集磁环式光学电流互感器的自校正测量方法

李深旺　郭志忠　张国庆　于文斌　申　岩

(哈尔滨工业大学电气工程系　哈尔滨　150001)



集磁环式光学电流互感器的自校正测量方法

李深旺郭志忠张国庆于文斌申岩

(哈尔滨工业大学电气工程系哈尔滨150001)

摘要为解决集磁环式光学电流互感器存在的线性度和准确度差的问题，提出了一种集磁环式光学电流互感器的自校正测量方法。该方法在常规集磁环式光学电流互感器的基础上增加基准电流源、自校正线圈和远端采集单元，并采用自校正算法进行数据处理，使常规的集磁环式光学电流互感器成为一个完整的自校正测量系统。实验结果表明，所设计的集磁环式光学电流互感器测量准确度等级满足IEC 0.2级的测量要求，可以有效提高集磁环式光学电流互感器的线性度和准确度，证明了自校正测量方法的正确性与实用性。同时为集磁环式光学电流互感器的实用化设计提供了新的思路。

关键词：光学电流互感器集磁环线性度准确度自校正测量

0引言

电流互感器是电力系统不可或缺的电力设备，准确测量任意时刻的电流值是电力系统对电流互感器的根本要求[1]。光学电流互感器(Optical Current Transformer，OCT)经过几十年的研究取得了长足的进展，被视为常规电流互感器的理想替代品[2-4]。根据光路结构的不同，OCT可分为闭合光路型和直通光路型两种，其中，直通光路型OCT光路结构简单、可靠性高以及易于制造，且随着测量精度温漂[5，6]、长期运行稳定性[7-9]和电磁干扰[10-12]等技术难题的逐步解决，直通光路型OCT已进入实用化阶段。

集磁环式光学电流互感器属于直通光路型OCT。采用集磁环的设计方案，可以增大直通光路型OCT的测量灵敏度、提高其抗外磁场干扰能力。但是，由于集磁环的存在，集磁环式OCT不可避免地存在铁磁饱和、磁导率变化和漏磁等缺陷，导致其测量的线性度和准确度下降，这是集磁环式OCT进一步实用化的主要技术障碍。

解决集磁环式光学电流互感器线性度差、测量准确度低的问题具有相当的技术难度，国内外的专家学者对此作了许多针对性的研究，并提出了一些解决方案，主要包括：①改进材料特性方案：通过选择磁导率大且剩磁小的铁磁材料制作集磁环，增大其磁饱和的顶端阈值及线性范围，从而提高集磁环式光学电流互感器的线性度和测量范围[13]；②结构优化方案：通过精心设计集磁环的结构和参数、合理设计磁光晶体的长度和安装位置等，提高集磁环式光学电流互感器的测量范围和测量准确度[14-17]；③补偿方案：根据集磁环磁导率随待测电流变化的规律，对测量结果进行补偿[18]。上述的解决方案只是针对影响集磁环式光学电流互感器传感特性的某一个影响因素进行优化，尽管获得了一定的改进效果，但对集磁环式OCT测量性能的提高效果有限，未能从根本上解决线性度差和测量准确度低的问题。

为此，本文提出一种集磁环式OCT的自校正测量方法，通过增加基准电流源、自校正线圈和远端采集单元，并采用自校正算法进行数据处理，以此实现集磁环式OCT的自校正测量，提高其测量的线性度和准确度。实验结果表明，采用自校正测量方案的集磁环式OCT测量准确度等级可以达到IEC 0.2级。本文的研究为集磁环式OCT的实用化设计提供了新的解决方案。

1集磁环式OCT传感特性分析

1.1基本原理

集磁环式OCT采用条状磁光晶体构成光学传感器，并在光学传感器周围增加一个集磁环构成环绕载流导体的传感结构，光学传感器安装在集磁环的气隙内部，如图1所示。图中，lc为磁光玻璃的长度，lg为气隙的长度，α为载流导体中心向磁光晶体两端点的张角。

图1　集磁环式OCT系统结构Fig.1　System structure of OCT with magnetic concentrator ring

集磁环可以使待测电流产生的磁场重新分布，光学传感基于法拉第磁光效应原理测量载流导体中的待测电流信息。

采用集磁环后磁路的拓扑关系发生变化，集磁环式OCT的等效磁路模型如图2所示。图2中，F为磁动势；Φ为磁通；Rg、Rr分别为气隙、集磁环的磁阻。

图2　集磁环式OCT等效磁路Fig.2　Equivalent magnetic circuit of OCT with magnetic concentrator ring

