集磁環式光學電流互感器的自校正測量方法

李深旺　郭志忠　張國慶　于文斌　申　巖

(哈爾濱工業大學電氣工程系　哈爾濱　150001)

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集磁環式光學電流互感器的自校正測量方法

李深旺郭志忠張國慶于文斌申巖

(哈爾濱工業大學電氣工程系哈爾濱150001)

摘要為解決集磁環式光學電流互感器存在的線性度和準確度差的問題，提出了一種集磁環式光學電流互感器的自校正測量方法。該方法在常規集磁環式光學電流互感器的基礎上增加基準電流源、自校正線圈和遠端采集單元，并采用自校正算法進行數據處理，使常規的集磁環式光學電流互感器成為一個完整的自校正測量系統。實驗結果表明，所設計的集磁環式光學電流互感器測量準確度等級滿足IEC 0.2級的測量要求，可以有效提高集磁環式光學電流互感器的線性度和準確度，證明了自校正測量方法的正確性與實用性。同時為集磁環式光學電流互感器的實用化設計提供了新的思路。

關鍵詞：光學電流互感器集磁環線性度準確度自校正測量

0引言

電流互感器是電力系統不可或缺的電力設備，準確測量任意時刻的電流值是電力系統對電流互感器的根本要求[1]。光學電流互感器(Optical Current Transformer，OCT)經過幾十年的研究取得了長足的進展，被視為常規電流互感器的理想替代品[2-4]。根據光路結構的不同，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光路結構簡單、可靠性高以及易于制造，且隨著測量精度溫漂[5，6]、長期運行穩定性[7-9]和電磁干擾[10-12]等技術難題的逐步解決，直通光路型OCT已進入實用化階段。

集磁環式光學電流互感器屬于直通光路型OCT。采用集磁環的設計方案，可以增大直通光路型OCT的測量靈敏度、提高其抗外磁場干擾能力。但是，由于集磁環的存在，集磁環式OCT不可避免地存在鐵磁飽和、磁導率變化和漏磁等缺陷，導致其測量的線性度和準確度下降，這是集磁環式OCT進一步實用化的主要技術障礙。

解決集磁環式光學電流互感器線性度差、測量準確度低的問題具有相當的技術難度，國內外的專家學者對此作了許多針對性的研究，并提出了一些解決方案，主要包括：①改進材料特性方案：通過選擇磁導率大且剩磁小的鐵磁材料制作集磁環，增大其磁飽和的頂端閾值及線性范圍，從而提高集磁環式光學電流互感器的線性度和測量范圍[13]；②結構優化方案：通過精心設計集磁環的結構和參數、合理設計磁光晶體的長度和安裝位置等，提高集磁環式光學電流互感器的測量范圍和測量準確度[14-17]；③補償方案：根據集磁環磁導率隨待測電流變化的規律，對測量結果進行補償[18]。上述的解決方案只是針對影響集磁環式光學電流互感器傳感特性的某一個影響因素進行優化，盡管獲得了一定的改進效果，但對集磁環式OCT測量性能的提高效果有限，未能從根本上解決線性度差和測量準確度低的問題。

為此，本文提出一種集磁環式OCT的自校正測量方法，通過增加基準電流源、自校正線圈和遠端采集單元，并采用自校正算法進行數據處理，以此實現集磁環式OCT的自校正測量，提高其測量的線性度和準確度。實驗結果表明，采用自校正測量方案的集磁環式OCT測量準確度等級可以達到IEC 0.2級。本文的研究為集磁環式OCT的實用化設計提供了新的解決方案。

1集磁環式OCT傳感特性分析

1.1基本原理

集磁環式OCT采用條狀磁光晶體構成光學傳感器，并在光學傳感器周圍增加一個集磁環構成環繞載流導體的傳感結構，光學傳感器安裝在集磁環的氣隙內部，如圖1所示。圖中，lc為磁光玻璃的長度，lg為氣隙的長度，α為載流導體中心向磁光晶體兩端點的張角。

圖1　集磁環式OCT系統結構Fig.1　System structure of OCT with magnetic concentrator ring

集磁環可以使待測電流產生的磁場重新分布，光學傳感基于法拉第磁光效應原理測量載流導體中的待測電流信息。

采用集磁環后磁路的拓撲關系發生變化，集磁環式OCT的等效磁路模型如圖2所示。圖2中，F為磁動勢；Φ為磁通；Rg、Rr分別為氣隙、集磁環的磁阻。

圖2　集磁環式OCT等效磁路Fig.2　Equivalent magnetic circuit of OCT with magnetic concentrator ring

