全光纤电流互感器宽频校验系统的校验电源装置及电源提供方法与流程

本发明涉及电力设备检测
技术领域：
，并且更具体地，涉及一种全光纤电流互感器宽频校验系统的校验电源装置及电源提供方法。
背景技术：
：随着高压直流输电系统不断发展，大量电力电子装置及非线性负载接入电网，导致电网中出现大量高次谐波。因此，对直流电流互感器的宽频测量能力提出了更高的要求。对于50hz～1200hz的基波及谐波电流的测量，电子式直流电流测量装置的幅值误差不应超过0.75％，相角误差不应超过500μs。全光纤电流互感器是一种基于法拉第磁光效应的电子式电流互感器。与传统的电磁式电流互感器相比，具有测量准确度高、动态范围大、绝缘简单、电磁兼容性好、安装灵活等优势，可同时测量交、直流电流，在高压直流输电领域具有广阔的应用前景。作为互感器的校验系统的电源，电源发生器对电源的稳定性、波形畸变率及噪声要求很高。普通采用电力电子技术实现大容量谐波电源具有容量大的优点，但是由于其输出信号噪声太大，难以实现高准确度量值传递，同时，谐波电流源还具有带载能力弱，电源与一次回路不隔离的缺点。技术实现要素：本发明提出一种全光纤电流互感器宽频校验系统的校验电源装置及电源提供方法，以解决如何为全光纤电流互感器宽频校验系统提供结构简单、稳定性高的校验电源的问题。为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种全光纤电流互感器宽频校验系统的校验电源装置，其特征在于，所述装置包括：信号发生单元，用于发生频率可调的第一电压信号；功率放大单元，与所述信号发生单元相连接，用于放大所述第一电压信号，以获取第二电压信号；宽频升流器，与所述功率放大单元相连接，用于根据所述第二电压信号生成相应的第一电流信号；全光纤电流互感器，串联接入所述信号发生单元、功率放大单元和宽频升流器组成的电流回路中，用于根据所述第一电流信号生成数字信号，以用于所述全光纤电流互感器的校验；标准互感器单元，串联接入所述信号发生单元、功率放大单元和宽频升流器组成的电流回路中，用于根据所述第一电流信号生成第三电压信号，以用于所述全光纤电流互感器的校验。优选地，其中所述第一电压信号为0.001-5khz频率范围内的交流电压。优选地，其中所述标准互感器单元，包括：标准互感器以及与所述标准互感器的二次侧串联的标准电阻；所述标准电阻采用锰铜材料制成。优选地，其中所述宽频升流器的一次绕组匝数为20匝，二次绕组的匝数为单数，所述第一电流信号的电流值范围为10a-120a。优选地，其中所述装置还包括：电源单元，用于为所述标准互感器单元提供电源支撑。根据本发明的另一个方面，提供了一种使用如上所述的装置为全光纤电流互感器宽频校验系统提供电源的方法，其特征在于，所述方法包括：利用信号发生单元发生频率可调的第一电压信号；利用功率放大单元放大所述第一电压信号，以获取第二电压信号；利用宽频升流器根据所述第二电压信号生成相应的第一电流信号；利用全光纤电流互感器根据所述第一电流信号生成数字信号，以用于所述全光纤电流互感器的校验；利用标准互感器单元根据所述第一电流信号生成第三电压信号，以用于所述全光纤电流互感器的校验。优选地，其中所述第一电压信号为0.001-5khz频率范围内的交流电压。优选地，其中所述标准互感器单元，包括：标准互感器以及与所述标准互感器的二次侧串联的标准电阻；所述标准电阻采用锰铜材料制成。优选地，其中所述宽频升流器的一次绕组匝数为20匝，二次绕组的匝数为单数，所述第一电流信号的电流值范围为10a-120a。优选地，其中所述方法还包括：利用电源单元为所述标准互感器单元提供电源支撑。根据本发明的又一个方面，提供了一种全光纤电流互感器宽频校验系统，其特征在于，包括：如上所述的任一种全光纤电流互感器宽频校验系统的校验电源装置。