Rogowski电流互感器的积分器技术

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第 3 O卷第 9期 20 0 4年 9月

高

电

压

技

术

V0I 3 NO 9 _O .

Hi gh Vo t g la e Eng ne r n i eig

S p 2 0 e. 04

1 3

Ro o k电流互感器的积分器技术 g ws i张明明，张艳，李红斌，刘延冰 (中科技大学电气与电子学院，汉 4 0 7 )华武 3 0 4摘要：为还原出 R g ws i圈的输出信号中的电流信号， oo k线介绍了理想的和改进的模拟积分器以及 3种数字积分器的设计方案，误差来源分析表明：拟积分器只适用于测量低频大电流或高频小电流，字积分器适合测量低其模数频小电流；用 AI 7 9芯片实现硬件积分性能最好，满足准确度 0 2级的要求。采 ) 5 E7能 . 关键词：R g w k电流互感器积分器数字积分器 oo si中图分类号：TM4 2, 4 5’ 9文献标识码：A 文章编号：1 0—5 0 2 0 ) 80 1- 4 0 36 2 ( 0 4 0—0 30

Te hno o y o s g ng I e r t r of Ro o kiCu r nt Tr ns c r c l g f De i ni nt g a o g ws r e a du eZH AN G i g i g,ZH A NG a M n m n Y n.II H o g i n b n.I AU nb n Ya i g( Cole e t iala e t oni l ge ofEl c r c nd El c r c Engi e i ua h ne r ng H z ong U ni e st f Sc e e v r iy o i nc and Te hnol gy,W uha 007 c o n 43 4,Chi a) nAb t a t As t e o t u fRo o s o li p op r i n lt h i if r n ilo h u r n。a nt g a o s n e sr c: h u p to g w ki i s r o t a o t e t c o me d fe e ta ft e c r e t n i e r t ri e— d d t e o e rg n lc r e t sg a . Th e i n n f i e l a a o n e r t r a d i p o e n l g i e a o s e o r c v r o i i a u r n

i n 1 e d sg i g o d a n l g i t g a o n m r v d a a o ntgr t r i

p e e t d,t er ltd e r rs u c sa ea ay e rs n e h ea e ro o r e r n lz d,t ea ao n e r t ri u ts ia l o a g u rnt a u e nt h n lg itg a o sj s u tb ef rlr ec re me s r mea o f e u n y o ma lc r e a u e e ta i r q e c . Th n t r e d fe e t d g t la p o c e f d sg t l w r q e c r s l u r ntme s r m n th gh f e u n y e h e if r n i ia p r a h s o e i—ni nt gr t r ve ng i e a or a egi n;t r ors he e r our s r at d t he e a ce el e o t s ppr che e alo a oa sar s nal e yz d。i s r e t gia n— ti p ov d hatdi t li

t g a o s a p ia l o ma l u r nt e s r me tl w r q e c . As a r s l,a o t g t g t l n e r t r i e r t r i p l b e f r s l c r e a u e nta o f e u n y c m e u t d p i hedi i t g a o n n a i ADE7 5 h p h s t e b s e f r a c n a c i v . l s c u a y 7 9 c i a h e tp r o m n e a d c n a h e e 0 2 ca s a c r c . Ke r s y wo d:Ro o k u r n r n d c r i t g a o d g t li t g a o g ws i r e t ta s u e n e r t r c i i n e r t r a

0引言

为积分器电阻；为积分器电容。 C

电磁式电流互感器 ( TA)着电力传输容量需随求的迅速增长和电网电压等级的不断提高，已逐渐暴露出动态范围小、量频带窄、饱和、缘困难测磁绝e”

口U [.图 1理想模拟积分器结构Fi.1 S r t r de na o nt g at g t uc u e of

i ala l g i e r or

等缺点。目前，究人员开始越来越多地研究混合研式光纤 TA。其传感头一般采用 Ro o k线圈， g ws i它的输出正比于被测电流对时间的微分，而需要使因用积分器还原出被测电流信号 l。本文介绍了当前 1]

R g ws i o o k TA的数字及模拟输出均应提供被 测量完整的幅值和相位信息] .。0 2级的 Ro o— g ws k i TA用于计量时，定频率和谐波频率下的比差额和相差分别不应超过表 1 2的规定 (中 J、表为额定电流)5; P级的 R g ws i o o k TA用于常规保护时， 额

