1、哈爾濱工業大學工學碩士學位論文哈爾濱理工大學學士學位論文- PAGE II - PAGE III -電力系統用電子式互感器技術進展摘要電力系統是國民經濟的命脈，互感器是電力系統中為電能測量、監控、保護等提供電流、電壓信號的重要設備，其精度、可靠性能及穩定性與電力系統的安全、長期、穩定、經濟運行密切相關，是電力系統中不可或缺的電力設備之一6。但是，隨著我國經濟建設的不斷發展，電力工業也得到了迅猛的發展，電力系統輸電容量不斷擴大，遠距離輸電不斷增加，電網電壓等級不斷上升，隨之對電力設備小型化、智能化、準確化的要求也日益增加。目前系統中廣泛運用的基于法拉第感應原理的電磁式電流互感器、電磁式電壓互感器

2、因傳感機理已經呈現出了無法克服的困難，比如說絕緣、爆炸、磁干擾、磁飽和、鐵磁諧振、動態范圍小、體積大、重量重等問題。重要的是，電力系統的發展趨勢是計算機化、網絡化、智能化，這些都要求互感器輸出的數字化。在查了大量文獻的基礎上，本文全面而詳盡地分析了電子式互感器的工作原理和特點，并與傳統電磁式互感器進行比較，證明電子式互感器比傳統電磁式互感器具有多方面的優勢，可以更好的滿足現代電力系統對互感器的需求，指出電子式互感器是電磁式互感器的理想替代品，為電力系統用互感器的研究指明了方向，達到了“研究規律、掌握規律、應用規律”的目的。關鍵詞電力系統；電子式互感器；數字化；規律The development

3、 of electronic transducer which use in Electric power system AbstractElectric power is very important in our daily life as it is the lifeblood of national economy. Transformers working in power system are the indispensable electrical equipments in the power system and without transformers the measur

4、ement system, monitoring system and protection system cannot work. The accuracy, reliability and stability of the transformer will influence the security, stability and economic operation of the power system. But in the recent years the electric power industry developed rapidly with the continuous d

5、evelopment of Chinas economic construction. Along with the continuous rising voltage level, the expanding transmission capacity and the increasing long-distance transmission, the modern power system calls for small size, intelligence and high accuracy power equipments. Current transformer based on F

6、araday principle of electromagnetic induction possesses shortcomings like bulky, heavy, analog output, insulation difficult, magnetic saturation, small dynamic range, narrow band, flammable and so on. The more important is that the power system is tend to digital, networked and intelligent. In the b

7、asis of reading a large number of literature. This paper is devoted to the study the working principle and characteristics of the electronic transformers, and the investigated result shows that electronic transformers possess many advantages and can better meet the needs of the modern power system c

8、omparing with the traditional transformers. At the same time this paper tries to point out the direction of further development of the electronic transformers. Thus, this paper achieves the purpose of To research the law, to understand the law, to use the law .Keywords power system,；electronic trans

9、former；digital； regularPAGE II- - PAGE V -目錄摘要 = 1 * ROMAN IAbstract = 2 * ROMAN II TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc328037395 第1章 緒論 PAGEREF _Toc328037395 h 6 HYPERLINK l _Toc328037396 1.1 課題背景 PAGEREF _Toc328037396 h 6 HYPERLINK l _Toc328037397 1.2 互感器的簡介 PAGEREF _Toc328037397 h 6 HYPERLINK l _Toc3

10、28037398 1.2.1 互感器的作用 PAGEREF _Toc328037398 h 6 HYPERLINK l _Toc328037399 1.2.2 互感器的分類 PAGEREF _Toc328037399 h 7 HYPERLINK l _Toc328037400 1.3 電子式互感器 PAGEREF _Toc328037400 h 8 HYPERLINK l _Toc328037401 1.3.1 電子式互感器的分類 PAGEREF _Toc328037401 h 8 HYPERLINK l _Toc328037402 1.3.2 電子式電流互感器的結構 PAGEREF _Toc

11、328037402 h 9 HYPERLINK l _Toc328037403 1.3.3 電子式電壓互感器的結構 PAGEREF _Toc328037403 h 11 HYPERLINK l _Toc328037404 1.4 電子式互感器與傳統互感器的比較 PAGEREF _Toc328037404 h 13 HYPERLINK l _Toc328037405 1.4.1 傳統式互感器的特點 PAGEREF _Toc328037405 h 13 HYPERLINK l _Toc328037406 1.4.2 電子式互感器的特點 PAGEREF _Toc328037406 h 13 HYPE

