传感部分研究报告
一、综述
国际电工委员会在IEC60044—8《Electronic Current Transformer》中，将电子式电流互感器按照传感机理分为三种：光学电流互感器、低功率电流互感器、空芯电流互感器。光学电流互感器在高压侧处理和传输的信号均为光信号，高压侧不需要额外的能量供应，因此光学电流互感器被称为无源型电子式电流互感器，与此相对应的是，空芯电流互感器和低功率互感器在高压侧需要相应的处理电路，因此被称为有源型电子式电流互感器。
光学电流互感器（Optical Current Transformer，简称OCT）的工作原理是利用磁致旋光效应，即法拉第效应，通过检测被测电流产生的磁场从而测量电流的大小。线偏光经过磁光材料后，偏振面会发生偏转，偏转角度θ：为V 与H 及L的乘积。其中，V—费尔德常数（rad/T-m）；H—磁场强度（A/m）；L—光在磁光材料中通过的长度（m）。测量出θ，则可计算出H，从而得到产生磁场的被测电流大小。光学电流互感器从20世纪60 年代研究至今取得了一定进展，已进入中试阶段，在不同电压等级上成功的挂网试运行为其推广应用积累了经验(国外始于80 年代末,国内始于1993 年)。但光学电流互感器在电站应用时，环境温度(可同时影响传感头和二次部分) 和振动等外界因素对测量准确度的较大影响始终困扰其进一步的发展。
低功率电流互感器（Low Power Current Transformer，简称LPCT），工作原理与传统的电流互感器相仿。但LPCT的铁芯选用非晶材料（一般选用超微晶铁磁材料）。这些材料采用了特殊的退火工艺，具有较高的初始磁导率，因此在较小的铁芯截面下即可满足测量的精度要求，使LPCT在尺寸和价格上与传统CT相比都很有优势。此外LPCT的输出信号是电压，取样电阻采用精密无感电阻，从而避免了二次回路出现开路的危险。基于LPCT 的上述优点，国外一些公司(如Siemens等) 已将LPCT集成在中压断路器中。
空芯电流互感器的传感元件采用空芯线圈（又称Rogowski线圈），被测量的载流导体从Rogowski线圈的中心轴穿过，线圈的感应电势正比于被测电流对时间的微分，对Rogowski线圈的感应电势进行积分运算后可得到正比于被测电流的信号[5]。 空芯电流互感器的原理简单，测量范围广，频率范围宽，价格便宜。作为空芯电流互感器的传感部分的空芯线圈的设计准确度最高可达0.1 %，实际应用时通常为1 %-3 %。它很适合用于对瞬态响应要求较高的中压继电保护及监视。此外，用于高压输电线路电流测量时，空芯互感器可通过高压端线路供电或低压端光供电的方法，给工作于高压端的信号调制电路板供电，将空芯线圈测量的电流信号转变成光信号从高压端传输至低压端，构成混合式光电电流互感器。目前在我国电网已引进的混合式光电直流测量系统中,采用了空芯线圈用作保护和监视,它测量直流线路上的谐波,给有源直流滤波器提供监视信号。
综上所述，从传感机理上看，电子式电流互感器具有传统电流互感器无法比拟的优点，是传统电流互感器较为理想的替代品。光学电流互感器的传感部分受温度和震动等环境因素的影响较大，尚不能够有效解决高可靠性和稳定性的问题；低功率电流互感器的工作原理与传统的电流互感器相仿，一次侧必须要串接在高压传输线上，有一定的安全隐患；相比之下，空芯电流互感器的传感原理简单，二次侧与一次侧之间无直接的电连接，是目前高压大电流测量最有前途和实际应用价值的互感器。
结合以往的研究经验和国内外的研究现状，最初计划采用低功率电流互感器和空芯电流互感器分别为计量通道和保护通道提供检测信号。经过试验表明：低功率电流互感器的线性度好、准确度高，空芯电流互感器的动态响应好。但是它们也存在一些缺点，主要有：低功率电流互感器仍然有铁芯的存在，存在与传统电流互感器相似的缺点；低功率电流互感器中的非晶材料线性区间大，很难处理仪表保安系数的问题；低功耗电流互感器和空芯线圈都需要手工或者借用绕线机绕制，产业化难度增大，制造成本增高。
