關(guān)于電子式互感器及工程應(yīng)用分析的研究

劉曉云

摘要：作為數(shù)字化變電站的核心，電子式互感器具有傳統(tǒng)電磁式互感器難以比擬的優(yōu)勢(shì)，數(shù)字化變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障就是電子式互感器的信號(hào)測(cè)量精度和運(yùn)行穩(wěn)定性。本文主要介紹了電子式互感器的基本概念及特點(diǎn)，闡述了有源電子式互感器、無源電子式電流互感器的結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電子式互感器;工程應(yīng)用;分析

一、引言

目前，變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是建造數(shù)字化變電站，110kV及以上電壓等級(jí)的工程試點(diǎn)正在各網(wǎng)省電力公司的帶領(lǐng)下積極開展。作為數(shù)字化變電站的核心，電子式互感器具有傳統(tǒng)電磁式互感器難以比擬的優(yōu)勢(shì)，數(shù)字化變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障就是電子式互感器的信號(hào)測(cè)量精度和運(yùn)行穩(wěn)定性。本文在分析電子式互感器的分類及其標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，著重探討了有源式和無源式電子式互感器的基本原理及其結(jié)構(gòu)，并分析了關(guān)于電子式互感器的工程應(yīng)用的幾個(gè)關(guān)鍵問題。

二、電子式互感器的基本概念及特點(diǎn)

電子式電壓互感器實(shí)現(xiàn)一次電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換采用的主要是電容分壓器、串聯(lián)感應(yīng)分壓器、電阻分壓器或光學(xué)原理等方式。電子式電流互感器實(shí)現(xiàn)一次電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換主要是采用Rogowski線圈、傳統(tǒng)電流互感器或光學(xué)裝置等方式。電子式互感器可直接輸數(shù)字量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)對(duì)外的光纖傳輸。根據(jù)傳感頭部分是否需要提供電源，電子式互感器可分為有源式和無源式兩類，主要實(shí)現(xiàn)原理如表1所示。

表1電子式互感器主要實(shí)現(xiàn)原理

傳統(tǒng)電磁式互感器相比，電子式互感器主要有以下特點(diǎn)：（1）具有較寬的頻率和較大的動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)于高頻大電流能夠進(jìn)行有效的測(cè)量，對(duì)于直流的測(cè)量，基于光學(xué)原理的電子式電流互感器完全可以勝任;（2）電子式互感器可從實(shí)現(xiàn)原理上根本地避免磁路飽和、鐵磁諧振等問題，提高采集精度;（3）二次側(cè)信號(hào)通過光纖傳輸，也沒有電纜傳輸方式的電磁干擾問題;（4）沒有電磁式互感器因采用油絕緣而導(dǎo)致的易燃易爆等缺陷，二次信號(hào)通過光纖傳輸，也沒有電磁式互感器二次側(cè)TA開路和TV短路等危險(xiǎn)。

三、有源電子式互感器結(jié)構(gòu)

（一）有源電子式電流互感器結(jié)構(gòu)

有源電子式電流互感器主要有羅高夫斯基線圈和低功耗鐵心線圈兩種一次電流傳感器，其應(yīng)用范圍主要是敞開式變電站、GIS變電站。低功耗鐵心線圈和傳統(tǒng)電磁式互感器具有基本一致的實(shí)現(xiàn)原理，主要用于計(jì)量信號(hào)的測(cè)量，但是上海MWB公司也研發(fā)出了保護(hù)用的低功耗鐵心線圈。羅高夫斯基線圈為纏繞在非鐵磁性材料上的空心線圈，不會(huì)出現(xiàn)磁飽和及磁滯等問題。羅高夫斯基線圈的輸出電壓與電流變化率成正比關(guān)系，因此通過輸出電壓的積分即可獲取一次電流大小。有源電子式電壓互感器結(jié)構(gòu)有源電子式電壓互感器主要有電阻分壓器原理、電容分壓器原理及串聯(lián)感應(yīng)分壓器原理等實(shí)現(xiàn)方式。目前基于電阻分壓器的電壓互感器最高電壓只能做到132kV，在更高電壓等級(jí)中將會(huì)受電阻功率和準(zhǔn)確度的限制，因此實(shí)際應(yīng)用不多。

（二）有源電子式電壓互感器及其應(yīng)用

電阻分壓器原理、串聯(lián)感應(yīng)分壓器原理、電容分壓器原理是有源電子式電壓互感器的主要實(shí)現(xiàn)形式?，F(xiàn)在，基于電阻分壓器的電壓互感器其電壓最高能夠達(dá)到132kV，在超高壓交流電網(wǎng)中使用還將會(huì)受電阻功率和準(zhǔn)確度的限制，實(shí)際使用不多?；陔娙莘謮浩鞯膶?shí)現(xiàn)原理也比較簡(jiǎn)單，將電容分壓器的輸出信號(hào)經(jīng)數(shù)字變換器處理后轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字光信號(hào)輸出，設(shè)計(jì)了一種220kVGIS用電子式電壓互感器;基于電容分壓器的電壓互感器也進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)，但目前都還沒有成功的工程實(shí)用化報(bào)道。