12、RLINK l _Toc328037407 第2章 電子式電流互感器 PAGEREF _Toc328037407 h 15 HYPERLINK l _Toc328037408 2.1 磁光電流互感器 PAGEREF _Toc328037408 h 15 HYPERLINK l _Toc328037409 2.1.1 磁光電流互感器的原理 PAGEREF _Toc328037409 h 15 HYPERLINK l _Toc328037410 2.1.2 磁光電流互感器的結構 PAGEREF _Toc328037410 h 16 HYPERLINK l _Toc328037411 2.1.3 磁

13、光電流互感器的穩定性問題 PAGEREF _Toc328037411 h 17 HYPERLINK l _Toc328037412 2.2 全光纖電流互感器 PAGEREF _Toc328037412 h 18 HYPERLINK l _Toc328037413 2.2.1 概述 PAGEREF _Toc328037413 h 18 HYPERLINK l _Toc328037414 2.2.2 基于偏振檢測方法的全光纖電流互感器 PAGEREF _Toc328037414 h 18 HYPERLINK l _Toc328037415 2.2.3 基于干涉檢測方法的全光纖電流互感器 PAGER

14、EF _Toc328037415 h 20 HYPERLINK l _Toc328037416 2.3 空心線圈電流互感器 PAGEREF _Toc328037416 h 21 HYPERLINK l _Toc328037417 2.3.1 空心線圈原理 PAGEREF _Toc328037417 h 21 HYPERLINK l _Toc328037418 2.3.2 空心線圈的類型 PAGEREF _Toc328037418 h 23 HYPERLINK l _Toc328037419 2.3.3 空心線圈電流互感器性能分析 PAGEREF _Toc328037419 h 24 HYPER

15、LINK l _Toc328037420 2.4 補償式光學電流互感器 PAGEREF _Toc328037420 h 26 HYPERLINK l _Toc328037421 2.4.1 比較式光學電流互感器 PAGEREF _Toc328037421 h 26 HYPERLINK l _Toc328037422 2.4.2 自適應式光學電流互感器 PAGEREF _Toc328037422 h 28 HYPERLINK l _Toc328037423 第3章 電子式電壓互感器 PAGEREF _Toc328037423 h 31 HYPERLINK l _Toc328037424 3.1

16、光學電壓互感器 PAGEREF _Toc328037424 h 31 HYPERLINK l _Toc328037425 3.1.1 基于Pokels效應的光學電壓互感器原理 PAGEREF _Toc328037425 h 31 HYPERLINK l _Toc328037426 3.1.2 Pockles效應電場傳感頭的基本結構 PAGEREF _Toc328037426 h 32 HYPERLINK l _Toc328037427 3.2 阻容分壓型電壓互感器 PAGEREF _Toc328037427 h 34 HYPERLINK l _Toc328037428 3.2.1 電阻分壓型電

17、壓互感器 PAGEREF _Toc328037428 h 34 HYPERLINK l _Toc328037429 3.2.2 電容分壓型電壓互感器 PAGEREF _Toc328037429 h 36 HYPERLINK l _Toc328037430 第4章 組合式電子電流電壓互感器 PAGEREF _Toc328037430 h 38 HYPERLINK l _Toc328037431 4.1 組合式光學電子電流電壓互感器 PAGEREF _Toc328037431 h 38 HYPERLINK l _Toc328037432 4.1.1 組合式光學電子電流電壓互感器的構成 PAGERE

18、F _Toc328037432 h 38 HYPERLINK l _Toc328037433 4.1.2 組合式光學電子電流電壓互感器的分類 PAGEREF _Toc328037433 h 39 HYPERLINK l _Toc328037434 4.1.3 組合式光學電子電流電壓互感器的絕緣結構設計 PAGEREF _Toc328037434 h 40 HYPERLINK l _Toc328037435 4.2 GIS中電子電流電壓互感器 PAGEREF _Toc328037435 h 41 HYPERLINK l _Toc328037436 4.2.1 概述 PAGEREF _Toc328

19、037436 h 41 HYPERLINK l _Toc328037437 4.2.2 GIS中電子式電流電壓互感器的結構 PAGEREF _Toc328037437 h 41 HYPERLINK l _Toc328037438 第5章 全文總結與展望 PAGEREF _Toc328037438 h 43 HYPERLINK l _Toc328037439 5.1 本文主要工作總結 PAGEREF _Toc328037439 h 43 HYPERLINK l _Toc328037440 5.2 電子式互感器技術展望 PAGEREF _Toc328037440 h 43 HYPERLINK l