从解决线圈绕制问题的角度出发，我们提出了采用PCB板设计空芯线圈的方案，从制造原理上来说，这种方法可以做得非常精确，因为其线圈的制造完全是用机器实现的，没有任何人工的操作（除了某些焊接点外），所以特别适合准确标定和批量生产。经过一段时间的实验，这种方法的可行性和实用性已经得到了证实。
二、空芯线圈的工作原理
空芯线圈工作原理如图1 所示。整个二次绕组均匀地绕在一个环形的非磁性骨架上。由全电流定律和电磁感应定律可到空芯线圈感应电压e(t) 为:
式中ψ(t) 为磁链,M 为空芯线圈互感系数, i(t)为一次侧电流,μ0为真空磁导率, N 为线圈匝数, h为线圈骨架高度, Ra 为骨架外径, Ri 为骨架内径。
图1 空芯线圈原理图
图2 空芯线圈等效电路图
测量回路的等效电路如图2 所示。其中R0是线圈的内阻，Rc 是外接积分器的输入阻抗，L 是线圈的自感,其大小为：
Rc一般都在数万欧姆，R0只有数十欧姆，所以i(t)很小，Uout与e(t)非常接近。通过积分器可以将e(t)的波形还原成M*i(t)的波形，M为常数，进行运算就可以得到i(t)的准确值。
尽管空芯线圈作为电流互感器有着非常突出的优点，但是，从上面的测量原理分析中可以看到，空芯电流互感器的测量准确度取决于稳定的互感常数
。为了获得高精度的空芯线圈，制作时必须遵循以下原则：线圈密度恒定；骨架截面积恒定；线圈横截面与中心线垂直；制作时必须保证有高度的可重复性。否则将引入较大的测量误差，这对绕制工艺提出了很高的要求。
所以一般空芯线圈的设计精度最高可达到0.1%，实际应用时通常为1—3%，主要原因之一就是用手工绕制的空芯线圈准确度不高，批量生产时的分散性较大，阻碍了其产业化发展。而用印刷电路板设计的空芯线圈从制造原理上来说，就可以做的非常精确，因为其线圈的绕制完全是用机器实现的，所以特别适合准确标定和批量生产。
三、所设计的基于印制电路板的空芯线圈
所设计的空芯线圈由一对或者多对印制电路板制成的线圈串联连接而成。成镜像的PCB板成对出现，它们的作用是实现传统Rogowski线圈的功能，如图3所示，PCB1的上表面和PCB2 的下表面完全一致，PCB1的下表面和PCB2 的上表面完全一致，每对镜像PCB板为一组，引出一对出线端子；主板用来连接多对成镜像的PCB板，将其串联起来可以增大感应电势，即增大线圈的互感系数，如图4所示，四组镜像PCB板被均匀的分布在主板上。
图3 成对的PCB板
图4 多组镜像PCB板的组合
该方案线圈的原理与传统的Rogowski线圈的原理完全一样，都是在骨架上均匀的绕线。所不同的是，传统型线圈用漆包线来绕制，而基于PCB的平面型线圈借助于过孔来穿越印制电路板的上下表面。所有的PCB板均为双面板，该结构用现在的印制电路板设计制造工艺制作起来非常简单，绕线密集匀称。其自感系数和互感系数的估算和传统的Rogowski线圈的方法完全一样。
为了增强其抗外磁场干扰的能力，以下几点需注意：
（1）每组中的两块PCB板必须呈镜像，这样的PCB1和PCB2为一组可以完全消除由于垂直穿过电路板的磁力线的引入的干扰。
（2）多组呈镜像的PCB板在主板上串联时，应均匀分布，这样可以很好的消除由于平行于电路板的磁力线的干扰。适当增加PCB板的组数可以进一步改善其抗电磁干扰的能力，从而提高测量的准确度。
（3）主板用来串联多组PCB板，连接时应该区分每组PCB板出线端的正负极性，最终的目的是让多组的感应电势叠加而不是抵消。
（4）主板上要考虑类似于传统线圈的回线，如图4中的虚线所示，其目的是完全消除由于垂直穿过电路板的磁力线的干扰。