使用的几种积分器。l目前使用的积分器技术 影响 Ro o k g ws i TA准确度的原因是互感系数 M和积分器的性能，造工艺已确保了 R g ws i制 o o k

定频率和谐波频率下比差分别≯ 1和 1%,差 O相≯± 6 1。 O和 0。表 1额定频率下 0 2级 R o s i A误差限值 . g o wkTTabl Li is o he c r e r or a e1 m t f t u r nte r nd pha e s e r r atr t d f e r o a e r que y nc

线圈特性的高度可重复性，其 M为常数，积分使故器的性能成为主要因素。目前，用积分器有：常 1用模拟电路方式实现的积分器 )传统上用高性能运算放大器构建模拟积分器， 图 1为理想模拟积分器的结构。电压信号经模拟积分器后被还原为正比于电流的信号，即r一一

±比差/ ±相差/ ()误差—— . 5, .2 ., . 0 0 0, . 0 1 0, . 0 0 0 0 0, 1 00 1 2 1 . 5 0 2, . 0 1 2,

限值

0 7 0 3 0 2 .5 .5 .

02 .

1丁 1d/ .e t— Rs, H JJ

Ro o k g ws i TA一般用于高、压电力系统，中低频干扰很少，测电流主要是基波和高次谐波。实被际使用时， g ws i Ro o k TA电磁兼容性能能减小低频

其中， R一 M/ .传感器的灵敏度， R R丁是 T一 C,

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H i h Vo tg En i e rn g la e gn e i g

Vo13 . . 0 No 9

干扰，以主要考虑被测电流信号的基波和高次谐所波。但对额定频率下电流比差和相差的规定很严格，以研究重点是使 R g ws i所 o o k TA满足额定频率下的电流比差和相差要求。 R g ws iTA的线性 oo k 度很好，差一般都能满足 0 2级的要求，以下文比 .所省略了比差的相关讨论。实际应用时，于电网电由流的频率在 5 Hz附近某个范围内波动，以 O所 I C O 4— E 6 O 4 8规定电子式 TA用于测量时，定频率额

测量和保护时，额定频率变化范围内，分器输出在积信号的相角波动≯ 0 2 4。 . 4 ( 9 5Hz时为 9 . 8 1, 0 18。5 . 时为 9 . 8 。, o o k TA用于保护 0 5 Hz 0 1 4 3 ) R g ws i 时，额定频率变化范围内，分器输出信号的相角在积波动≯ 0 6 4 . 7( 8Hz时为 9 . 9 。5 0 1 39, 1Hz时为 9 . 0 1 2 3 )可见改进积分器输出信号的相位随被测 8。。电流基波频率波动的变化能满足标准规定的要求。

但是，模拟器件分散性、漂、漂特性，算受温时运放大器失调电流、调电压和输入阻抗的影响，进失改模拟积分器的性能并不十分稳定，很大程度上限在制了使用模拟积分器的 R g ws i o o k TA在电力系统中的应用。 2用数字方式实现的积分器 )

变化范围为 4 .~ 5 .,于保护时额定频率 9 5 0 5Hz用变化范围为 4~ 5。因此，何减小积分器输 8 1 Hz如出信号的相位随被测电流基波频率波动的变化，保证 R g ws i o o k TA的相位误差在规定范围内是积分

器设计面临的主要问题。表 2不同谐波下 0 2级 R o s i A误差 . g o w k TTab e 2 Li is oft ur e r or a l m t he c r nte r nd pha e s e r thar o c r que y r or a m n

is f e nc

数字积分器设计灵活，受环境干扰小，可靠性可重复性高。图 4~6分别为 3实现数字积分器的方案。种

实际应用中，为要对交流信号进行长时间积因分，了采用性能好的模拟器件外，可能周期性地除不将输出复位为 0为了解决 DC失调的问题，进了，改图 4基于 D AS和 P的积分器框图 CFi 4 I e r or dig am s d g. nt g at a r ba e on DAS d an PC

理想积分器，图 2在电容 C上并联 R。能避免运见，,放的输出饱和。改进的模拟积分器的传递函数为：一

P ) (

R 1 R C )￣一+】

RC”~

》 1 Rz,/ C)一

取 R一3 Q;—1 9k R1 0 MQ; C一 1 0n改进的模拟 0 F,

积分器的幅频、频特性见图 3相。

图 5基于 AD和 MC的积分器框图 C UFi.5 I e r t a r m s d o ADC d C U g nt g a ordi g a ba e n an M