20、_Toc328037441 致謝 PAGEREF _Toc328037441 h 46 HYPERLINK l _Toc328037442 參考文獻 PAGEREF _Toc328037442 h 47 HYPERLINK l _Toc328037443 附錄 PAGEREF _Toc328037443 h 51- PAGE 10 - PAGE 62 -緒論課題背景目前電力系統大多采用的是傳統的電磁式電流互感器和電壓互感器來實現對電流和電壓的測量。電磁式互感器經歷了一百多年的發展，材料和制作工藝不斷改進，為提高測量準確度而采取了各種補償措施，電磁式互感器已經發展到一個相對比較成熟的階段。曾經在

21、很長一段時間內，電磁式互感器在電力系統中也具有測量準確度高和制造工藝成熟的優勢，適應了電力系統的測量要求。但是，由于傳統的電磁式互感器存在的絕緣、爆炸、磁干擾、磁飽和、鐵磁諧振、動態范圍小、體積大、重量重等問題，使其已經難以滿足當今電力系統發展的要求，電子式互感器取代傳統式互感器已經成為一種必然36。電子式互感器主要由傳感元件和數據處理單元組成，由于其傳感機理的先進性，絕緣相對簡單，不存在爆炸、磁飽和、磁干擾以及鐵磁諧振的問題，動態范圍大、頻率響應寬，并且結構緊湊、體積小，適應傳感準確化、傳輸光纖化、輸出數字化的發展方向，使其必將成為傳統電磁式互感器的換代產品。數字化變電站作為當今世界的熱門話

22、題之一，引起了各界認識的廣泛關注， 隨著電力系統的發展，互感器也為了適應其而不斷被開發和研究，早在20世紀50年代，國外一些公司相繼開始了對新型互感器的研究，并在90年代將電子式互感器應用到電力系統中。越來越多的國家把目光投向新型電子式互感器的研發，國際電工委員會也頒布了電子式互感器（IEC60044-8）的標準。同時，國內也已經將此標準等同采用并轉化為相應的國標：電子式電壓互感器（GB20840.7-2007）和電子式電流互感器（GB20840.8-2007），為電子式互感器的技術發展奠定了一定參考基礎8。互感器的簡介互感器的作用互感器是為電力系統中電能的計量、測量、監控、保護等提供電流或者

23、電壓信號的重要電力設備1。為保證電力系統經濟安全的運行，就要求被測信號能夠準確的被反映出來，從而做出相關動作39。互感器是電力傳輸系統中連接一次和二次之間的紐帶，它由一個或者多個電流或電壓傳感器組成，用于產生能夠正確反映被測信號的量，供給其他測量儀器或者設備15。互感器的主要作用可歸納如下：（1）將電力系統一次側的電流或者電壓信號傳遞到二次側，供給其他測量儀表和計量裝置，從而正確反映一次側電流和電壓的運行情況。（2）當電力系統發生故障時，互感器能快速感應，并且正確反映出故障狀態下的電流或者電壓波形，與繼電保護和其他裝置配合，實現對電力系統故障情況下的監測、控制和保護。（3）互感器實現了一次高壓

24、側和二次設備側的電氣隔離，從而保證了二次設備和工作人員的安全，并且將一次側的高電壓、大電流轉換為二次側的低電壓、小電流，使測量更標準化。互感器的分類1.按原理分（1）電磁式互感器。是按比例變換電壓或者電流的設備，它是為測量儀器、儀表等提供信號的變壓器。（2）電子式互感器。由連接到傳輸系統和二次轉換器的一個或多個電流或電壓傳感器組成，采用光電子器件用于傳輸正比于被測量的量，供給測量儀器、儀表和繼電保護或控制設備的一種裝置。在數字接口的情況下，一組電子式互感器共用一臺合并單元完成此功能。2.按用途分（1）測量用互感器。主要是在電力系統正常運行時，將大電流變成小電流，高電壓變為低電壓，然后與測量儀表