通过试验证明，基于PCB的空芯线圈有高的线性度，完全能够用于测量，故采用一个基于PCB的空芯线圈来实现计量和保护的双重功能，从而放弃了最初的方案，避免了系统中铁芯的存在，使整个系统结构更紧凑，体积更小，造价更低，可靠性更高，对空芯电流互感器的发展和产业化有积极的促进作用。至此，最终的方案确定用同一空芯线圈既作计量的传感部分又作保护的传感部分，从设计理念、可靠性、准确度、产业化程度上来讲，是目前应用在高压交流系统中比较理想的一种电子式电流互感器。
四、研究过程中发现的问题及其解决办法
在空芯线圈设计的过程中，我们发现了一些生产中可能会遇到的问题，在实际生产中有一定的指导意义。空芯线圈的内外径不能相差太大，其绕线匝数不能太少，否则其运用在对大电流进行测量时候的效果不理想，产生这种结果的原因大致有以下几种，下面分别进行讨论和分析：
1. 趋肤效应的影响。在一定面积的导体上的电流分布并不是绝对均匀的，区域上的电流密度与导体的形状和该区域的位置有关，而对一个实际的空芯线圈而言，电流密度分布对互感系数可能会有一定的影响。从理论上来讲，工频信号的趋肤效应并不明显，而且，不管一次电流多大，导体上相同位置的电流密度与额定电流的比值应该是恒定不变的，也就是说如果趋肤效应存在且对测量的结果会产生影响，那么这个影响对小电流和大电流的测量而言，在程度上应该是相同的，故可基本排除趋肤效应的影响。此外，我们进行了相关试验：将导电母线的直径改变，观察相同一次电流时候的系统误差情况，发现误差没有明显的变化。如果趋肤效应存在却对测量系统有相当的影响，那么在改变导线的尺寸时，趋肤效应影响的程度应该有一定的改变（导线直径变小时，趋肤效应的影响应该变小），但是结果并不是这样。从上述两方面可以基本排除趋肤效应的影响。
2. 磁阻效应的影响。在一定的大小的磁场中，金属导体的电阻会随着磁场的增大而增大，在大电流测量时，若有磁阻效应的影响，则线圈的内阻变大，积分器上的取样信号会有一定的衰减，这与实际测量中的现象是基本吻合的。为了证明该假设的真伪，设计了相关试验：在一次侧不通电流和通以1000A电流时，分别测量线圈的内阻（先前已经采取了相关的措施使线圈的感应电势始终保持为零）。试验表明通电流前后线圈的内阻变化不足3％，这种变化程度是不足以体现在测量结果的误差当中的，所以该假设也可被排除。
3. 空芯线圈的结构问题。一个理想的空芯线圈应该有足够多的匝数（越多越好），这一点实际的空芯线圈很难满足，通过试验证明匝数大于300匝其在测量数千安培的电流时有较好的线性度。具体的试验方案是：绕制了一个空芯线圈，其内外径与基于PCB的空芯线圈的内外径相当，但是其绕线匝数大于基于PCB的空芯线圈的绕线匝数，试验表明测量的误差有了较大的改善。实际的空芯线圈与理想的模型有很大的差距，且母线与线圈位置的偏差等等都会带来一定的测量误差，增加单个线圈的匝数将在很大程度上提升线圈的线性度。
综上所述，我们对首次设计的线圈进行了改进，增加了单个线圈的绕线匝数，试验证明其用来测量从数十安培到数千安培的电流时均有较好的线性度，测量准确度甚至优于0.1级。
五、结论
通过试验证明，基于PCB的空芯线圈有高的线性度，完全能够用于测量，故采用一个基于PCB的空芯线圈来实现计量和保护的双重功能，从而放弃了最初的方案，避免了系统中铁芯的存在，使整个系统结构更紧凑，体积更小，造价更低，可靠性更高，对空芯电流互感器的发展和产业化有积极的促进作用。至此，最终的方案确定用同一空芯线圈既作计量的传感部分又作保护的传感部分，从设计理念、可靠性、准确度、产业化成本上来讲，都是目前应用在高压交流系统中比较理想的一种电子式电流互感器。
光供电技术研究报告
一、概述
