第 2 章電子式電流互感器的總體結構與基本原理
2.1 引言
電流互感器是電力系統中計量和繼保所需的重要裝置，新型的電子式電流互感器以無磁飽和，測量精度高，響應頻帶寬等突出的優點而成為研究的熱點，根據高壓側部分是否需要供電，電子式電流互感器（ect）可分為有源電子式電流互感器和無源電子式電流互感器。本章就電子式電流互感器的工作原理，總體架構，以及在實用化過程中存在的問題作了分析和**。
2.2 電子式電流互感器的總體結構
根據國際電工委員會提出的標準（iec60044-8），電子式電流互感器（ect）的通用框圖如圖 2.1 所示，一次電流感測器產生與一次端子通過電流相對應的訊號，它是一種電氣、電子、光學或其他裝置。一次轉換器將來自一次電流感測器的訊號轉換成適合於傳輸系統的訊號。
傳輸系統用於一次部件和二次部件之間傳輸訊號的短距或長距耦合裝置。依據所採用的技術，傳輸系統也可用以傳送功率。二次轉換器將來自傳輸系統的訊號轉換成正比於一次端子電流的訊號量，供給測量儀器、儀表和繼電保護或控制裝置。
對於模擬輸出型 ect，二次轉換器直接供給測量儀器、儀表和繼電保護或控制裝置。對於數字輸出型電子式互感器，二次轉換器通常接至合併單元再輸出至二次裝置。電子式電流互感器可分為無源型和有源型兩大類，前者基於光學感測技術，一般是基於法拉第（faraday）效應等磁光變換原理，
這類互感器直接用光進行資訊變換和傳輸，與高電壓電路完全隔離，具有不受電磁干擾，測量範圍大，響應頻帶寬，體積小及便於數字傳輸等優點，其特點是在高壓側部分無需電源，故稱為無源電子式電流互感器；後者基於電磁感應原理，如採用無鐵心的 rogoswki線圈，這類電子式電流互感器與常規電流互感器較相似，但體積小，暫態響應好，可靠性高，可以直接以模擬量形式輸出，也可將訊號數位化後用光纖技術進行資訊傳送，這樣大大簡化了互感器的絕緣結構，適用於高電壓系統，這類電子式電流互感器的特點是高壓側有電子電路，需要有電源對其供電。故稱為有源電子式電流互感器。
2.3 無源型電子式電流互感器的工作原理及其結構
光在傳播過程中，如果在垂直於光傳播方向的平面內，光向量始終沿乙個固定的方向振動，就稱這種光為線偏振光。磁場能使本來不具有旋光性的物質產生旋光性．即當一束線偏振光穿過無旋性介質時，如果在介質中沿光的傳播方向施加乙個外磁場，光通過介質後，光的振動面就會轉過乙個角度，這種現象被稱為磁致旋光效應或法拉第效應。對於給定的介質，振動面的轉角與介質的長度 l及磁場強度h 成正比：
? ?vhl 。
（2.1）
其中，比例係數v 叫做費爾德（verdet）常數，由介質和光波波長決定。
磁致旋光效應的旋轉方向僅與磁場方向有關，與光線傳播方向的正逆無關，這種磁致旋光現象與晶體的自然旋光現象是不同的。光束往返通過自然旋光物質
時，因旋轉角相等方向相反而相互抵消，但通過磁光介質時，只要磁場方向不變，
旋轉角都朝乙個方向增加，因此，磁致旋光效應是乙個不可逆的光學過程。
目前研究較多、實用化程度較高的無源型 ect 是基於法拉弟磁光效應原理的
電流互感器，即利用法拉弟效應測量光在光纖或磁光物質中傳播時受附近電流所
產生的磁場的影響而使光的極化方向發生偏轉的原理來測量磁場強度，進而測量
電流。基於法拉弟磁光效應的電子式電流互感器的示意圖如圖2.2所示。
無源型ect 的特點是系統的線性度好，靈敏度高，絕緣性能好，其難點是精
度和穩定性受溫度、振動的影響較大。基於法拉弟效應的 ect 根據感測頭光學結
構的不同，又可分為塊狀玻璃式、全光纖式、集磁環式等幾種，如圖2.3所示。
塊狀玻璃型 ect 中光源經調製與極化變成偏振光，通過光纖引入到具有法拉
弟效應的磁光材料中，光在其內多次反射並被電流產生的同方向的磁場調製，再通過另一條光纖輸入到光電探測器中[21]，經電子電路處理後完成訊號的探測。選
取感測材料時要考慮光學特性，執行範圍，穩定性等因素，通常選取 verdet 常數
大，溫度係數小的磁光材料，以提高感測器的靈敏度和溫度穩定性。
全光纖型ect 中感測和訊號傳輸部分均採用光纖，利用光纖作為磁光材料。
將光纖纏繞在被測電流導線外面，光源產生的雷射通過起偏器變成線性偏振光，