本发明提供了一种全光纤电流互感器宽频校验系统的校验电源装置及电源提供方法，包括：信号发生单元为功率放大单元提供低畸变、频率可调的第一电压信号，功率放大单元对该第一电压信号进行功率放大以获取第二电压信号，宽频升流器根据所述第二电压信号获取电流信号；其中，所述宽频升流器还能提供功率放大单元与一次回路的隔离，消除功率放大单元输出的直流偏置，本发明的校验电源装置具有结构简单、稳定性高、波形畸变率及噪声小，且带载能力高，能够与信号发生单元、功率放大单元和宽频升流器组成的电流回路隔离的特点，从而能够准确地对全光纤电流互感器进行校验。附图说明通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：图1为根据本发明实施方式的全光纤电流互感器宽频校验系统的校验电源装置100的结构示意图；图2为根据本发明实施方式的全光纤电流互感器宽频校验系统的校验电源装置的实例图；图3为根据本发明实施方式的对全光纤电流互感器宽频校验系统的校验电源装置的一次电流回路的阻抗进行测试的示意图；以及图4为根据本发明实施方式的全光纤电流互感器宽频校验系统的校验电源装置的电源提供方法400的流程图。具体实施方式现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属
技术领域：
的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属
技术领域：
的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。图1为根据本发明实施方式的全光纤电流互感器宽频校验系统的校验电源装置100的结构示意图。如图1所示，本发明的实施方式提供的全光纤电流互感器宽频校验系统的校验电源装置100，具有结构简单、稳定性高、波形畸变率及噪声小，且带载能力高，能够与信号发生单元、功率放大单元和宽频升流器组成的电流回路隔离的特点，从而能够准确地对全光纤电流互感器进行校验，本发明的实施方式所提供的全光纤电流互感器宽频校验系统的校验电源可以在电网领域制造并使用。本发明的实施方式提供的全光纤电流互感器宽频校验系统的校验电源装置100，包括：信号发生单元101、功率放大单元102、宽频升流器103、全光纤电流互感器104和标准互感器单元105。优选地，所述信号发生单元101，用于发生频率可调的第一电压信号。优选地，其中所述第一电压信号为0.001-5khz频率范围内的交流电压。优选地，所述功率放大单元102，与所述信号发生单元相连接，用于放大所述第一电压信号，以获取第二电压信号。优选地，所述宽频升流器103，与所述功率放大单元相连接，用于根据所述第二电压信号生成相应的第一电流信号。优选地，其中所述宽频升流器的一次绕组匝数为20匝，二次绕组的匝数为单数，所述第一电流信号的电流值范围为10a-120a。在本发明的实施方式中，信号发生单元101为单相动态波形功率源，其输出的信号包括直流、方波、三角波、正弦波或叠加最高129次的谐波的单相交直流电压或电流。所述信号发生单元101可以为信号发生器，信号发生单元生成的第一电压信号包括0.001-5khz频率范围内的交流电压。所述功率放大单元102可以为功率放大器，宽频升流器和所述信号发生器、功率放大器形成电流回路，电流回路中的第一电流信号的频率范围为50hz～2500hz。所述宽频升流器103的一次绕组匝数为20匝，二次绕组的匝数为单数，所述第一电流信号的电流值范围为10a-120a。优选地，所述全光纤电流互感器104，串联接入所述信号发生单元、功率放大单元和宽频升流器组成的电流回路中，用于根据所述第一电流信号生成数字信号，以用于所述全光纤电流互感器的校验。优选地，所述标准互感器单元105，串联接入所述信号发生单元、功率放大单元和宽频升流器组成的电流回路中，用于根据所述第一电流信号生成第三电压信号，以用于所述全光纤电流互感器的校验。优选地，其中所述标准互感器单元，包括：标准互感器以及与所述标准互感器的二次侧串联的标准电阻；所述标准电阻采用锰铜材料制成。在本发明的实施方式中，在进行校验时，校验信号为ft3信号；所述数字信号包括：电流幅值信息和电流相位信息；标准电阻的阻值为1ω，标准电阻采用锰铜材料制成。其中，第一电压信号为低压高频电压信号，第二电压信号为高压高频电压信号，第三电压信号为低压高频电压信号，第一电流信号为10a-120a的大电流高频电流信号。