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.国家标准《GB/T26216.1-2010高压直流输电系统直流电流测量装置第1部分：电子式直流电流测量装置》[1]中规定：对于50～1 200 Hz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500 μs.然而在柔直系统实际运行中，出现了谐波频率远高于国标要求的情况，这不仅对互感器的宽频测量能力提出了更高的要求，同时全光纤互感器的宽频校验系统的校验频率范围也需要相应地进行提升.全光纤电流互感器(fiber-optical current transformer，FOCT)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[2-4].由于磁光效应的传变带宽较高，通常认为全光纤电流互感器的宽频测量性能较好.但全光纤电流互感器普遍采用数字滤波器对闭环检测系统的输出进行滤波处理，这会对不同频率的信号造成不同程度的衰减和相位延迟，产生与信号频率相关的幅值误差和相角误差，影响互感器的宽频测量性能[5-7].目前，众多国内外学者对全光纤电流互感器的宽频测量性能进行了一定的研究，文献[2]搭建了测试平台进行了FOCT的宽频测量性能测试，测试结果发现，FOCT在50～1 200 Hz范围内，测量误差不超过0.55%，带宽大于10 kHz.文献[7]介绍了FOCT谐波测量误差的产生机理，并搭建了DC FOCT谐波电流测量误差测试平台.实验结果表明，在50～1 200 Hz范围内，样机测量误差不超过0.5%，带宽大于10 kHz.
针对全光纤直流互感器宽频校验能力的不足，本文开发了一种全光纤直流互感器宽频校验系统.该系统能在50～2 500 Hz的频率范围内对全光纤直流互感器的宽频性能进行准确校验，采用该系统对全光纤电流互感器样机进行了50～2 500 Hz范围内的准确度校验，验证了该系统的有效性.
1 全光纤电流互感器工作原理
全光纤电流互感器是一种基于法拉第磁光效应与安培环路定理的新型电子式电流互感器，系统结构主要由光纤传感环、保偏光纤延时环和信号处理单元3部分组成，原理图如图1所示.
图1 全光纤电流互感器的原理图
Fig.1 Schematic diagram of FOCT
全光纤电流互感器的工作原理[8]为：载流导线中的被测电流产生法拉第磁光效应，使两束光源发出的圆偏振光相位差发生变化并以不同的速度传输.两束圆偏振光经反射镜反射后，偏振模式互换并再次通过传感光纤，由法拉第效应使相位差加倍.
根据Faraday磁光效应和安培环路定理可知，光波偏振面的旋转角及被测电流为
(1)
(2)
式中：V为Verdet常量；N为传感光纤圈数；Ni为穿过光纤环路载流导体的光纤根数.
根据Faraday磁光效应与安培环路定律可知，载流导线中传输电流大小与其产生法拉第效应引起的相位差成正比，因此，通过检测光相位差信号可计算出待测电流值.
2 全光纤电流互感器校验系统
为了适应目前电力系统测量更高次谐波的要求，开发了一种全光纤电流互感器宽频校验系统，并对宽频校验系统一次回路阻抗进行了分析测试，依据测试结果对电源设计进行了优化.优化后的校验系统能准确地校验50～2 500 Hz频率范围内全光纤电流互感器.
2.1 校验系统原理
全光纤电流互感器的校验采用直接测量方法，基本接线图如图2所示.被测电流由信号发生器经功放、宽频升流器放大提供，标准互感器与全光纤电流互感器串联接入被测电流回路.其中，全光纤电流互感器输出FT3信号经采集单元通过光纤传输到合并单元，并通过协议转换器转换为TCP/IP信号，输入直流电子互感器校验仪.标准电流互感器的二次输出通过1 Ω的标准电阻转化为电压信号输入直流电子互感器校验仪.依托于LabVIEW平台的直流电子互感器校验仪发出同步时钟信号保证全光纤电流互感器和标准互感器的输出信号同步，并通过编程计算得到比差、角差等误差信号.为提高测量准确度，选取10个周期输出的比差、角差测量值的平均值作为最终结果.
图2 全光纤电流互感器宽频校验试验接线图
Fig.2 Wiring diagram of broadband calibration test for FOCT
2.2 校验系统电源设计
作为互感器校验系统电源，电源发生器对电源的稳定性、波形畸变率及噪声要求较高.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，但由于其输出信号噪声过大，难以实现高准确度量值传递，同时，谐波电流源还有带载能力弱、电源与一次回路不隔离的缺点.因此，本文提出将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提供电流比例标准，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.