25、配合，對電路的電壓、電流、電能等進行監視、測量和記錄。（2）保護用互感器。主要在電力系統非正常運行或者故障運行條件下，將相應的信號供給繼電保護或者其他設備，以便設備做出相應動作，實現對非正常運行或者故障運行的監視、記錄和校正。3.按對象分（1）電流互感器。是利用電磁感應原理改變電流量值的一種器件。它的一次繞組串聯在電路中，并且匝數很少，因此，一次繞組中的電流完全取決于被測電路的一次負荷大小而與二次電流無關。而二次繞組與測量儀表、繼電器等的電流線圈串聯，由于測量儀表和繼電器等的電流線圈阻抗都很少，電流互感器的正常工作方式接近于短路狀態。并且在運行中不允許電流互感器二次側開路。如果二次側開路，二次

26、電流為零，這時電流互感器的一次電流全部用來勵磁，鐵芯中的磁通密度劇烈增加，引起鐵芯中有功損耗增大，使鐵芯過熱，導致互感器損壞。電流互感器又可分為：電磁式電流互感器。是一種正常條件下其二次電流與一次電流成正比，且在連接方法正確時相位差接近于零的互感器。電子式電流互感器。是一種在正常使用條件下，其二次轉換器的輸出正比于一次電流，且相位差在連接方向正確時接近于已知相位角的互感器。（2）電壓互感器。是利用電磁感應原理改變交流電壓量值的一種器件。它的一次側的電壓不受二次側負荷的影響，并且在大多數情況下，二次側負荷是恒定的，且二次側所接的負荷是測量儀表和繼電器的電壓線圈，它們的阻抗很大，因此，電壓互感器的

27、正常工作方式接近于空載狀態，必須指出，電壓互感器二次側不允許短路，因為短路電流很大，會燒壞電壓互感器。電壓互感器又可分為：電磁式電壓互感器。是一種通過電磁感應將一次電壓按比例變換成二次電壓的電壓互感器，這種互感器不附加其他改變一次電壓的電氣元件。電子式電壓互感器。是一種在正常使用條件下，其二次電壓正比于一次電壓，且相位差在連接方向正確時接近于已知相位角的互感器。電容式電壓互感器。主要是由電容分壓器和電磁單元組成，其二次電壓正比于一次電壓，且相位差在連接方向正確時幾乎接近于零。（3）組合互感器。是由電流互感器和電壓互感器組成并裝在同一外殼內的互感器。這種互感器同時具有電流互感器、電壓互感器的功能

28、，也可分為電磁式組合互感器和電子式組合互感器。電子式互感器電子式互感器標準首先定義了電子式互感器及其各部分的組成，其中包括一次傳感器、一次轉換器、傳輸系統、二次轉換器、合并單元、一次電源以及二次電源。采用光電子器件用于傳輸信號，供給測量儀器、儀表和繼電保護或控制設備，其輸出信號一般為正比于被測量的電壓或者電流信號。在數字接口的情況下，一組電子式互感器共用一臺合并單元。以下將分別對電子式電流互感器和電子式電壓互感器的分類和結構做出詳細的介紹11。電子式互感器的分類1.電子式電流互感器（1）按原理分光學電流互感器。是利用法拉第磁光效應原理，采用光學原理、器件做電流傳感器的一種互感器。光學器件主要由

29、光學玻璃、光纖等組成，其輸出電壓大小正比于被測電流大小。空心線圈電流互感器，又稱為Rogowski線圈式電流互感器。它是有源電子式互感器，主要由Rogowski線圈和數字變換器組成。空心線圈一般由漆包線均勻繞制在環形骨架上，其相對磁導率與空氣的相對磁導率相同，這也是空心線圈電流互感器區別于其它帶鐵心的電流互感器的一個顯著特征。空心線圈電流互感器在原理和結構上與傳統的電流互感器有很大的不同，其性能會受到溫度及外界磁場等因素的影響。鐵心線圈式低功率電流互感器。它是在傳統式電流互感器的基礎上發展而來的，在一次側高電流的情況下，其飽和性能得到改善，并且測量范圍相對較廣，其輸出為電壓信號。（2）按用途分

30、測量用電子式電流互感器。是一種用于測量的電流互感器，其輸出信號傳輸至有關儀器儀表。保護用電子式電流互感器。是一種用于保護的電流互感器，其輸出信號傳輸至繼電保護和控制裝置。2.電子式電壓互感器（1）按原理分光學電壓互感器。由光學材料做敏感原件，利用光纖傳輸信號，被測電壓直接加在敏感元件上，且輸出電壓正比于被測電壓，是一種傳感型電子式電壓互感器。阻容分壓型電壓互感器。是針對電容分壓型電壓傳感元件的暫態響應不佳問題而提出的，被測電壓由電阻器、電容器或者阻容器分壓后，變為光信號通過光纖傳輸至二次轉換器，經過處理得到被測電壓。（2）按用途分測量用電子式電壓互感器。是一種用于測量的電壓互感器，其輸出信號傳