利用集磁环的聚磁能力，可以使待测电流产生的磁场重新分布，极大地增强了气隙内部的磁场。本质上，光学传感器不是直接对待测电流进行测量，而是对气隙内部磁场强度的测量，并用气隙部分的磁场线积分代替闭合环路磁场线积分。若集磁环是理想的，则气隙内部磁场的磁场强度正比于待测电流。线偏振光在磁光晶体中经气隙磁场调制，产生一个正比于待测电流的法拉第旋光角，通过二次信号处理电路可以解调出待测电流信息。

集磁环式OCT的传感模型为

uo=kic+δ

(1)

式中，uo为集磁环式OCT的测量输出；ic为待测电流；k为集磁环式OCT的变比；δ为误差项。

以下对集磁环式OCT的传感特性进行分析。

1.2灵敏度特性分析

如图1所示，设载流导体中施加的待测电流为ic，载流导体位于集磁环的中心位置且垂直于集磁环所在平面，光学传感器位于集磁环气隙内部。

若不采用集磁环，则图1所示的集磁环式OCT退化为常规直通光路型OCT。此时，根据毕奥-萨伐尔定律，光学传感器敏感待测电流ic产生的磁场Bc产生的法拉第旋光角为

(2)

式中，V为磁光材料的菲尔德常数；μ0为真空磁导率。从而可得常规直通光路型OCT的灵敏度为

(3)

若采用集磁环，假设集磁环无漏磁，由待测电流ic产生的磁通全部从集磁环内部通过，气隙内的磁场为均匀磁场。

由待测电流ic产生的磁通为

(4)

气隙磁阻Rg和集磁环磁阻Rr可表示为

(5)

式中，lr为集磁环的长度；μr为集磁环的相对磁导率；S为集磁环开口端面的面积。

从而，气隙内部的磁感应强度为

(6)

对于由铁磁材料制作而成的集磁环，其相对磁导率μr≫1，从而式(6)可以进一步简化为

(7)

光学传感器敏感气隙内部磁场产生的法拉第旋光角为

(8)

从而可得集磁环式OCT的灵敏度为

(9)

比较式(3)和式(9)可得，集磁环式OCT与常规直通光路型OCT的灵敏度之比为

(10)

集磁环式OCT在设计时一般都会尽量利用气隙的有效长度，使得lc/lg≈1；载流导体向磁光玻璃的张角α恒小于π/2，即π/α>2。因此，与常规直通光路型OCT相比，集磁环式OCT的测量灵敏度至少可以提高两倍以上。

1.3准确度特性分析

考虑集磁环磁导率的影响，式(1)所示的集磁环式OCT的传感模型可以进一步表示为

uo=kic+δ=krk2ic+δ

(11)

式中，集磁环式OCT的变比k=krk2；kr为磁导率灵敏度校正因子。

其中

(12)

集磁环一般采用铁磁材料制作而成，实际的集磁环材料是非理想的，其磁导率是磁感应强度的函数，按磁滞回线变化。当待测电流发生变化时，集磁环的磁导率也会发生相应地变化，从而导致集磁环磁阻发生变化。特别地，当待测电流增大到一定大小之后，集磁环会进入磁饱和状态。

由式(12)可知，当集磁环材料的相对磁导率μr变化时，磁导率灵敏度校正因子kr也随之变化，根据式(11)，此时变比k也随之变化，而不再是常数，这就导致集磁环式OCT的线性度变差。线性度差导致的测量准确度下降是集磁环式OCT面临的一个关键技术问题。

2自校正测量方法

线性度是评价电流互感器测量品质的重要参数，为了解决集磁环式OCT线性度差的问题，本节提出一种集磁环式OCT的自校正测量方法，并具体设计了一种自校正测量系统，它包括集磁环、光学传感器、光源、自校正线圈、基准电流源、远端采集单元和信号处理单元。图3所示是集磁环式OCT自校正测量系统的示意图。

图3　集磁环式OCT自校正测量系统Fig.3　Self-calibration system of OCT with magnetic concentrator ring

基准电流源向密绕在集磁环上的自校正线圈施加一个基准电流ib，待测电流ic是工频电流，频率为fc=50 Hz；基准电流ib是高频电流，其频率为fb，且fb≫fc。自校正线圈中的电流ib产生基本正比于电流大小的磁通量Φb(设Φb=kbib，以由冷轧硅钢片制作的集磁环为例，考虑其磁化曲线的非线性，集磁环工作于非磁饱和状态时kb的变化小于0.2%)。由于集磁环的作用，Φc和Φb都集中于集磁环内部，构成如图2所示的磁通回路。安装在集磁环气隙内的光学传感器根据法拉第磁光效应原理测量气隙内部的磁场信息。

