全光纖電流互感器寬頻校驗系統*

李登云，李 鶴，聶 琪，張丹丹，龐 磊

(1. 中國電力科學研究院有限公司 計量研究所，武漢 430074； 2. 華中科技大學 強電磁工程與新技術國家重點實驗室，武漢 430074； 3. 西安交通大學 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，西安 710049)

隨著高壓直流輸電系統不斷發展，大量電力電子裝置及非線性負載接入電網，導致電網中出現大量高次諧波，因此，對直流電流互感器的寬頻測量能力提出了更高的要求.國家標準《GB/T26216.1-2010高壓直流輸電系統直流電流測量裝置第1部分：電子式直流電流測量裝置》[1]中規定：對于50～1 200 Hz的基波及諧波電流的測量，電子式直流電流測量裝置的幅值誤差不應超過0.75%，相角誤差不應超過500 μs.然而在柔直系統實際運行中，出現了諧波頻率遠高于國標要求的情況，這不僅對互感器的寬頻測量能力提出了更高的要求，同時全光纖互感器的寬頻校驗系統的校驗頻率范圍也需要相應地進行提升.全光纖電流互感器(fiber-optical current transformer，FOCT)是一種基于法拉第磁光效應的電子式電流互感器，與傳統的電磁式電流互感器相比，具有測量準確度高、動態范圍大、絕緣簡單、電磁兼容性好、安裝靈活等優勢，可同時測量交、直流電流，在高壓直流輸電領域具有廣闊的應用前景[2-4].由于磁光效應的傳變帶寬較高，通常認為全光纖電流互感器的寬頻測量性能較好.但全光纖電流互感器普遍采用數字濾波器對閉環檢測系統的輸出進行濾波處理，這會對不同頻率的信號造成不同程度的衰減和相位延遲，產生與信號頻率相關的幅值誤差和相角誤差，影響互感器的寬頻測量性能[5-7].目前，眾多國內外學者對全光纖電流互感器的寬頻測量性能進行了一定的研究，文獻[2]搭建了測試平臺進行了FOCT的寬頻測量性能測試，測試結果發現，FOCT在50～1 200 Hz范圍內，測量誤差不超過0.55%，帶寬大于10 kHz.文獻[7]介紹了FOCT諧波測量誤差的產生機理，并搭建了DC FOCT諧波電流測量誤差測試平臺.實驗結果表明，在50～1 200 Hz范圍內，樣機測量誤差不超過0.5%，帶寬大于10 kHz.

針對全光纖直流互感器寬頻校驗能力的不足，本文開發了一種全光纖直流互感器寬頻校驗系統.該系統能在50～2 500 Hz的頻率范圍內對全光纖直流互感器的寬頻性能進行準確校驗，采用該系統對全光纖電流互感器樣機進行了50～2 500 Hz范圍內的準確度校驗，驗證了該系統的有效性.

1 全光纖電流互感器工作原理

全光纖電流互感器是一種基于法拉第磁光效應與安培環路定理的新型電子式電流互感器，系統結構主要由光纖傳感環、保偏光纖延時環和信號處理單元3部分組成，原理圖如圖1所示.

全光纖電流互感器的工作原理[8]為：載流導線中的被測電流產生法拉第磁光效應，使兩束光源發出的圓偏振光相位差發生變化并以不同的速度傳輸.兩束圓偏振光經反射鏡反射后，偏振模式互換并再次通過傳感光纖，由法拉第效應使相位差加倍.

根據Faraday磁光效應和安培環路定理可知，光波偏振面的旋轉角及被測電流為

(1)

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式中：V為Verdet常量；N為傳感光纖圈數；Ni為穿過光纖環路載流導體的光纖根數.

根據Faraday磁光效應與安培環路定律可知，載流導線中傳輸電流大小與其產生法拉第效應引起的相位差成正比，因此，通過檢測光相位差信號可計算出待測電流值.