31、輸至有關儀器儀表。保護用電子式電壓互感器。是一種用于保護的電壓互感器，其輸出信號傳輸至繼電保護和控制裝置。電子式電流互感器的結構為了規范和推動互感器行業的快速健康發展，我國于2007年1月頒布了電子式電流互感器的國家標準：GB/T20840.8-2007，標準對電子式互感器數字量的輸出做了一些規定7。圖1-1是電子式光學電流互感器在變電站中運行的一般模式，光源發出的光通過光纜傳輸至位于絕緣套管高壓區的傳感頭，經處理后，光信號又通過光纜從高壓區傳至低壓區二次轉換器，實現光電轉換，信號再經過處理后進入合并單元，合并單元的同步高速數據采集模塊對各路模擬量進行采集，并將所采集的數據以串行的方式輸到二次

32、設備，實現對信號的計量、監控以及保護。圖1-1 電子式光學電流互感器在變電站運行的一般模式電子式電流互感器的通用框圖如圖1-2、圖1-3所示，是國標GB/T 20840.72008提供的，本圖是依據所采用的技術確定電子式電流互感器所需要的部件，并非所有列出的部件都是必須的。圖1-2 單相電子式電流互感器的通用框圖圖1-2中各部分的解釋如下：一次電流傳感器是指電氣、電子、光學或者其他裝置，由通過一次端子的電流產生相應的信號，再經過一次轉換器傳送給二次轉換器；一次轉換器是將來自電流傳感器的信號轉換成適合于傳輸系統的信號；傳輸系統是一次系統和二次系統之間傳輸信號的紐帶，可實現短距離和長距離的傳輸；一

33、次電源是為一次電流傳感器或者一次轉換器提供電源使用的；二次轉換器是將一次系統傳來的信號進行處理，轉換成為可供給其他測量儀器儀表和繼電保護裝置的信號，該信號與一次側電流成正比；二次電源是二次轉換器的電源，為二次系統提供所需要的電能9。圖1-3是數字輸出型電子式電流互感器的通用框圖1。每個數據通道承載著一臺電子式電流互感器或者一臺電子式電壓互感器，采樣到的數據通過單一數據線傳輸到合并單元，合并單元匯集多達12個二次轉換器數字通道。如果是在多相的情況下，多個數據可以通過同一個接口傳輸道合并單元。圖1-3 數字接口框圖示例EVTa的SC為a相電子式電壓互感器的熱刺轉換器（見GB/T 20840.7），

34、ECTa的SC為a相電子式電流互感器的二次轉換器，可能有其他數據通道映射（見GB/T 20840.8 6.2.6）電子式電壓互感器的結構電壓互感器的作用主要是將一次側高電壓轉換成適合于二次側繼電保護和測量的低電壓，要求一次和二次系統必須進行電氣隔離。電子式電壓互感器是一個依賴電子元件取樣、處理以及輸出信號的電壓互感器。電子式電壓互感器的通用框圖如圖1-4、圖1-5所示，依據所采用的技術確定電子式電壓互感器所需器件，并非所有列出的部件都是必須的。電子式電壓互感器的測量準確化、傳輸光纖化和輸出數字化能滿足未來電力發展需要。隨著加工工藝和材料工藝的提高，微電子技術、微機技術和光子技術的發展，更基于自

35、身原理上的優勢，電子式電壓互感器必將在電力系統得到廣泛的應用，并最終取代傳統的電壓互感器，成為最為可取的下一代互感器。圖1-4 單相電子式接地電壓互感器通用框圖圖1-5 三相電子式電壓互感器通用框圖圖1-4和圖1-5中各部分解釋如下：一次電壓端子是指將一次電壓施加到電子式電壓互感器上的端子；一次電壓傳感器是指電氣、電子、光學或者其他裝置，由通過一次端子的電壓產生相應的信號，再經過一次轉換器傳送給二次轉換設備；一次轉換器是將來自電壓傳感器的信號轉換成適合于傳輸系統的信號；傳輸系統是一次系統和二次系統之間傳輸信號的紐帶，可實現短距離和長距離的傳輸；一次電源是為一次電壓傳感器或者一次轉換器提供電源使