利用集磁環的聚磁能力，可以使待測電流產生的磁場重新分布，極大地增強了氣隙內部的磁場。本質上，光學傳感器不是直接對待測電流進行測量，而是對氣隙內部磁場強度的測量，并用氣隙部分的磁場線積分代替閉合環路磁場線積分。若集磁環是理想的，則氣隙內部磁場的磁場強度正比于待測電流。線偏振光在磁光晶體中經氣隙磁場調制，產生一個正比于待測電流的法拉第旋光角，通過二次信號處理電路可以解調出待測電流信息。

集磁環式OCT的傳感模型為

uo=kic+δ

(1)

式中，uo為集磁環式OCT的測量輸出；ic為待測電流；k為集磁環式OCT的變比；δ為誤差項。

以下對集磁環式OCT的傳感特性進行分析。

1.2靈敏度特性分析

如圖1所示，設載流導體中施加的待測電流為ic，載流導體位于集磁環的中心位置且垂直于集磁環所在平面，光學傳感器位于集磁環氣隙內部。

若不采用集磁環，則圖1所示的集磁環式OCT退化為常規直通光路型OCT。此時，根據畢奧-薩伐爾定律，光學傳感器敏感待測電流ic產生的磁場Bc產生的法拉第旋光角為

(2)

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

(3)

若采用集磁環，假設集磁環無漏磁，由待測電流ic產生的磁通全部從集磁環內部通過，氣隙內的磁場為均勻磁場。

由待測電流ic產生的磁通為

(4)

氣隙磁阻Rg和集磁環磁阻Rr可表示為

(5)

式中，lr為集磁環的長度；μr為集磁環的相對磁導率；S為集磁環開口端面的面積。

從而，氣隙內部的磁感應強度為

(6)

對于由鐵磁材料制作而成的集磁環，其相對磁導率μr?1，從而式(6)可以進一步簡化為

(7)

光學傳感器敏感氣隙內部磁場產生的法拉第旋光角為

(8)

從而可得集磁環式OCT的靈敏度為

(9)

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

(10)

集磁環式OCT在設計時一般都會盡量利用氣隙的有效長度，使得lc/lg≈1；載流導體向磁光玻璃的張角α恒小于π/2，即π/α>2。因此，與常規直通光路型OCT相比，集磁環式OCT的測量靈敏度至少可以提高兩倍以上。

1.3準確度特性分析

考慮集磁環磁導率的影響，式(1)所示的集磁環式OCT的傳感模型可以進一步表示為

uo=kic+δ=krk2ic+δ

(11)

式中，集磁環式OCT的變比k=krk2；kr為磁導率靈敏度校正因子。

其中

(12)

集磁環一般采用鐵磁材料制作而成，實際的集磁環材料是非理想的，其磁導率是磁感應強度的函數，按磁滯回線變化。當待測電流發生變化時，集磁環的磁導率也會發生相應地變化，從而導致集磁環磁阻發生變化。特別地，當待測電流增大到一定大小之后，集磁環會進入磁飽和狀態。

由式(12)可知，當集磁環材料的相對磁導率μr變化時，磁導率靈敏度校正因子kr也隨之變化，根據式(11)，此時變比k也隨之變化，而不再是常數，這就導致集磁環式OCT的線性度變差。線性度差導致的測量準確度下降是集磁環式OCT面臨的一個關鍵技術問題。

2自校正測量方法

線性度是評價電流互感器測量品質的重要參數，為了解決集磁環式OCT線性度差的問題，本節提出一種集磁環式OCT的自校正測量方法，并具體設計了一種自校正測量系統，它包括集磁環、光學傳感器、光源、自校正線圈、基準電流源、遠端采集單元和信號處理單元。圖3所示是集磁環式OCT自校正測量系統的示意圖。

圖3　集磁環式OCT自校正測量系統Fig.3　Self-calibration system of OCT with magnetic concentrator ring

基準電流源向密繞在集磁環上的自校正線圈施加一個基準電流ib，待測電流ic是工頻電流，頻率為fc=50 Hz；基準電流ib是高頻電流，其頻率為fb，且fb?fc。自校正線圈中的電流ib產生基本正比于電流大小的磁通量Φb(設Φb=kbib，以由冷軋硅鋼片制作的集磁環為例，考慮其磁化曲線的非線性，集磁環工作于非磁飽和狀態時kb的變化小于0.2%)。由于集磁環的作用，Φc和Φb都集中于集磁環內部，構成如圖2所示的磁通回路。安裝在集磁環氣隙內的光學傳感器根據法拉第磁光效應原理測量氣隙內部的磁場信息。