优选地，其中所述装置还包括：电源单元，用于为所述标准互感器单元提供电源支撑。图2为根据本发明实施方式的全光纤电流互感器宽频校验系统的校验电源装置的实例图。如图2所示，本发明的实施方式提供的全光纤电流互感器宽频校验系统的校验电源装置包括：信号发生器、功率放大器、宽频升流器、全光纤电流互感器、标准互感器、标准电阻和电源。其中，所述信号发生器、功率放大器以及宽频升流器依次连接组成电流回路，所述全光纤电流互感器和标准互感器串联于所述电流回路中，标准电阻串联与所述标准互感器的二次侧，所述电源与标准互感器相连接，用于为所述标准互感器提供电源支撑。所述信号发生单元，用于发生频率可调的第一电压信号。所述功率放大单元，用于放大所述第一电压信号，以获取第二电压信号。所述宽频升流器，用于根据所述第二电压信号生成相应的第一电流信号。所述全光纤电流互感器，用于根据所述第一电流信号生成数字信号，并且该数字信号包括：电流幅值信息和电流相位信息。所述标准互感器单元，用于根据所述第一电流信号生成第三电压信号。利用所述数字信号和第三电压信号即可对所述全光纤电流互感器进行校验。全光纤电流互感器因其测量准确度高、动态范围大的优势已得到广泛应用，但实际运行情况中测量高次谐波时全光纤电流互感器的准确度太低，为了适应目前电力系统测量更高次谐波的要求。在本发明的实施方式中，对全光纤电流互感器宽频校验系统的一次回路的阻抗进行了分析测试，对电源设计进行了优化，优化后的校验系统能准确的校验50hz～2500hz频率范围内全光纤电流互感器的计量性能。作为互感器的校验系统的电源，电源发生器对电源的稳定性、波形畸变率及噪声要求很高，普通采用电力电子技术实现大容量谐波电源具有容量大的优点，但是由于其输出信号噪声太大，难以实现高准确度量值传递，同时，谐波电流源还具有带载能力弱，电源与一次回路不隔离的缺点。因此，本申请大功率谐波电源发生器采用信号发生器、功率放大器与升流器结合的方案,其中，信号发生器为功率放大器提供低畸变、频率可调的信号级输入，功率放大器对信号进行功率放大，升流器对功率放大器的输出电流进行扩展提供给电流比例标准。升流器的另一个作用是提供功率放大器与一次回路的隔离，消除功率放大器输出的直流偏置。由于当频率较高时回路感抗会增大，可能会影响系统的输出能力，使得校验系统输出频率范围达不到2500hz。因此，为了理解本发明的校验系统的电流回路，下面对一次回路的阻抗进行了实测分析。本发明实施方式的对全光纤电流互感器宽频校验系统的校验电源装置的一次电流回路的阻抗进行测试的示意图如图3所示。在测试时，需要利用公式(1)和公式(2)计算矩形回路的理论电感，其中h为矩形回路的宽，w为矩形回路的长度，d为导线直径。利用公式(3)计算圆形回路的理论电感，其中d为回路等效直径，d为导线直径。理论计算的回路电感的数值如表1所示。通过信号发生器对功率放大器输入不同频率的电压信号，相应的在一次电流回路中产生相应频率的电流。宽频升流器一次绕组匝数为20匝，二次绕组匝数为单匝。一根100a大电流导线构成了宽频升流器的二次绕组，其长度为5m，理论直流电阻为4.5mω，布置为一个直径约为1.6m的圆形。电阻r为一个高准确度宽频分流器(0.8v/100a)，其理论阻值为8mω，其杂散电容和电感在本试验中可忽略不计。u为宽频升流器二次输出电压，即一次电流回路电压，利用数字多用表测量其幅值。ur为电阻r的压降。将电压u、ur分别输入锁相放大器的参考输入端和单端输入，即可测得ur相对于u的相角差及其幅值，进而可计算一次电流回路的电流和电感。表1不同回路参数对应的回路理论电感回路参数回路理论电感mh圆形回路，d＝1.6m，d＝10mm0.0052矩形回路，w＝1.25m，h＝1.25m，d＝10mm0.0048矩形回路，w＝1.5m，h＝1m，d＝10mm0.0047矩形回路，w＝2m，h＝0.5m，d＝10mm0.0043矩形回路，w＝2.45m，h＝0.05m，d＝10mm0.0023矩形回路，w＝2.47m，h＝0.03m，d＝10mm0.0018在对一次电流回路阻抗进行实测分析时，根据表2的试验数据，可计算回路电阻和电感如表3所示。