远端采集单元对基准电流ib进行测量并将测量结果输送至信号处理单元；光学传感器测量气隙内部的磁场信息，也将测量信号输送至信号处理单元。在同步时钟控制下，信号处理单元对光学传感器和远端采集单元输送来的测量信号进行同步采样。

在任意t时刻，光学传感器的输出信号经过光电转换后分成两路相同的信号，其中，第一路信号经过工频滤波器，其输出信号仅含有工频电流信息，即

uo1(t)=krk1ic(t)

(13)

第二路信号经过高通滤波器，其输出信号仅含基准电流信息，即

uo2(t)=krk1ib(t)

(14)

与此同时，远端采集单元测量基准电流源的输出电流获得的输出信号可表示为

uz(t)=kzib(t)

(15)

式中，kz为远端采集单元的灵敏度。

远端采集单元独立工作，其灵敏度kz与传感头部分无关，不会受到集磁环磁导率、传感头结构参数的影响。可以认为kz是一个独立的常数。

由式(13)～式(15)可以推导得到集磁环式OCT自校正测量系统的传感模型为

(16)

由式(16)可见，自校正测量的输出电压与集磁环式的磁导率变化等因素无关，只需实时同步检测工频滤波器、高通滤波器和远端采集单元的测量值，即可得到待测电流的准确值，消除了集磁环磁导率变化对集磁环式OCT的影响，从而提高集磁环式OCT的线性度。

3实验结果及分析

图4所示是本文设计的集磁环式OCT实验系统，集磁环式OCT的额定电流为1 000A。集磁环式OCT通过工装固定，载流导体从集磁环中心穿过且垂直于集磁环所在平面，自校正线圈密绕在集磁环上，其匝数为1 882。集磁环由冷轧硅钢片制作而成，集磁环的外半径R=0.27 m、内半径r=0.23 m、厚度d=0.04 m，气隙长度lg=0.13 m。光学传感器的磁光晶体采用牌号为ZF—7的重火石材料，磁光晶体沿通光方向的长度lc=0.05 m。

图4　实验系统Fig.4　Test system

大电流发生器向载流导体施加一个待测电流ic。基准电流源向自校正线圈施加一个基准电流ib，基准电流的频率为800 Hz。远端采集单元测量基准电流源的输出电流，并将测量信号输送给信号处理单元。标准CT的准确等级为0.01S，可以准确测量载流导体中的电流信息。光学电流传感器变比调整为1 200∶1.862。

实验时，向载流导体施加5%～120%倍额定电流，并同时测量集磁环式OCT自校正前、自校正后的输出，实验结果如图5所示。

图5　实验结果Fig.5　Test results

由图5a可见，当待测电流为额定电流5%～120%时，若不采用自校正测量方法，集磁环式OCT的比差在-2.49%～0.12%之间，线性度较差；采用自校正测量方法之后，集磁环式OCT的比差在-0.10%～0.10%之间，线性度较好，测量准确度与自校正前的比差结果相比显著提高。采用自校正测量方案时，集磁环式OCT的比差和角差满足IEC 0.2级的测量准确度要求。

实验结果表明，采用自校准测量方法可以有效提高集磁环式OCT的线性度和准确度，实验结果与理论分析结论相吻合，证明了自校正测量方法的正确性与实用性。

4结论

本文分析了集磁环式OCT的传感特性，指出增加集磁环可以有效提高直通光路型OCT的测量灵敏度，但同时也会导致直通光路型OCT的线性度较差，从而导致集磁环式OCT的测量准确度下降。为解决这一问题，提出了一种集磁环式OCT的自校准测量方法，并建立了自校准测量系统的数学模型。该方法在集磁环式OCT的基础上增加自校正线圈、基准电流源和远端采集单元等构成自校准测量系统，实现对待测电流的自校准测量。实验结果表明，采用自校准测量方法时，集磁环式OCT测量准确度高、线性度好，测量准确度等级达到IEC 0.2级，证明自校准测量方法的正确性和实用性。本文的研究可以为集磁环式OCT的实用化提供新的解决思路。

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作者简介

李深旺男，1985年生，博士研究生，研究方向为继电保护新技术、光学测量技术及其在电力系统中的应用。

E-mail：lishenwang2010@163.com

张国庆男，1969年生，博士，副教授，研究方向为电力系统及其自动化、电力系统继电保护和光学技术在电力系统中的应用等。

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

中图分类号：TM452

国家电网公司科技项目(B3441515K003)和国家电网公司“基于光学电流互感器的新型继电保护应用研究”项目资助。

收稿日期2015-06-27改稿日期2016-06-05