電子式組合互感器的設計
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，樣機總體結構如圖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-一個輔助電源感應線圈直接從母線上獲取。羅氏線圈和電源感應線圈安裝在母線上。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、高的測量準確度和結構簡單、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中的電流測量設備，又可用于敞開式獨立有源ETA。羅柯夫斯基線圈是將導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。載流導線從線圈中心穿過，當導線上有電流通過時，在線圈的兩端將會產(chǎn)生一個感應電勢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)電路及相關的信號處理，我們可以獲得被測電流信號。
在中低壓配電領域，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，大大簡化了高壓傳感部分的設計，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速度及頻帶寬度。例如220kV系統(tǒng)暫態(tài)恢復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電子線路供電問題
一次側電子線路供電問題是有源ETA中的一個關鍵技術，一次側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，一是從地面二次側將能量傳送到一次側提供電源，二是直接從二次側的母線上取電源。由于一次、二次側之間要實現(xiàn)完全隔離，所以要將二次側的能量送到一次側，最好的辦法是通過光電轉換，用光纖來傳送:光電能量轉換一-般用大功率半導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的光電轉換器，通常是在光電池中，將光能轉換成電能，已經(jīng)有作為光電轉換的商業(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。另外，大功率、高效率的激光二極管、光電轉換器件比較昂貴．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。因此問題可以轉化為設計一個電源感應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。