36、用的；二次轉換器是將一次系統傳來的信號進行處理，轉換成為可供給其他測量儀器、儀表和繼電保護裝置的信號，該信號與一次側電流成正比；二次電源是二次轉換器的電源，為二次系統提供所需要的電能；二次電壓端子是用以測量儀表和繼電保護或者控制裝置的電壓電路供電的端子。電子式互感器與傳統互感器的比較傳統式互感器的特點在電力系統中，傳統互感器通常包括電磁式電流、電壓互感器和電容式電壓互感器；傳統式互感器的缺點主要表現在：（1）易發生磁飽和現象。傳統互感器在非正常運行條件下，比如說當電路發生短路時，會產生很大的電流，互感器鐵心將會保留較大剩磁，鐵心嚴重飽和，使得二次電流不能正確反映出一次電流，從而不能做出相應保護

37、動作，甚至出現誤動的情況4。（2）對低頻、高頻以及非周期分量測量不準確，且不能測量直流分量。因電磁式互感器存在磁飽和的問題，當發生短路故障時，短路電流可達穩態時的2030倍以上，這將無法對故障信號進行準確的測量。而且電磁式互感器傳感頭由鐵心構成，頻率響應很低。（3）存在鐵磁諧振，抗干擾能力弱。傳統電壓互感器中，電磁式電壓互感器呈感性，而斷路器端口呈容性，兩者連接會產生電磁諧振。此外，電容式電壓互感器本身就含有多個非線性電感元件和電容元件，在適當的條件下，其自身也可發生諧振，從而導致補償電抗器和中間變壓器繞組擊穿4。（4）絕緣困難。由于一次側和二次側之間存在著電氣連接和能量的傳遞，隨著電壓等級的

38、不斷提高，傳統式互感器的絕緣問題大大增加，用絕緣油等進行絕緣，不但體積大、重量重，而且存在著爆炸的危險。（5）輸出為模擬量。傳統式互感器的二次側輸出為正比于一次側的電壓或電流信號，為模擬量，不能直接與微機化計量和保護設備接口，不適應電力系統數字化的要求。（6）經濟性不好。傳統式互感器體積大、造價高，隨著電壓等級的不斷提高，互感器的成本也相應提高，且占地面積大。電子式互感器的特點近年來，越來越多的學者致力于電子式互感器的研究，作為一種新型的電氣設備，與傳統互感器相比，它有著極為優越的特點2，主要表現在：（1）消除了磁飽和現象。在電子式互感器中，光學互感器、空心線圈互感器不具有鐵心，故不存在磁飽和

39、的問題，從而大大提高了各類故障測量的準確性，也提高了保護裝置動作的正確率3。（2）頻率響應范圍寬，動態范圍大。光學互感器、空心線圈電流互感器的頻率響應都很寬，不僅可以對暫態電流、高頻大電流進行測量，而且還可以測出諧波電流。（3）消除了鐵磁諧振，抗干擾能力強。電子式互感器的結構，決定了它不存在構成電磁諧振的條件，其抗干擾能力強。（4）具有良好的絕緣性能。電子式互感器絕緣相對簡單，不像傳統式互感器用絕緣油，其高壓側與地電位側之間采用絕緣材料制造的玻璃纖維來傳輸信號，體積小、重量輕、絕緣性能好。（5）適應電力系統輸出數字化的發展要求。電子式互感器直接輸出數字信號，有助于二次設備對信號的接收和處理，加

40、速了電力系統數字化和信息化的進程12。（6）經濟性好。電子式互感器體積小、重量輕，可以直接組合到其他保護裝置或者高壓設備中，共用支撐絕緣子，不但節省了變電站的占地面積，而且減少了成本43。綜上所述，電子式互感器具有傳統式互感器的全部功能，此外更具有優于傳統式互感器的性能。下面章節中，我將給大家詳細介紹電子式電流互感器、電子是電壓互感器以及組合式電子電流電壓互感器。電子式電流互感器磁光電流互感器光學電流互感器的種類很多，有我們所熟知的磁光式電流互感器、全光纖電流互感器等等，它們的原理大致相同，都是將電流信號轉換成光信號，利用光強、偏振態以及波長等的變化來測量電流28。本章討論的是光學電流互感器，