2 全光纖電流互感器校驗系統

為了適應目前電力系統測量更高次諧波的要求，開發了一種全光纖電流互感器寬頻校驗系統，并對寬頻校驗系統一次回路阻抗進行了分析測試，依據測試結果對電源設計進行了優化.優化后的校驗系統能準確地校驗50～2 500 Hz頻率范圍內全光纖電流互感器.

2.1 校驗系統原理

全光纖電流互感器的校驗采用直接測量方法，基本接線圖如圖2所示.被測電流由信號發生器經功放、寬頻升流器放大提供，標準互感器與全光纖電流互感器串聯接入被測電流回路.其中，全光纖電流互感器輸出FT3信號經采集單元通過光纖傳輸到合并單元，并通過協議轉換器轉換為TCP/IP信號，輸入直流電子互感器校驗儀.標準電流互感器的二次輸出通過1 Ω的標準電阻轉化為電壓信號輸入直流電子互感器校驗儀.依托于LabVIEW平臺的直流電子互感器校驗儀發出同步時鐘信號保證全光纖電流互感器和標準互感器的輸出信號同步，并通過編程計算得到比差、角差等誤差信號.為提高測量準確度，選取10個周期輸出的比差、角差測量值的平均值作為最終結果.

圖2 全光纖電流互感器寬頻校驗試驗接線圖Fig.2 Wiring diagram of broadband calibration test for FOCT

2.2 校驗系統電源設計

作為互感器校驗系統電源，電源發生器對電源的穩定性、波形畸變率及噪聲要求較高.采用電力電子技術實現大容量諧波電源具有容量大的優點，但由于其輸出信號噪聲過大，難以實現高準確度量值傳遞，同時，諧波電流源還有帶載能力弱、電源與一次回路不隔離的缺點.因此，本文提出將大功率諧波電源發生器采用信號發生器、功率放大器與升流器結合的方案，其中，信號發生器為功率放大器提供低畸變、頻率可調的信號級輸入.功率放大器對信號進行功率放大.升流器對功率放大器的輸出電流提供電流比例標準，升流器的另一個作用是提供功率放大器與一次回路的隔離，消除功率放大器輸出的直流偏置.

2.2.1 一次回路阻抗分析

寬頻校驗試驗中當頻率較高時回路感抗會增大，可能會影響系統的輸出能力，使得寬頻校驗系統輸出頻率范圍達不到2 500 Hz.為了合理設計及選擇校驗系統的電源，本文對一次回路的阻抗進行了理論與實測分析.利用式(3)、(4)計算矩形回路的理論電感；利用式(5)計算圓形回路的理論電感，即

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(4)

(5)

式中：μ0為真空磁導率；μr為相對磁導率；h為矩形回路的寬度；W為矩形回路的長度；d為導線直徑；D為回路等效直徑.

回路電感理論計算數值如表1所示，其中導線長度為5 m，直徑為10 mm.

表1 回路電感理論計算Tab.1 Theoretical calculation of loop inductance

通過信號發生器對功率放大器輸入不同頻率的電壓信號，相應地在一次電流回路中產生相應頻率的電流.對一次電流回路阻抗進行了實測分析，一次電流回路阻抗測試原理如圖3所示.升流器一次繞組匝數為20匝，二次繞組匝數為單匝.一根100 A電流導線構成了升流器的二次繞組，其長度為5 m，理論直流電阻為4.5 mΩ，布置為一個直徑約為1.6 m的圓形.電阻R為一個高準確度寬頻分流器(0.8 V/100 A)，其理論阻值為8 mΩ，雜散電容和電感在本試驗中可忽略不計.U為升流器二次輸出電壓，即一次電流回路電壓，利用數字多用表測量其幅值，UR為電阻R的壓降.將電壓U、UR分別輸入鎖相放大器的參考輸入端和單端，即可測得UR相對于U的相角差及幅值，進而可計算一次電流回路的電流和電感.