由表3可见，在电流频率为2500hz时，该回路的阻抗接近60mω，这是一个非常大的值，有可能影响校验系统的输出能力，使得宽频校验系统输出频率范围达不到2500hz。为此将一次电流回路进行双绞处理，尽量减小回路面积，此时回路近似为矩形，重新进行以上试验，试验数据如表4所示，计算得回路电阻和电感如表5所示。由表5可见，回路电感减小了接近一半，在电流频率为2500hz时，该回路的阻抗为33mω。从表3和表5可以看出，该回路阻抗在低频时主要取决于回路直流电阻的大小，在高频时则主要取决于回路感抗的大小。比较表1、表3和表5，回路电感理论值和实测值的最大误差约为20％，考虑到实际测量时的条件无法完全与理论假设相符，这个误差是可以接受的。表1的最后一行的回路参数即矩形回路宽度很小时大致等效于将回路导线双绞处理，即表5的情况，此时误差较小。由一次回路阻抗的实验测量可知，只要尽可能的减小一次电流回路的面积并进行导线双绞处理，全光纤电流互感器宽频校验系统的一次回路阻抗将达到最小值，因此，本发明的宽频校验系统就可以实现输出2500hz一次电流的能力。在本发明的实施方式中，考虑到现有的电流发生器带载能力弱，输出频率范围小，输出信号噪声大，难以实现高准确度量值传递。因此，在本发明的实施方式中，校验系统选用信号发生器、功率放大器、宽频升流器的技术方案来提供大电流，组装而成的电流发生器系统带载能力强，输出频率范围大可达50hz～2500hz，可输出多种波形，适合于全光纤电流互感器宽频测量性能的校验系统。表2一次电流回路阻抗测试试验电流频率hz回路电压uv电阻压降mv相角差°回路电流a500.39994215.74.827.01000.2003106.999.5213.42000.2001102.6618.613.04000.44843200.634.0425.48000.62755201.3453.3926.016001.08737203.369.4226.925001.58038196.6276.326.4表3一次电流回路阻抗测试试验(续)电流频率hz回路电阻mω回路感抗mω回路电感mh回路阻抗mω5014.781.240.003914.8310014.712.470.003914.9220014.544.890.003915.3440014.619.870.003917.6380014.3719.350.003824.10160014.2337.910.003840.49250014.2058.240.003759.95表4双绞一次电流回路阻抗测试试验表5双绞一次电流回路阻抗测试试验(续)电流频率hz回路电阻mω回路感抗mω回路电感mh回路阻抗mω5014.420.670.002114.4410014.431.310.002114.4920014.442.560.002014.6740014.435.080.002015.3080014.419.990.002017.53160014.4719.420.001924.22250014.7629.690.001933.15功率放大器的选型与一次电流回路阻抗有关。由一次回路阻抗的实验测量可知，只要尽可能的减小一次电流回路的面积并进行导线双绞处理，全光纤电流互感器宽频校验系统的一次回路阻抗将达到最小值33.15mω。为充分利用功放的电流输出能力，升流器的一次匝数设计为8匝，当二次侧电流为100a时，升流器二次回路电压为回路电流与回路阻抗的乘积，在2500hz时，二次回路电压为3.3v，此时一次回路电压为26.4v，电流为12.5a，可选用5kw的功率放大器。目前800kv直流输电系统和±500kv柔性直流输电系统额定电流为3000a左右，依照标准中电流的10％来校验，当待测电流为300a时，取导线截面积为180mm2，由式(1)，(2)可算得回路电感l＝1.37×10-3mh。升流器二次回路阻抗如式(4)所计算：电流频率为2500hz，考虑误差取一次电流回路阻抗为25mω，当升流器输出300a时，升流器二次单匝输出电压为7.5v，则升流器的一次绕组电压为60v，一次绕组电流为37.5a。