直流输电系统的光纤电流测量技术

论文摘要

近年来,我国高压直流输电技术蓬勃发展,高压电流测量设备国产化的需求越来越迫切。传统的直流电流测量方法大都基于电磁感应原理,用零磁通或磁调制的方法,对绝缘要求高,结构复杂,设备体积大而笨重;而铁芯式电流互感器由于线路上存在较大的直流分量,铁芯严重饱和,难以测量谐波电流,研究新的高压电流测量方法及技术已迫在眉睫。本文在全面比较分析直流电流和谐波电流测量方法的基础上,研究了将常规的传感元件与光纤通信技术相结合的有源式电流测量系统和代表未来测量技术发展趋势的非接触型无源式电流测量系统两种不同的技术方案。利用光纤传输系统连接测量系统的高低压侧,解决了高压测试系统绝缘及抗干扰两大难题,具有独特的优越性。在有源式电流测量系统中,采用分流器和Rogowski线圈分别作为直流大电流和谐波电流的传感元件,介绍了分流器的误差分析与补偿措施,设计了基于PCB的新型Rogowski线圈,深入研究比较了在高压直流输电系统这个特殊环境下高压侧电子线路的能量供给技术。经武汉高压研究所测试,在300A～3000A电流范围内,基于频率调制方案的直流电流测量相对误差小于0.15%,高压侧电子电路功耗为17mW,响应速度为47mS。针对频率调制方案直流测量响应速度较慢的缺点,高压侧改用数字调制式处理方案,试验数据表明,基于数字调制方案进行直流电流测量,电路及信号处理部分所引入的相对测量误差在0.2%之内,响应速度为0.46mS,超调小于10%,8k采样率时高压侧功耗为46mW;基于数字调制方案进行谐波电流测量,100Hz～2500Hz频率范围内,电压从0.107V变化到1.06V,电路及信号处理部分所引入的相对测量误差在2.3%之内,12.8k采样率时高压侧电子电路功耗为63mW。本文还推导了无源式光学直流电流传感器的传感机理和补偿机理,分析了原有基于比较法测量交流电流时磁路设计存在的不足,以永磁组件在参考光学传感臂轴线上的磁场强度达到8000A/m为设计目标,深入研究了影响永磁体稳定性的主要因素,设计了永磁组件及其屏蔽盒,并通过磁场仿真给出了参考臂与测量臂相对位置的合适距离,最后在基于LabVIEW的试验平台上对样机性能测试。试验结果表明,在300A3000A范围内,测量准确度优于0.5%,在光功率波动达25.2%、双光路光功率不对称度为34.2%的情况下,双光源双输出传感器相对误差变化范围为-0.4%+0.42%,远高于相同测试条件下单光源双输出传感器的性能。此外,永磁组件的抗外磁场干扰能力提高了约2个数量级。最后,本文研究了上述两种传感器的可靠性,通过建立相应的可靠性结构模型和数学模型,采用元器件计数法和元器件应力法对有源式电流测量系统和无源式电流测量系统的失效率进行统计,给出了定量的可靠性指标,指出影响和制约光纤电流测量系统稳定、有效运行的各种因素,采取各种可靠性保障措施来提高设备的固有可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 高压直流输电技术国内外发展现状
• 1.2 高压直流输电线路保护及谐波抑制
• 1.3 高压直流电流测量方法的研究和比较
• 1.4 高压谐波电流测量方法的研究和比较
• 1.5 高压光纤电流测量系统研究意义及主要工作
• 2 有源式光纤电流测量系统
• 2.1 有源式光纤电流测量系统的工作原理
• 2.2 传感元件的设计和制备
• 2.3 高压侧电路供电方式
• 2.4 信号调制方式和功耗要求
• 2.5 高压直流大电流测量方案
• 2.6 高压谐波电流测量方案
• 3 无源式光学直流电流传感器
• 3.1 无源式光学直流电流传感器的传感机理
• 3.2 无源式光学直流电流传感器的补偿机理
• 3.3 比较式光学传感头的光路设计和磁路改进
• 3.4 无源式光学直流电流传感器的试验研究
• 4 光纤电流测量系统的可靠性研究
• 4.1 研究现状与研究意义
• 4.2 可靠性研究内容与目标
• 4.3 可靠性模型的建立和可靠性预计
• 4.4 有源式光纤电流测量系统的可靠性预计
• 4.5 无源式光纤直流传感器的可靠性预计
• 4.6 光纤电流测量系统的可靠性保障技术
• 5 全文总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的论文目录