41、其利用法拉第磁光效應，可以準確的測量電流信號。磁光電流互感器的原理1864年，法拉第發現在磁場作用下，本來不具備旋光性的物質也可發生旋光性，這種效應后來被稱為法拉第磁光效應。如圖2-1所示為法拉第效應原理圖，在外加磁場H的作用下，當一束線性偏振光通過放在磁場中的法拉第傳感元件（一般為磁光玻璃）時，若磁場方向與光的傳播方向相同時，則入射偏振光的偏振面將發生旋轉，且偏振面旋轉角正比于磁場強度H沿偏振光通過材料路徑的線積分5，即： (2-1)式中V為磁光材料的Verdet常數；N為光路環路數；i為被測電流；H為外加磁場。由上式可知，角與被測電流成正比，利用檢偏器將角度的變化轉換為光強的變化，經相應處

42、理后便可求得被測電流i的大小。偏振面的旋轉角偏振面的旋轉角磁場H法拉第傳感元件入射線偏振光出射線偏振光圖2-1 法拉第效應原理圖磁光電流互感器的結構磁光電流互感器由傳感頭、光路部分（光源、準直透鏡、起偏器、檢偏器、傳輸系統等）、信號處理系統等組成，一般由重火石玻璃作為傳感頭的光學介質，用于改變光的傳播方向。如圖2-2所示，由發光二極管LED提供光源信號，通過光纖傳輸，經過準直透鏡之后成為平行光束，再經起偏器變為線性偏振光進入傳感頭，光在傳感頭內繞導體一圈，并在電流磁場的作用下光的偏振面發生旋轉，出射光經檢偏器檢偏后再通過另一只光纖傳輸，經過準直透鏡進入二次轉換器6。磁光電流互感器的傳感頭設計極

43、為重要。首先，光學傳感頭必須具有保偏性，即入射至傳感頭的線性偏振光傳播至出射端口時也必須是線性偏振光，并且偏振光旋轉角只受被測電流的影響；其次，光路應盡可能的圍繞載流導體閉合，以減少外界磁場的影響，提高靈敏度；最后，光學傳感頭還應盡可能的減少傳輸損耗10。而傳感頭材料的選擇也有要求。首先，所選的材料應具有良好的光學性能，以保證保偏性能；其次，材料的Verdet常數要比較大，受溫度影響較小；最后，要易于加工制作，其電氣性能、機械性質、熱學性質等都要良好14。其實大部分的介質材料都具有法拉第磁光效應，而效應的強弱往往取決于材料的磁化性能。不同材料的磁化率受溫度的影響不同，這就導致了不同介質中法拉第

44、效應的不同溫度特性25。圖2-2 光學電流互感器的傳感頭磁光電流互感器的傳輸系統是由光纖和光纜組成的，其作用是將傳感頭輸出的信號傳輸至二次轉換器57。光纖作為磁光電流互感器的光學元件之一，要求它具有較大的傳輸功率，且要便于耦合，一般選擇光纖纖芯為62.5um34。光纜作為光學電流互感器的另一樣光學元件，承擔著高壓區和地電位之間傳輸光的任務，要求它的機械性能和化學性能（防水、防潮）良好，同時對電學參數和光學參數（光纖直徑、數值孔徑、損耗等）也有一定的要求，如果選擇光纖的芯徑越大，數值孔徑就越大，從LED耦合出來的光功率越強，但同時從準直透鏡出來的光束的發散角就越大，將此光束耦合進光纖就越困難，耦

45、合損耗反而更大，故應該綜合各項參數，進行最優化的選擇。磁光電流互感器的穩定性問題磁光電流互感器在電力系統中的研究已經多年，但是始終沒有完全取代傳統的互感器，原因是多方面的，主要是因為磁光電流互感器應用時所處的環境是戶外的變電站高壓區，環境相對惡劣，環境因素對其性能的影響不容忽視。因此，磁光電流互感器的長期穩定性是至今未能解決的問題，也是決定其能否實用化的關鍵問題27。先分別分析如下：溫度影響。由公式: （2-2）在理想狀況下，Verdet常數是一個恒定值，和i保持了較好的線性關系，V和N越大，則互感器靈敏度越高，經研究表明，V與材料的折射率n和光源工作波長有關。折射率n的變化，會導致V的變化，