从图 3可见，频特性曲线是频率的单调递减相函数。使用改进模拟积分器的 R g ws i o o k用于 TA

图 6基于 A C、 S D D P和 D C的积分器框图 AFi.6 I e r t r d a r m s d n g nt g a o i g a ba e o ADC - DSP nd DAC a

图 2改进的模拟积分器结构Fi . g 2 St u t e m pr v r c ur ofi o￣ a nalg ntg t r o i e ra o

在硬件上，一方案需要数据采集卡和 P机，第 C且数据采集卡直接挂在 P总线上。将 R g ws i C o o k

线圈输出的电压信号适当放大后，给数送据采集系统采集，后在 P机中积分运然 C算。此法运算速度很慢，适合要求实时的不系统，硬件成本较高。且 第二方案在硬件上使用了 A/转换器 D

和单片机。R g ws i圈输出的电压信号 o o k线图 3改进积分电路的幅、频特性曲线相Fi 3 G ai r s ns nd pha e r s n e o m pr e a l nt g a or g. n e po e a s ep s

fi o ov d na o i e r t g

适当放大后， A/采样后在 MCU中积经 D分运算。这种方法的基本思想是：字积分数

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高电压

技

术

第 3 O卷第 9期 1 5

的误差主要取决于积分的样点数，对量化噪声不而

敏感。只要样点数足够高，用低分辨率的 A/也采 D可达到精度要求。在这种方案中，于时钟的采样由频率固定，以工作在准同步方式下：信号频率出所当现变化，取 N个样点的时间与真实的信号周期不获同，会引起误差]而且一旦选择最佳采样频率也。后，分误差还与积分区间的起始点和 R g ws i积 o o k∞\

。 \\

\、

。 \。\\.

罂

\

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线圈输出电压信号的过零点问的相对位置有关。只有在 R g ws i圈输出电压信号的过零点触发积 oo k线分，能将误差减到最小。才 第三方案是第二方案上的改进。它用 DS P芯片替代了 MCU,样时钟由对 R g ws i圈输出采 oo k线

{ H| z图 9数字积分器增益响应 ( 0 0 Hz 4￣7 ) F g 9 G i￣p n e( 0 7 ) i. an r o s 4~ 0 Hz

电压信号频率进行锁相倍频后得到，保证工作在能同步方式下。为了减小误差，可引入触发电路，还在

一

巴一 _\

\\\\ .—

Ro o k线圈输出电压信号的正向过零点处启动 g ws i积分过程。此方案可快速还原出被测电流信号，较适合于实时应用的场合。

、

’.、

这 3种方案的软件编程可采用矩形积分、形梯

40

45

5 0

5 5

60

65

7 0

_/ 厂 Hz

积分等数值积分的思想。一般来说，数字方式实用现的积分器进行运算的样点越多，分效果越好，积误差越小，运算时间越长。在实用中要综合考虑速但度和精度等因素，择合适的样点数。选3使用数字电路实现的积分器 ) An lg De ie ao vc s公司有一种能量计量芯片 ADE 7 9该芯片内部

模拟通道 1有一个数字积分 75,器，别适合于具有 d/ t出的 TA。这种积分器特 id输

图 1数字积分器相位响应 ( 0 0 Hz 0 4￣7 ) F g 1 P aer o n e f 0 0 n ) i 0 . h s￣p s 4~7 z

从图中可见，数字积分器具有一 2 B dc该 0d/ e的衰减和大约一 9。相移。在 4~ 7 范围内 O的 O 0 Hz

幅频、频响应较理想，位随频率的波动完全可忽相相略，性能稳定，时间和环境条件的变化小。图且随l显示了用 AE 7 9还原 Ro o k线圈电压信 l D7 5 g ws i号时， 10 0:1的动态范围内的线性度。在 0l l 4℃,p= 0 F{

频率响应特性分别见图 7 1。~ o

:1 0、、\

一

l I l上’、 D=1丫 l F lllI l ll

曼. . 0。、、

;一

、 I +85, pF l℃=

篓- 2:一

,

\

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i} A

图 1 R gw￣ T在 1 00: 1 oo s A 0 1的动态范围内的线性度图 7数字积分器增益响应 F g 7 Gan r o s f ii l ne r tr i. i￣p ne o gt t a o d ai g一

n孚 11 Li a iy a c a y o ne rt c ur c fADE7 9 wih Ro o￣ 75 t g wsc r e tt a du r 0 e 0:1 dy a i a e u r n r ns￣ v r a 1 0 0 n m cr ng