由于高压侧含有电子线路，故需要对其提供工作电源，目前主要有3种对高压侧供电的方式：从高压侧母线取能量的母线工作方式、光供电方式及前两者结合起来的复合供电方式。
母线供电方式的原理：利用一铁心线圈从母线取电流，经整流稳压后得到稳定的工作电源。由于母线上的电流是变化的，甚至出现短路电流和零电流，这样电源系统需要考虑很多保护措施及无电流时高压侧电路无法正常工作的情况，使得高压侧的电子线路复杂笨重、可靠性不高。
光供电方式的原理：低压侧激光器发出的光能量通过光纤发送至高压侧，经光电转换及DC/DC变换为合适的工作电源。这种工作方式的优势明显:供电系统与被测量无关，结构简单，可靠性高，维护简单，稍显不足的是目前光供电成本较高，用在低电压等级的产品中价格优势不明显。
复合供电技术：将光供电和母线供电结合起来，形成复杂的供电方式，在母线电流为零时，有低压侧光源对高压侧供电，在电流足够大时，由母线供电。通过分析比较，我们以为这种方式存在结构更加复杂，成本更高而可靠性也并没有明显提高的缺点。这种方式的出发点为针对低压侧光源寿命不长，让光源少工作，不连续工作，但我们已解决了光源寿命问题（通过研制高压侧低功耗电路）,因而我们在该产品中采用光供电方式。
二、光供电方式原理
光供电方式原理框图如下：
从低压侧传输来的光能量经光电转换为5V的电源，但是该5V不稳定，也没有-5V电源，故需要经高频率DC/DC转换为稳定的正负5V电源。
其中直流电源光源驱动电路及光源、光电转换器件为直接购买，DC/DC转换器件为我们自己设计制造。故高频率的DC/DC转换技术为其中的关键技术。
光源驱动电路及光源在技术文件中已进行了详细说明。下面主要介绍DC/DC变换电路设计。
三、高频率的DC/DC变换电路设计
1、DC/DC变换电路原理图：
TPS60110为稳压的电荷泵，在输入2.7—5.4V范围内可得到稳点的+5V，精度为±4%，输出电流可达300mA（在输入为3V时），负荷范围为16Ω至满负荷只需要外接4个电容，即可得到低噪声的电源，效率可达到90%。
TPS60110有4种基本的工作模式：脉冲跳跃模式、恒频工作模式、推拉模式和单端工作模式。
2、TPS601104种工作模式的比较和选择：
脉冲跳跃模式输出纹波较大，输出纹波的频率是变化的，其优点是负载调整率高，静态电流小。
恒频工作模式输出纹波非常小，输出纹波频率恒定，负载调整率好，但较脉冲跳跃模式差。
推拉工作模式为恒流输出工作模式，输出纹波小。
单端工作模式只需要一个传输电容即可工作，故结构简单，节省空间。
针对我们产品的特点（准确度要求极高），我们选择恒频工作模式，这样输出纹波非常小，滤波电路设计相当简单，节省空间。
3、电容的选取：
电路中需要使用4个关键电容，电容选取主要从其电路工作模式、电流输出大小、输出纹波大小及电源效率来考虑。
为了提高电源效率，Cin(输入电容) 应为Cxf的2—4倍。Co（输出电容）应为Cxf的8—50倍，具体应根据其工作模式及纹波大小来选取，推荐值如下：
4、耗散功率的计算：
工作时，TPS60110耗散功率必须小于所对应封装允许的最大耗散功率：
PDISS=Io*(2VIN-Vo)
Io为输出电流
VIN为输入电压
Vo为输出电压
我们研制的电路仅需+5 V、26mV
PDISS=26mA*（2*3.6-5）V=57.2mW
大大小于TPS60110任何一种封装形式对应的最大耗散功率。
高压侧低功耗低温漂电子线路技术研究报告
高压侧低功耗低温漂精密积分及其信号发送电路的原理框图如下：
图1 高压侧低功耗低温漂精密积分及其信号发送电路的原理框图
Rogowski线圈感应的信号为与被测电流的变化率成正比的信号（我们研制的产品仅使用一个Rogowski线圈就能提供计量和保护两个不同功能的信号输出），但两者输出信号大小不同，故须对传感头输出信号进行积分放大，送至电平位移电路以便SV/FC 能将其转换为频率信号，最后经LED 驱动电路通过信号光纤发送至低压侧解调电路。