圖3 一次電流回路阻抗測試Fig.3 Primary current loop impedance test

測得的試驗數據如表2所示.依據表2的試驗數據可計算回路電阻和電感參數，如表3所示.由表3可見，在電流頻率為2 500 Hz時，該回路的阻抗接近60 mΩ，這是一個極大的值，有可能影響校驗系統的輸出能力，使得寬頻校驗系統輸出頻率范圍達不到2 500 Hz.為此將一次電流回路進行雙絞處理，盡量減小回路面積，此時回路近似為矩形，重新進行以上試驗，試驗數據如表4所示，計算的回路電阻和電感如表5所示.

表2 一次電流回路阻抗測試結果Tab.2 Impedance test results of primary current loop

表3 一次電流回路參數計算結果Tab.3 Parameter calculation resultsof primary current loop

表4 雙絞一次電流回路阻抗測試結果Tab.4 Impedance test results of twisted primary current loop

表5 雙絞一次電流回路參數計算結果Tab.5 Parameter calculation results of twisted primary current loop

由表5可見，回路電感減小了接近一半，在電流頻率為2 500 Hz時，該回路的阻抗為33.15 mΩ.從表3、5可以看出，該回路阻抗在低頻時主要取決于回路直流電阻的大小，在高頻時則主要取決于回路感抗的大小.

比較表1、3、5可知，回路電感理論值和實測值的最大誤差約為20%，考慮到實際測量時的條件無法完全與理論假設相符，該誤差是可以接受的.表1最后一行的回路參數大致等效于將回路導線進行雙絞處理，即表5的情況，此時誤差較小.

由一次回路阻抗的理論分析及實驗測量可知，只要盡可能地減小一次電流回路的面積并進行導線雙絞處理，全光纖電流互感器寬頻校驗系統的一次回路阻抗將達到最小值.此時只要選擇合適的電源方案，寬頻校驗系統便可實現輸出2 500 Hz一次電流的能力.

2.2.2 校驗系統電源選擇

普通電流發生器帶載能力弱，輸出頻率范圍小，輸出信號噪聲大，難以實現高準確度量值傳遞.本校驗系統選用組合信號發生器、功率放大器及寬頻升流器的技術方案來提供大電流.組裝而成的電流發生器系統帶載能力強，輸出頻率范圍大(可達50～2 500 Hz)，可輸出多種波形，適合于全光纖電流互感器寬頻測量性能的校驗系統.

功率放大器的選型與一次電流回路阻抗有關.由一次回路阻抗的理論分析及實驗測量可知，只要盡可能地減小一次電流回路的面積并進行導線雙絞處理，全光纖電流互感器寬頻校驗系統的一次回路阻抗將達到最小值33.15 mΩ.

為充分利用功放的電流輸出能力，升流器的一次匝數設計為8匝.當二次側電流為100 A時，升流器二次回路電壓為回路電流與回路阻抗的乘積.在2 500 Hz時，二次回路電壓為3.3 V，此時一次回路電壓為26.4 V，電流為12.5 A，可選用5 kW的功率放大器.

目前±800 kV直流輸電系統和±500 kV柔性直流輸電系統額定電流均為3 000 A左右，依照標準中電流的10%來校驗.當待測電流為300 A時，取導線截面積為180 mm2，由式(3)、(4)可算得回路電感L=1.37×10-3mH.升流器二次回路阻抗為

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式中：XL為二次回路感抗；R為二次回路電阻；f為電流頻率；L為回路電感；ρ為導線電阻率；l為導線長度；s為導線橫截面積.經計算Z值約為21.7 mΩ.

電流頻率為2 500 Hz，考慮誤差取一次電流回路阻抗為25 mΩ.當升流器輸出300 A時，升流器二次單匝輸出電壓為7.5 V，則升流器的一次繞組電壓為60 V，一次繞組電流為37.5 A，即功率放大器的輸出電壓為60 V，輸出電流為37.5 A，此時可選用5 kW的功率放大器.

目前1 100 kV直流輸電系統額定電流在5 000～6 000 A之間，依照標準中電流的10%來校驗.當待測電流為600 A時，取此時導線截面積為400 mm2，由式(3)、(4)可算得回路電感L=9.62×10-4mH.升流器二次回路阻抗Z=15.385 mΩ.