8 88 8-

—

l

2结束语

8 9 8 9

-

| t\

使用模拟积分器的 R gwsi A测量低频小电 o o k T流时，低频噪声、电压漂移和积分器的相位响应成为、~

一

o 9 09l

\

一

影响测量准确度的主要问题。用数字方式实现的积

—

分器受环境温度、度、声、磁场等干扰和影响湿噪电小，靠性和重复性好。使用该积分器的 R g ws i可 o o k

一

9l

-

9 2

T适合用来测量低频小电流。 R gwsi A的误 A oo k T图 8数字积分器相位响应Fi . g 8 Ph s e po e o i i li e r o

a e r s ns f d g￣ ntg at r

差主要来源于信号频率和采样频率的准同步以及触发积分过程的时刻。其中采用 AD 75 E 79构成数字积

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H i h V o t g En i e r n g la e gn e ig

Vo. ONo 9 13 .

分器，应速度快，于使用，确度高，本低，优响易准成其

[ l1 C 0 4— .Eet n ur t rnfr r S .2 0 . e E 6 0 48 l r i cr n t s mes] 0 2 coc e a o[E]Al n n F reo o￣r )o o i A lw—otftun ymut lrfr n 3 c d ) err .R l.o(t hn. t t o c. r le c lii o y￣ x pe

越的温度稳定性使 R gwsi A适合于计量、护 oo k T 保精度等级要求高的应用场合。参考文献

crn u a l go,o i s n l[] 1EE T ascin n n tu na ho o ssmpi fir dc i as j . E rnat s o Isrme t— n￣i g oto d M e s e i n an a ur men, l 92, 4 2)1 03 2 t 9 l( 07. 2

(稿日期收

20 2 l ) 0 0一5 4

张明明 16 96年生，程师，工长期从事电子式电流、压互感器的研发工作。电电[]乔 1峨 .作平、承沐 .应用在混合式光电电流互感器中的 Roo k线安罗 g wsi话：0 7 8 5 8 5 (2)7465

圈[] j.变压器 .0 0 3 ( ) 1—1 20 . 7 5: 2. 7

(接第 2页 )上 5结论

[]清华大学电机系 .藏铁路 40 0至 50 0米高海拔地区 l 0千伏输变电 4青 0 0 1工程外绝缘选取方法及绝缘选型研究[] R .北京：清华大学 . 0 3 20 .6变[] (B/ 1 4l 9 .高压架空线和发电厂、电所环境污区分级及外绝缘 5; TI 3 9 6

选择标准[] s. GB T 6 2 .—7/ I 9 7 1 .高电压试验技术[] 9 s. (/ 48 . 1; 55 29.交流系统用高压绝缘子人工污秽试验方法固体层法[ 3 B F s. j/ 59 9 1

B T 8 5 l 9 .污秽地区绝缘子使用导则[] s.徐通训 .喜佑 .电力设备防污闪技术[ .北京：源部电力司 .9 5徐 M]能 19.

a爬电比距法算出并用污耐受法校核所得结 .用

果表明，随海拔的升高或气压降低，缘子的污闪电绝压也降低，线路绝缘子串长及支柱绝缘子泄漏距离也相应增长，增幅和绝缘子形状密切相关。其 b .青藏铁路 1Ok 1 V输电线路按 50 0m海拔和 0Ⅱ污区考虑，得线路绝缘子 X P 7级算 W - 0串长和大小伞支柱绝缘子泄漏距离分别为 1 4 . 6和 2 8 m。 .9 参考文献[]Hu e 1 t r P M.Isl o o ui e f mac t ihA tu e Ma r rn s rt n u tr l t nP r r nea H g lt: j ed a Plo o id oT[] EE rn cin nP we ley 9 9 ( ) 4 11 6. J .1 E Fa . t so o rDei r.18 .4 2:16 4 8￣ o v[] V 2 M. Ru a o a N Fk o ev Ifu n eo w rPrsue o d k v . N. ih d e . n le c fl o Ai es r n Fls o e l g fP l trI s ltr: TetDaa ah v rVot eo ol e n uao s a u s t,Ge eaiain At nrl t 一 z o

黄超锋 .高海拔地区染污绝缘放电特性的研究[ .清华大学博士论 D]文， 9 3 19.

[ 1苟锐锋 .气压对染污绝缘子绝缘强度的影响[] 1] J .高电压技术， 9 0 1 l 9 .6(2): 66 63 .