晶振与基准源为SV/FC提供稳定的时钟信号和稳定的电压基准信号。
高压侧电路研制的难点在于：
工作温度范围宽：环境温度-40℃—+50℃，加上温升，断路器内部温度可达到100℃以上，在这么宽的工作温度范围内，电路不仅要正常工作，还要保证准确级不变。
电路功耗必须低：低压侧所能提供的光能量有限，为了光源的可靠性，同时为了高压侧电路本身发热少（可靠性高），高压侧电路也必须做到低功耗，但为了保证准确级，功耗也不是越低越好。
测量准确度要求高：要求0.2S级的测量准确度。
针对上述难点，经过我们反复论证及反复试验，我们选择了精密型积分器作为信号调理电路，选择同步型低功耗电压/频率转换器作为我们的模数转换电路。
精密积分器的反馈部分采用RC T型网络代替简单型的积分器的RC 并联网络，使其具有更优越的性能。以下分别对精密积分技术和模数转换技术进行论述。
精密积分技术
传统方法使用高性能的运算放大器来构建模拟积分器。图2中显示了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
，它可以表示为：
(1)
其中，
，
是传感器的灵敏度（
）
图2 理想模拟积分器结构
图3 改进的模拟积分器结构
在实际应用中，除了采用性能好的模拟器件外，因为要对交流信号进行长时间积分，不可能周期性地将输出复位为0，为了解决DC失调的问题，对理想积分器进行了改进，如图3所示，在电容
上并联
，它还能避免运放的输出饱和。改进的模拟积分器的传递函数为：
(2)
取
,改进的模拟积分器的幅频特性、相频特性曲线如图4所示：
a 幅频特性曲线 b 相频特性曲线
图4 改进积分电路的幅频特性和相频特性曲线
从图4的相频特性曲线可以知道，相频特性曲线是频率的单调递减函数。使用改进模拟积分器的Rogowski电流互感器用于测量和保护时，在额定频率变化范围内，积分器输出信号的相角波动不超过
(
时为
，
时为
)，Rogowski电流互感器用于保护时，在额定频率变化范围内，积分器输出信号的相角波动不超过
(
时为
，
时为
)。由此可见改进积分器输出信号的相位随被测电流基波频率波动的变化完全可以满足标准规定的要求。
为了更进一步的提高性能，我们在上述基础上又进行了改进，将精密积分器的反馈部分采用RC T型网络代替简单型的积分器的RC 并联网络，如图5所示，使其具有更优越的性能。
图5 精密积分器电路图
其中，运算放大器选择低功耗双运放OP220，积分电阻和电容均选择低温漂精密器件。具体参数参见技术文件相关部分。
这里特别要注意的是：
精密积分器的电容选用了NPO电容，其特点是：采用NPO介质构成多层陶瓷电容，其主要性能为：工作温度：－55℃-+125℃；温度系数为：±30ppm/℃。此电容是构成精密积分器的关键器件，直接决定了积分器的性能。
最后的实验结果表明，该精密积分器的性能达到了设计要求。
模数转换技术
模数转换电路选择同步型低功耗电压/频率转换器：AD7741作为计量通道用，AD7740作为保护通道用。两者是同一系列的芯片，其最大的特点是：均为单通道单端同步型V/FC，体积小，节省空间，不需要外接外部电阻和外部电容来确定转换频率，其输出频率由外部晶振决定，而晶体振荡器是可以做到非常稳定的，故转换电路可以做到在温度范围内保证准确度不变。其中：AD7741具有比AD7740更快的转换时间，其波形的还原性好，更适合于在高准确度的场合使用，但是功耗比AD7740大。综合考虑功耗和测量准确度的要求，分别选用两者作为计量和保护之用。
有关详细电路参数设计、计算参见技术文件的相关部分。