2.2.1 一次回路阻抗分析
宽频校验试验中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，使得宽频校验系统输出频率范围达不到2 500 Hz.为了合理设计及选择校验系统的电源，本文对一次回路的阻抗进行了理论与实测分析.利用式(3)、(4)计算矩形回路的理论电感；利用式(5)计算圆形回路的理论电感，即
(3)
(4)
(5)
式中：μ0为真空磁导率；μr为相对磁导率；h为矩形回路的宽度；W为矩形回路的长度；d为导线直径；D为回路等效直径.
回路电感理论计算数值如表1所示，其中导线长度为5 m，直径为10 mm.
表1 回路电感理论计算
Tab.1 Theoretical calculation of loop inductance
回路参数回路电感理论值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
通过信号发生器对功率放大器输入不同频率的电压信号，相应地在一次电流回路中产生相应频率的电流.对一次电流回路阻抗进行了实测分析，一次电流回路阻抗测试原理如图3所示.升流器一次绕组匝数为20匝，二次绕组匝数为单匝.一根100 A电流导线构成了升流器的二次绕组，其长度为5 m，理论直流电阻为4.5 mΩ，布置为一个直径约为1.6 m的圆形.电阻R为一个高准确度宽频分流器(0.8 V/100 A)，其理论阻值为8 mΩ，杂散电容和电感在本试验中可忽略不计.U为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，即可测得UR相对于U的相角差及幅值，进而可计算一次电流回路的电流和电感.
图3 一次电流回路阻抗测试
Fig.3 Primary current loop impedance test
测得的试验数据如表2所示.依据表2的试验数据可计算回路电阻和电感参数，如表3所示.由表3可见，在电流频率为2 500 Hz时，该回路的阻抗接近60 mΩ，这是一个极大的值，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2 500 Hz.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，计算的回路电阻和电感如表5所示.
表2 一次电流回路阻抗测试结果
Tab.2 Impedance test results of primary current loop
电流频率Hz回路电压V电阻压降mV相角差(°)回路电流A 500.39994215.704.8027.01000.20030106.999.5213.42000.20010102.6618.6013.04000.44843200.6034.0425.48000.62755201.3453.3926.016001.08737203.3069.4226.925001.58038196.6276.3026.4
表3 一次电流回路参数计算结果
Tab.3 Parameter calculation resultsof primary current loop
电流频率Hz回路电阻mΩ回路感抗mΩ回路电感mH回路阻抗mΩ 5014.781.240.003914.8310014.712.470.003914.9220014.544.890.003915.3440014.619.870.003917.6380014.3719.350.003824.10160014.2337.910.003840.49250014.2058.240.003759.95
表4 双绞一次电流回路阻抗测试结果
Tab.4 Impedance test results of twisted primary current loop
电流频率Hz回路电压V电阻压降mV相角差(°)回路电流A 500.36609202.82.6725.41000.36698202.65.1925.32000.37792205.910.0525.84000.38483200.319.4025.28000.45698205.634.7326.116000.64123205.053.3026.525000.89300205.963.5626.9
表5 双绞一次电流回路参数计算结果
Tab.5 Parameter calculation results of twisted primary current loop
电流频率Hz回路电阻mΩ回路感抗mΩ回路电感mH回路阻抗mΩ 5014.420.670.002114.4410014.431.310.002114.4920014.442.560.002014.6740014.435.080.002015.3080014.419.990.002017.53160014.4719.420.001924.22250014.7629.690.001933.15
由表5可见，回路电感减小了接近一半，在电流频率为2 500 Hz时，该回路的阻抗为33.15 mΩ.从表3、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、3、5可知，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，该误差是可以接受的.表1最后一行的回路参数大致等效于将回路导线进行双绞处理，即表5的情况，此时误差较小.
由一次回路阻抗的理论分析及实验测量可知，只要尽可能地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.此时只要选择合适的电源方案，宽频校验系统便可实现输出2 500 Hz一次电流的能力.
2.2.2 校验系统电源选择
普通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.本校验系统选用组合信号发生器、功率放大器及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50～2 500 Hz)，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.
功率放大器的选型与一次电流回路阻抗有关.由一次回路阻抗的理论分析及实验测量可知，只要尽可能地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33.15 mΩ.
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100 A时，升流器二次回路电压为回路电流与回路阻抗的乘积.在2 500 Hz时，二次回路电压为3.3 V，此时一次回路电压为26.4 V，电流为12.5 A，可选用5 kW的功率放大器.