D .重庆大学博士论【 1 3张建峰 .绝缘子污秽闪络机理及影响因素的研究[] 2文 .9 1 19. M[ s i 1] 1 hi 3 . Shi da ma K. Fl h as ove ofc r ontm i t d￣ fc un r l a na e ura e de ow a— t

mo p ei pe s r[] t S e c .9 3 4 . 0 s h r rsu eC .4h H Gree 1 8 .s 6 2 . c 1(稿日期收 2 0—70 ) 0 40— 1

时卫东 l 6 9 6年生 .士后。主要从事高电压与绝缘以及检测技术方面的研博究。电话

:01 ) 2 7 2 ( 0 6 7 2l 2关志成 1 4 生 .授、导。目前主要从事电工与环境、料、命科学 9 4年教博材生等学科交叉领域问题的研究。电话：01 ) 2 7 9 9 ( 06 769

tmps n e m n ain[] E ETr s c o s nP w rD l ey e t a d R c me d t sJ .1 E a a t n o e ei r o o n i o v18 9 9.4 1:6 76l. ( ) 0— 3

王黎明 16 9 3年生 .教授、博导。长期从事高电压外绝缘和电工电能新技术的研究。电话：07 5 2 0 6 9 ( 5 )63 65

[]关志成 . 3张仁豫 .黄超锋 .低气压染污放电特性的研究[] J .清华大学学报 . 9 5.5 I:7 2 . 19 3 ( ) l 4

《北水力发电》订启事西征《北水力发电》国内外公开发行，北地区水力发电西为西唯一公开发行的期刊。北五省( )力发电工程学会联系西区水网网刊，内统一刊号：1 1 8/ K,际刊号：S N1 7—国 6— 38 T国 IS 6 1

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咸阳秦华特种电子元器件厂研制和供应的产品： :

1Rl B型大功率 (0~8 0;高压 ( 0 . G8 3W 0 W)耐 3~:80k;密 ( C 0 V)精 T R≤ 10× 1℃, CV≤ 0 0/: 0 0 T .l V)高阻值 ( Q~ 1 0Gf; 1k 0 D特种无感膜电阻器。 :

4 6。目前是《中国电力网》《国电力新闻网》《中国期刊 78、中、网》《中国学术期刊 (、光盘版 )《》万方数据资源网》《极星、北网》编入网期刊。入

2 R - GD耐高电流 (~ 20 0A)功率 ( 0 . Y- I 1 0大 3~: 80W)化膜电阻器。 0氧 3 R8 A型高压玻璃釉电阻器，率 ( . I0功 5~ 2 ) 5w;阻值 ( Q~ 1 0G D;电压 (~ 3 V)精密 ( CR: 1k 0 f耐 5 Ok; T ≤ 10 1℃, C 0× 0 T V≤ O 0/无感电阻器。 . l v) : :

《北水力发电》要报道水力、力、力等能源利用西主电风 的新理论、成果、技术、产品，要反映有关水力

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力工程与新能源高新技术信息。内容包括：库、坝、 水大电站、房、电站、网和供用电的勘测、划、计、工和厂变电规设施

4 R 8 P型高压高阻片式电阻器。 . I05 R 4 A型玻璃釉电阻器。 . I0 6高防潮湿型精密膜电阻器。 .

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运行管理，力机械及电气设备的设计、造、装和运行水制安

等，及水力计算、工技术、涉坝电站建设、厂房结构、备制造设安装、行与监测、电压输变电技术、力系统与自动化、运高电

7高电压 ( 0 1 0k;功率 (~ 3 w )带强： . 5~ 0 V)大 5 Ok, 制风冷型电阻柜。 8大功率 ( 5 50 0w )定、调、感，釉线 . 2~ 0 固可无被绕电阻器。

电器与仪表、计算机应用与网络、热工计量与测试、属材料金与性能、轮机与发电机、区旅游开发、水库环境保护与治理等方面的文章，验研究、产经验总结、查研究等，介绍试生调并国外水电建设经验。《西北水力发电》迎投稿 .迎出版专辑。迎厂家刊登广告。欢欢欢 《西北水力发电》年邮购价4全 0元。辑部全年办理订购手续。编电话：0 92 1 64 ( 2 ) 3 9 2电子邮件： x y mal x u . d . n sh@ i a t e u c .,

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传真：O l ) 7 8 6: (9O 36 60。一一~’… 一

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