然後進入光纖，線性偏振光經過光纖線圈後再經過檢偏器分析，然後用光檢測器
檢測偏轉角? ，即可換算出電流。
這種結構的無源 ect 的優點是結構簡單，成本低，受附近其他磁場的影響小，
可用多繞圈數的方法來提高其靈敏度。主要缺點是光纖繞制時其截面上所受的應
力不均勻、扭曲、內部晶體結構變化以及溫度變化等因素使通過的光產生雙折射
現象，影響 ect 的測量精度和穩定性[19,22~24]，近年來國外已研究成功將繞制後的
光纖線圈通過高溫退火技術以減小雙折射現象，[25] 但在退火後，光纖的外保護層
將受到損壞，需要重新製作外保護層，在製作新保護層時要注意不要將殘餘的雙
折射效應又引入光纖線圈
[26]
。集磁環式 ect 是以一小塊磁光材料作為感測元件，並在它周圍加一環形的導
磁材料以加強磁光材料中的磁場強度，以增加其測量靈敏度，這種無源 ect 的傳
感頭光路比較簡單，裝置尺寸小，氣隙較大，易於實現，但由於存在集磁環鐵心，
因此在故障電流下可能存在飽和、磁滯現象。這種 ect 的測量結果受周圍電流的
影響，氣隙的磁場分布不均勻，測量結果與感測頭的位置有關[27][28]。
2.4 有源型電子式電流互感器的工作原理及總體結構
有源型 ect 利用電磁式 ct、分流器或 rogowski 線圈感測出與被測電流成比例的訊號，通過電光轉換後，利用光纖將光訊號傳送到低壓側，再經過光電轉換將電訊號匯入合併單位供二次裝置使用。其中基於 rogowski 線圈原理的有源ect因其測量範圍大，線性度好，無磁飽和等優點而成為研究的熱點。這種電流互感器既利用了光纖系統提供的高絕緣性的優點，顯著降低了電流互感器的製造成本、體積和重量，又充分發揮了被電力系統廣泛接受的常規 ct 測量裝置的優勢，同時還避免了無源 ect 感測頭光路的複雜性及全光纖感測頭線性雙折射、塊狀玻璃全反射相位差等技術難點。
但有源 ect 因為高壓側有訊號處理電路，故必須要有乙個穩定的供電系統才能正常工作。有源 ect 主要由感測頭，高壓側資料採集單元，訊號傳輸系統，合併單元，高壓側電源組成。圖 2.
4 是採用光供電的有源型 ect 的結構圖。
2.4.1 rogowski線圈感測頭
有源型ect 的感測頭一般採用 rogowski 線圈。rogowski 線圈測量電流是依據全電流的電磁感應原理，實質上是一組導線線圈纏繞在乙個非磁性骨架上組成的。因為無鐵磁材料，故感測器沒有磁飽和現象，即使被測電流的直流分量很大，它也不飽和，線性度好[29]。
其結構如圖2.5所示，當線圈的結構一定時，線圈的互感m 為一常量，測量線圈所交鏈的磁鏈與穿過 rogowski 線圈限定面的電流成正比。不論線圈截面為何種形狀，rogowski 線圈均有：
即感應電勢e與一次側電流變化率成正比，相位相差900 。
與傳統電磁式互感器相比，基於 rogowski 線圈原理的 ect 具有很多的優點：
（1）測量準確度高，可優於0.1%；
（2）測量範圍寬，可測量的電流範圍可從幾安培到幾千安培；
（3）頻率範圍寬，根據不同要求可設計到0.1hz 到1mhz，特殊的可設計到200mhz，其低頻電流測量等效電路圖如圖2.6所示；
（4）可以測量其他技術不便使用的受限制領域的大電流；
（5）不含鐵心，暫態效能好；
（6）絕緣性能好，造價低；
2.4.2 高壓側資料採集單元
在有源 ect 的感測頭位於高壓側，如果將其輸出的原始訊號通過電纜輸送到低壓側處理，電磁干擾將會直接影響測量結果的準確性。因此，應在高壓側利用資料採集系統將感測頭輸出的模擬訊號轉換成數碼訊號，然後經由光纖傳輸到低壓側。這樣既保障了高壓側與低壓側的電氣隔離，又有效地減小了電磁干擾對測量結果的影響[30][31]。
根據電子式電流互感器輸出訊號的特點及相關標準對訊號傳輸的要求，可以將高壓側資料採集單元分為訊號調理和邏輯控制電路兩個部分，其主要的功能是：邏輯控制電路在接收到低壓側合併單元傳送的同步取樣命令後，啟動訊號調理模組對 rogowski 線圈輸出的二次電壓訊號進行高速取樣，並將取樣值組幀編碼，經電光轉換（e/o）變成光訊號，通過光纖向低壓側的合併單元傳輸。其結構框圖如圖 2.