目前±800 kV直流输电系统和±500 kV柔性直流输电系统额定电流均为3 000 A左右，依照标准中电流的10%来校验.当待测电流为300 A时，取导线截面积为180 mm2，由式(3)、(4)可算得回路电感L=1.37×10-3 mH.升流器二次回路阻抗为
(6)
式中：XL为二次回路感抗；R为二次回路电阻；f为电流频率；L为回路电感；ρ为导线电阻率；l为导线长度；s为导线横截面积.经计算Z值约为21.7 mΩ.
电流频率为2 500 Hz，考虑误差取一次电流回路阻抗为25 mΩ.当升流器输出300 A时，升流器二次单匝输出电压为7.5 V，则升流器的一次绕组电压为60 V，一次绕组电流为37.5 A，即功率放大器的输出电压为60 V，输出电流为37.5 A，此时可选用5 kW的功率放大器.
目前1 100 kV直流输电系统额定电流在5 000～6 000 A之间，依照标准中电流的10%来校验.当待测电流为600 A时，取此时导线截面积为400 mm2，由式(3)、(4)可算得回路电感L=9.62×10-4 mH.升流器二次回路阻抗Z=15.385 mΩ.
电流频率为2 500 Hz，考虑误差取一次电流回路阻抗为20 mΩ.当升流器输出600 A时，升流器二次单匝输出电压为12 V，则升流器的一次绕组电压为96 V，一次绕组电流为75 A，即功率放大器的输出电压为96 V，输出电流为75 A，此时，可选用两台5 kW功率放大器并联或者选择功率为10 kW的功率放大器.
本实验针对额定电流1 000 A的全光纤电流互感器样机进行校验.通过上述分析，本校验系统的功率放大器采用AE Techron公司的7796功率放大器，采用电压或电流模式工作，可输出超过5 000 W的功率范围，且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.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，其可以输出单相交直流电压和电流，可输出直流、方波、三角波、正弦波以及最高叠加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.
2.3 校验系统组成
校验系统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50～2 500 Hz，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.标准电阻采用锰铜材料，精度为0.01级，阻值为1 Ω.
数据采集单元硬件选用NI公司生产的NI PXIe-1062Q机箱，NI PXIe-1062Q 8槽机箱为各种测试和测量应用程序设计，其高带宽背板可提供每插槽高达1 Gbit/s的专用带宽，以满足高效运转需要.
3 全光纤电流互感器校验实验
将全光纤电流互感器样机接入校验系统，全光纤互感器样机的额定电流为1 000 A，光纤环匝数为4匝，将最大通流能力为200 A的导线穿过光纤环，设定输入电流为100 A(10%额定电流)，测量其在50～2 500 Hz频率范围内的比差、角差，结果如图4、5所示.
图4 宽频测量性能校验试验比差
Fig.4 Ratio difference in calibration test of broadband measurement performance
图5 宽频测量性能校验试验角差
Fig.5 Angular difference in calibration test of broadband measurement performance
由测量结果可知，在50～2 500 Hz范围内，全光纤电流互感器样机的比差最大值为0.52%，角差最大值为54 μs，满足国家标准《GB/T26216.1-2010高压直流输电系统直流电流测量装置第1部分：电子式直流电流测量装置》中的规定.在50～2 500 Hz范围内，该校验系统能满足对全光纤互感器频率响应测试准确度的要求.FOCT的比差随频率增大而增大，其主要由FOCT闭环控制系统的频率响应特性导致，而FOCT的角差基本不随频率发生变化.
4 结 论
通过上述分析可以得出以下结论：
1) 从目前高压直流输电的工程实践需要出发，设计了一种全光纤电流互感器的宽频校验系统，通过系统的电源选择及阻抗计算，使该系统在50～2 500 Hz的频率范围内具备校验能力.
2) 通过对校验系统升流器二次侧回路阻抗的理论计算及实验，分析了不同额定电流互感器校验系统的升流器二次回路阻抗的大小.±800 kV传统直流输电系统和±500 kV柔性直流输电系统进行FOCT校验实验时，二次回路阻抗约为21.7 mΩ，可选用5 kW的功率放大器.1 100 kV传统直流输电系统FOCT校验实验二次回路阻抗约为15.385 mΩ，可选用两台5 kW功率放大器并联或者选择功率为10 kW的功率放大器.
3) 利用互感器校验系统对全光纤电流互感器样机进行了50～2 500 Hz频率范围内的宽频校验.测试结果表明，该系统在50～2 500 Hz的频率范围内具有良好的校验能力.
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