感器式電流和電壓互感器與傳統電流和電壓互感器性能對比

性能	傳統電流和電壓互感器	傳感器式電流和電壓互感器
信號	5A/100V	150mv/2： V
次級負載	1-50VA	≥4光歐
準確度	測量：0.2%-1% 保護：5%-10%	多用途1%
動態范圍	40´In/1.9´Un	無限制
線性	非線性	完全線性
飽和	輸出信號畸變	不存在
鐵磁畸變	破壞性（電壓互感器）	不存在
溫度系數	無影響	受補償
電磁兼容性	無影響	屏數
短路的次級	破壞性（電壓互感器）	無傷害
開路的次級	破壞性（電流互感器）	無傷害
重量	40kg（電流、電壓互感器）	8kg（組合傳感器）
壽命期成本	高	低
覆蓋所有應用的不同型式	種類繁多	2種