7 所示。設計中選用 ade7759 晶元來實現訊號的取樣及調整的功能，ade7759 是analogdevice公司生產的一款功能先進的能量計量晶元。內部整合了兩個二階的?
?? 型模數轉換器（adc），兩個模擬訊號通道：電流通道（ch1）和電壓通道(ch2)。
在電流通道上有乙個數字積分器，能夠直接接到rogowski 線圈電流感測器，從而省去了外部的模擬積分器，能夠保證長時間的穩定性和電流、電壓通道之間的精確相位匹配。該數字積分器具有-20db/dec 的衰減和大約-90°的相移。在40 hz~70 hz範圍內幅頻、相頻響應較理想，相位隨頻率的波動可以忽略，且效能穩定。
在實際應用時，乙個邏輯控制電路模組需要接入多個訊號取樣及調整模組，這就要求邏輯控制電路有較多的 i/o 口可供配置。同時，在計算被測一次電流時需要對 rogowski 線圈二次電壓訊號的取樣值進行積分；ade7759 的訊號取樣率選用 14ksps，高取樣率可以提高積分的精度，還能簡化 adc 的前置電路的設計。
一般的微控制器難以滿足要求，採用現場可程式設計門陣列（fpga）不僅能夠很好地解決上述問題，還能夠方便地對資料資訊進行編碼傳輸。邏輯控制電路模組利用fpga控制ade7759進行訊號取樣及相應的處理，然後從ade7759 中讀出電流、電壓訊號的取樣值，送入到資料排序模組中進行排序輸出，經過組幀編碼模組將資料變成曼徹斯**輸送到電光轉換模組。 2.
4.3 訊號傳輸系統
把高壓側取樣的數碼訊號傳送到低壓側，目前普遍採用光纖技術來傳送。採用光纖傳送訊號具有如下優點：
（1）抗電磁干擾及抗共模干擾能力強；
（2）高低壓側隔離效能好，低壓側負載對高壓側無影響；
（3）響應時間短、精度高；
（4）傳輸損耗低。
光纖一方面用來傳輸被測電流訊號的資料資訊，另一方面保障了高壓側與低壓側的電氣隔離，有效地減小了電磁干擾對測量結果的影響。設計中光傳送器選用hbfr-1414 型光電模組，光接收器採用hbfr-2412型光電模組。其傳送波長為 820nm，傳輸數率為5mbd，傳送距離為2000m，選用62.
5/125μm多模玻璃光纖連線。光纖傳輸的介面示意圖如圖 2.8 所示。
高壓側資料採集單元取樣的資料資訊經 hbfr-1414 轉換為光訊號，通過光纖傳輸到低壓側合併單元中的接收器 hbfr-2412，經過整形放大之後轉換成和 ttl 電平相容的脈衝訊號輸出，便於后級電路對資料資訊的處理。
2.4.4 合併單元
合併單元（mergingunit，簡稱 mu）是電子式電流互感器重要組成部分，它連線了電子式電流互感器二次轉換器與變電站二次裝置（同時也用於電子式電壓互感器）。採用一台合併單元（mu）可匯集多達 12 個二次轉換器資料通道。乙個資料通道承載一台電子式互感器或一台電子式互感器取樣測量值的單一資料流。
在多相或組合單元時，多個資料通道可以通過乙個實體介面從二次轉換器傳輸到合併單元。合併單元對二次裝置提供一組時間相干的電流和電壓樣本。二次轉換器也可從常規電壓互感器或電流互感器獲取訊號，並可匯集到合併單元。
合併單元的主要功能是同步採集三相電流電壓輸出的數字資訊並彙總按照一定的格式輸出給二次保護控制裝置。
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