遠端采集單元對基準電流ib進行測量并將測量結果輸送至信號處理單元；光學傳感器測量氣隙內部的磁場信息，也將測量信號輸送至信號處理單元。在同步時鐘控制下，信號處理單元對光學傳感器和遠端采集單元輸送來的測量信號進行同步采樣。

在任意t時刻，光學傳感器的輸出信號經過光電轉換后分成兩路相同的信號，其中，第一路信號經過工頻濾波器，其輸出信號僅含有工頻電流信息，即

uo1(t)=krk1ic(t)

(13)

第二路信號經過高通濾波器，其輸出信號僅含基準電流信息，即

uo2(t)=krk1ib(t)

(14)

與此同時，遠端采集單元測量基準電流源的輸出電流獲得的輸出信號可表示為

uz(t)=kzib(t)

(15)

式中，kz為遠端采集單元的靈敏度。

遠端采集單元獨立工作，其靈敏度kz與傳感頭部分無關，不會受到集磁環磁導率、傳感頭結構參數的影響。可以認為kz是一個獨立的常數。

由式(13)～式(15)可以推導得到集磁環式OCT自校正測量系統的傳感模型為

(16)

由式(16)可見，自校正測量的輸出電壓與集磁環式的磁導率變化等因素無關，只需實時同步檢測工頻濾波器、高通濾波器和遠端采集單元的測量值，即可得到待測電流的準確值，消除了集磁環磁導率變化對集磁環式OCT的影響，從而提高集磁環式OCT的線性度。

3實驗結果及分析

圖4所示是本文設計的集磁環式OCT實驗系統，集磁環式OCT的額定電流為1 000A。集磁環式OCT通過工裝固定，載流導體從集磁環中心穿過且垂直于集磁環所在平面，自校正線圈密繞在集磁環上，其匝數為1 882。集磁環由冷軋硅鋼片制作而成，集磁環的外半徑R=0.27 m、內半徑r=0.23 m、厚度d=0.04 m，氣隙長度lg=0.13 m。光學傳感器的磁光晶體采用牌號為ZF—7的重火石材料，磁光晶體沿通光方向的長度lc=0.05 m。

圖4　實驗系統Fig.4　Test system

大電流發生器向載流導體施加一個待測電流ic。基準電流源向自校正線圈施加一個基準電流ib，基準電流的頻率為800 Hz。遠端采集單元測量基準電流源的輸出電流，并將測量信號輸送給信號處理單元。標準CT的準確等級為0.01S，可以準確測量載流導體中的電流信息。光學電流傳感器變比調整為1 200∶1.862。

實驗時，向載流導體施加5%～120%倍額定電流，并同時測量集磁環式OCT自校正前、自校正后的輸出，實驗結果如圖5所示。

圖5　實驗結果Fig.5　Test results

由圖5a可見，當待測電流為額定電流5%～120%時，若不采用自校正測量方法，集磁環式OCT的比差在-2.49%～0.12%之間，線性度較差；采用自校正測量方法之后，集磁環式OCT的比差在-0.10%～0.10%之間，線性度較好，測量準確度與自校正前的比差結果相比顯著提高。采用自校正測量方案時，集磁環式OCT的比差和角差滿足IEC 0.2級的測量準確度要求。

實驗結果表明，采用自校準測量方法可以有效提高集磁環式OCT的線性度和準確度，實驗結果與理論分析結論相吻合，證明了自校正測量方法的正確性與實用性。

4結論

本文分析了集磁環式OCT的傳感特性，指出增加集磁環可以有效提高直通光路型OCT的測量靈敏度，但同時也會導致直通光路型OCT的線性度較差，從而導致集磁環式OCT的測量準確度下降。為解決這一問題，提出了一種集磁環式OCT的自校準測量方法，并建立了自校準測量系統的數學模型。該方法在集磁環式OCT的基礎上增加自校正線圈、基準電流源和遠端采集單元等構成自校準測量系統，實現對待測電流的自校準測量。實驗結果表明，采用自校準測量方法時，集磁環式OCT測量準確度高、線性度好，測量準確度等級達到IEC 0.2級，證明自校準測量方法的正確性和實用性。本文的研究可以為集磁環式OCT的實用化提供新的解決思路。

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作者簡介

李深旺男，1985年生，博士研究生，研究方向為繼電保護新技術、光學測量技術及其在電力系統中的應用。

E-mail：lishenwang2010@163.com

張國慶男，1969年生，博士，副教授，研究方向為電力系統及其自動化、電力系統繼電保護和光學技術在電力系統中的應用等。

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：TM452

國家電網公司科技項目(B3441515K003)和國家電網公司“基于光學電流互感器的新型繼電保護應用研究”項目資助。

收稿日期2015-06-27改稿日期2016-06-05