考慮到電容器滲油、漏油會(huì)帶來運(yùn)行安全問題，而且，電容器電容量受環(huán)境溫度的變化也會(huì)降低測(cè)量精度，于是人們利用不飽和電抗器進(jìn)行分壓，研制了串聯(lián)感應(yīng)分壓器測(cè)量系統(tǒng)，基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。輸出電壓信號(hào)可在高壓端或者低壓端從串聯(lián)在電路中的小電抗上取出。結(jié)構(gòu)圖中N2平衡繞組和N3耦合繞組的作用是保證感應(yīng)分壓器在不同電壓、不同負(fù)載（允許范圍內(nèi)）時(shí)的各個(gè)電抗器單元的磁勢(shì)平衡，使各個(gè)單元承受電壓均衡;同時(shí)，通過N2、N3的調(diào)整達(dá)到互感器測(cè)量的精度要求。

四、無源電子式互感器原理及其應(yīng)用

（一）無源電子式電流互感器及其應(yīng)用

我們把采用光學(xué)原理實(shí)現(xiàn)一次電流的測(cè)量稱為無源電子式電流互感器，也稱為光學(xué)電流互感器，基于法拉第效應(yīng)原理的無源電子式電流互感是現(xiàn)在研究最多的一種方式。

在磁場(chǎng)作用下，當(dāng)一束平面偏振光的傳播通過介質(zhì)時(shí)，其偏轉(zhuǎn)平面受到正比于平行傳播方向的磁分量的作用而旋轉(zhuǎn)，這種平面偏振光在磁場(chǎng)作用下的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，稱為法拉第效應(yīng)。據(jù)學(xué)者統(tǒng)計(jì)，偏振角H與被測(cè)一次電流成正比，利用檢偏器將偏振角的變化轉(zhuǎn)換為輸出光強(qiáng)的變化，經(jīng)光電變換及信號(hào)處理即可得到一次電流的大小?；诜ɡ谛?yīng)的電子式互感器測(cè)量系統(tǒng)不僅可以測(cè)量變化電流，而且還可對(duì)穩(wěn)恒直流和非周期分量進(jìn)行有效測(cè)量，不存在測(cè)量頻帶問題。但傳感頭部分光學(xué)裝置復(fù)雜，光學(xué)材質(zhì)易受溫度影響而影響電流測(cè)量精度，研究人員試圖通過改變材料配方、煺火工藝，采用溫度補(bǔ)償和隔熱等方法來改善溫漂的影響，結(jié)果并不理想。

（二）無源電子式電壓互感器及其應(yīng)用

光學(xué)電壓互感器是無源電子式電壓互感器的別稱，主要有基于Pockels效應(yīng)和基于逆壓電效應(yīng)這兩種測(cè)量原理。

根據(jù)Pockels效應(yīng)，在外加電場(chǎng)的作用下，某些晶體的折射率將發(fā)生相應(yīng)的變化，該變化將產(chǎn)生明顯的光學(xué)效應(yīng)，因此，可以借助雙折射效應(yīng)和干涉方法精確地測(cè)出外加電場(chǎng)（一次電壓）的強(qiáng)度（大小）。用于Pockels效應(yīng)研究的電光晶體種類較多，其中BGO（Bi4Ge3O12）晶體理論上無熱釋電性、無旋光性、無自然雙折射，且穩(wěn)定性好，較受關(guān)注。

由于受到諸如光源中心波長(zhǎng)隨溫度的漂移、光電檢測(cè)精度隨溫度漂移、傳感頭電光晶體材質(zhì)和環(huán)境變化等因素影響的原因，雖然基于Pockels效應(yīng)的光學(xué)電壓互感器在目前有一部分樣機(jī)并入電網(wǎng)進(jìn)行試運(yùn)行，但是尚無真正運(yùn)行成功的案例，要打到實(shí)際應(yīng)用仍然需要繼續(xù)進(jìn)行研究試驗(yàn)。

五、結(jié)語

電子式互感器技術(shù)已經(jīng)開始走向成熟，尤其是有源電子式互感器技術(shù)已經(jīng)開始由掛網(wǎng)運(yùn)行走向試點(diǎn)工程的應(yīng)用，。在應(yīng)用過程中出現(xiàn)了諸如現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)困難、實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)少的問題，這些都隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累逐步得到解決，在未來，電子式互感器的應(yīng)用前景是十分廣闊的。

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