即功率放大器的输出电压为60v，输出电流为37.5a，此时可选用5kw的功率放大器。目前1100kv直流输电系统额定电流为5000-6000a之间，依照标准中电流的10％来校验，当待测电流为600a时，取此时导线截面积为400mm2，由式(1)，(3)可算得回路电感l＝9.62×10-4mh。升流器二次回路阻抗如式(4)所计算：z＝15.385mω。电流频率为2500hz，考虑误差取一次电流回路阻抗为20mω，当升流器输出600a时，升流器二次单匝输出电压为12v，则升流器的一次绕组电压为96v，一次绕组电流为75a。即功率放大器的输出电压为96v，输出电流为75a，此时可选用两台5kw功率放大器并联的方式或者选择功率为10kw的功率放大器。在本发明的实施方式中，针对额定电流1000a的全光纤电流互感器样机进行校验，通过上述分析可确定，本校验系统的功率放大器采用aetechron公司的7796功率放大器。它可提供最高达400vrms的输出电压，20hz-20khz范围内输出信号的thd(谐波失真率)小于0.0015％。它可以采用电压或电流模式工作，可输出超过5000w的功率范围。它具有极低的噪声和快速的压摆率，可以安全地驱动各种电阻性电感负载。在本发明的实施方式中，信号发生器采用星龙科技公司的xl-221单相动态波形功率源，它可以输出单相交直流电压和电流，可输出直流、方波、三角波、正弦波、以及叠加最高129次的谐波，还具有自定义波形，各种类型的波形拼接输出等功能。它可用于需要复杂波形信号输出的场合，如互感器检测、谐波分析等。当输出交流信号时，可输出0.001-5khz频率范围内的交流电压，稳定度和精度均可达到万分之五以内，可作为标准交流电压源。宽频升流器用于校验电流互感器时，作为供给电流互感器一次电流的电源或其它50hz单相电流电源设备。可输出电流：10a～120a，允许额定电流下长期工作，允许过载1.5倍工作30分钟。在本发明的实施方式中，选用有源宽带电流互感器作为标准电流互感器，其频率范围为50hz～2500hz，准确级为0.002级，比被测全光纤电流互感器样机的准确度(0.2级)低2个数量级，可满足校验要求，达到校验效果。图4为根据本发明实施方式的全光纤电流互感器宽频校验系统的校验电源装置的电源提供方法400的流程图。如图3所示，本发明的实施方式提供的使用如上所述的装置100为全光纤电流互感器宽频校验系统提供电源的方法400从步骤401处开始，在步骤401利用信号发生单元发生频率可调的第一电压信号。优选地，其中所述第一电压信号为0.001-5khz频率范围内的交流电压。在步骤402，利用功率放大单元放大所述第一电压信号，以获取第二电压信号。在步骤403，利用宽频升流器根据所述第二电压信号生成相应的第一电流信号。优选地，其中所述宽频升流器的一次绕组匝数为20匝，二次绕组的匝数为单数，所述第一电流信号的电流值范围为10a-120a。在步骤404，利用全光纤电流互感器根据所述第一电流信号生成数字信号，以用于所述全光纤电流互感器的校验。在步骤405，利用标准互感器单元根据所述第一电流信号生成第三电压信号，以用于所述全光纤电流互感器的校验。优选地，其中所述标准互感器单元，包括：标准互感器以及与所述标准互感器的二次侧串联的标准电阻；所述标准电阻采用锰铜材料制成。优选地，其中所述方法还包括：利用电源单元为所述标准互感器单元提供电源支撑。在本发明的实施方式中，还提供了一种全光纤电流互感器宽频校验系统，包括：如上所述的全光纤电流互感器宽频校验系统的校验电源装置100。本发明的实施例的全光纤电流互感器宽频校验系统的校验电源装置的电源提供方法400与本发明的另一个实施例的全光纤电流互感器宽频校验系统的校验电源装置100相对应，在此不再赘述。已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在
技术领域：
的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。当前第1页12