電流頻率為2 500 Hz，考慮誤差取一次電流回路阻抗為20 mΩ.當升流器輸出600 A時，升流器二次單匝輸出電壓為12 V，則升流器的一次繞組電壓為96 V，一次繞組電流為75 A，即功率放大器的輸出電壓為96 V，輸出電流為75 A，此時，可選用兩臺5 kW功率放大器并聯或者選擇功率為10 kW的功率放大器.

本實驗針對額定電流1 000 A的全光纖電流互感器樣機進行校驗.通過上述分析，本校驗系統的功率放大器采用AE Techron公司的7796功率放大器，采用電壓或電流模式工作，可輸出超過5 000 W的功率范圍，且具有極低的噪聲和快速的壓擺率，可以安全地驅動各種電阻性電感負載.信號發生器采用星龍科技公司的XL-221單相動態波形功率源，其可以輸出單相交直流電壓和電流，可輸出直流、方波、三角波、正弦波以及最高疊加129次的諧波，還具有自定義波形，各種類型的波形拼接輸出等功能.

2.3 校驗系統組成

校驗系統選用有源寬帶電流互感器作為標準電流互感器，其頻率范圍為50～2 500 Hz，準確級為0.002級，比被測全光纖電流互感器樣機的準確度(0.2級)低2個數量級，可滿足校驗要求，達到校驗效果.標準電阻采用錳銅材料，精度為0.01級，阻值為1 Ω.

數據采集單元硬件選用NI公司生產的NI PXIe-1062Q機箱，NI PXIe-1062Q 8槽機箱為各種測試和測量應用程序設計，其高帶寬背板可提供每插槽高達1 Gbit/s的專用帶寬，以滿足高效運轉需要.

3 全光纖電流互感器校驗實驗

將全光纖電流互感器樣機接入校驗系統，全光纖互感器樣機的額定電流為1 000 A，光纖環匝數為4匝，將最大通流能力為200 A的導線穿過光纖環，設定輸入電流為100 A(10%額定電流)，測量其在50～2 500 Hz頻率范圍內的比差、角差，結果如圖4、5所示.

圖4 寬頻測量性能校驗試驗比差Fig.4 Ratio difference in calibration test of broadband measurement performance

圖5 寬頻測量性能校驗試驗角差Fig.5 Angular difference in calibration test of broadband measurement performance

由測量結果可知，在50～2 500 Hz范圍內，全光纖電流互感器樣機的比差最大值為0.52%，角差最大值為54 μs，滿足國家標準《GB/T26216.1-2010高壓直流輸電系統直流電流測量裝置第1部分：電子式直流電流測量裝置》中的規定.在50～2 500 Hz范圍內，該校驗系統能滿足對全光纖互感器頻率響應測試準確度的要求.FOCT的比差隨頻率增大而增大，其主要由FOCT閉環控制系統的頻率響應特性導致，而FOCT的角差基本不隨頻率發生變化.

4 結 論

通過上述分析可以得出以下結論：

1) 從目前高壓直流輸電的工程實踐需要出發，設計了一種全光纖電流互感器的寬頻校驗系統，通過系統的電源選擇及阻抗計算，使該系統在50～2 500 Hz的頻率范圍內具備校驗能力.

2) 通過對校驗系統升流器二次側回路阻抗的理論計算及實驗，分析了不同額定電流互感器校驗系統的升流器二次回路阻抗的大小.±800 kV傳統直流輸電系統和±500 kV柔性直流輸電系統進行FOCT校驗實驗時，二次回路阻抗約為21.7 mΩ，可選用5 kW的功率放大器.1 100 kV傳統直流輸電系統FOCT校驗實驗二次回路阻抗約為15.385 mΩ，可選用兩臺5 kW功率放大器并聯或者選擇功率為10 kW的功率放大器.

3) 利用互感器校驗系統對全光纖電流互感器樣機進行了50～2 500 Hz頻率范圍內的寬頻校驗.測試結果表明，該系統在50～2 500 Hz的頻率范圍內具有良好的校驗能力.