46、接著將影響待測電流的穩定性。而光源工作波長與光源驅動電流、光源所在處溫度有關，故要使不變化，必須使光源恒溫，并使驅動電流恒定31。否則當環境溫度變化時，必將影響被測電流的穩定性。另一方面，溫度因素的影響還會在敏感材料內產生應力雙折射，這必將影響到磁光電流互感器傳感頭的靈敏度。而應力雙折射的存在主要是因為：玻璃制造過程熱歷史與退火留下的殘余應力，環境溫度梯度變化產生的應力以及傳感頭組裝過程采用黏結固定法不可避免的存在應力。（2）振動影響。振動會造成傳感頭內部的線性雙折射，從而影響傳感頭的輸出。振動對磁光電流互感器的影響主要表現在：傳感頭周期性振動會引起傳感頭內部線性雙折射周期性變化，從而影響輸出

47、；載流導體在原來位置附近范圍內擺動，產生影響；振動時，會使進入起偏器的光強發生振動，對輸出產生不良影響。（3）反射相移對磁光電流互感器性能的影響。在光學電流互感器中，光線要圍繞被測電流導線形成閉合環形光路，因此在對光學材料進行設計時，需要若干個全反射面來改變光的傳播方向，使光束經過這些全反射面形成閉合光路。但是由于全反射面的存在，使線性偏振光全反射后變成橢偏振光，即兩個正交光振動分量之間產生一個相位差，這將使傳感頭的靈敏度發生變化，進而影響輸出信號的變化。反射相移與折射率有關，折射率越大，產生的相位差越小32。綜上所述可知，磁光電流互感器與被測電流之間沒有直接的接觸，故磁光電流互感器工作時不影

48、響電力系統的運行；由于磁光電流互感器采用光信號進行傳輸，故比起傳統電流互感器絕緣簡單；其傳感頭采用的是光學元件，不存在磁飽和，故測量的準確性大大提高33；且由圖2-2可知，進出磁光電流互感器的都是光信號，故二次側開路也不會產生危險的高電壓或大電流。全光纖電流互感器概述自1973年Rogers首先提出光學電流互感器的想法以來，光纖技術已經發展了幾十年。光學電流互感器可根據傳感單元的不同分為全光纖電流互感器、光學玻璃互感器等。而基于法拉第效應的全光纖電流互感器得到了各界人士的廣泛研究，并已取得顯著效果。全光纖電流互感器是指采用光纖圍繞被測電流導體N圈作為電流敏感元件的互感器。典型代表是Nxtpha

49、se研究的全光纖電流互感器已經掛網運行，ABB公司研制的用于測量500kA直流大電流也得到了人們的普遍認可，中國南瑞航天電氣控制技術有限公司于2008年生產的FOCT產品也已通過鑒定并進行了掛網試運行。全光纖電流互感器是未來光學電流互感器的發展方向，它采用偏振檢測方法或者利用法拉第效應的非互易性來檢測，同樣作為光學電流互感器，全光纖電流互感器與玻璃型電流互感器的原理基本相同，且光纖內存在的線性雙折射對溫度和振動的變化也十分敏感，在變電站的惡劣環境下，其光學器件的長期運行穩定性還沒有經過嚴格的論證和考核，變電站中電流的變化范圍較大，當電流較小時，信噪比較低，這就對全光纖電流互感器的信號調制問題提

50、出了更高要求46。且構成全光纖電流互感器的關鍵光學器件都是從外國進口，不但價格昂貴，而且受制于人，從長遠來看，這是不可取的。總而言之，全光纖電流互感器的測量穩定性和可靠性，以及應用的經濟性，都要經過長時間的檢驗和考核45。基于偏振檢測方法的全光纖電流互感器基于偏振檢測法的全光纖電流互感器的結構如圖2-3所示，光纖均勻的纏繞在載流導體上，且高壓載流導體中通有電流I，可知纏繞在載流導體上的光纖將產生磁光效應。由激光器發出的單色光經過起偏器F后變為線性偏振光,再經過透鏡L將線性偏振光耦合到光纖中，這時線性偏振光的偏振面將發生偏轉，旋轉角為，出射后的偏振光經過透鏡L耦合后到達奧拉斯頓棱鏡W，棱鏡將偏振

51、光分成兩束振動方向垂直的偏振光，并分別傳輸到光電探測器D1和D2中，在經過信號加工，即能獲得被測電流。值得補充的是，當載流導體沒有信號時，要想獲得最大靈敏度，W的兩個主軸與入射光纖的線性偏振光的偏振方向應成450。圖2-3 基于偏振檢測方法的全光纖電流互感器原理圖 以上介紹的理想結果要求光在全過程中始終保持線性偏振，即不發生雙折射。雙折射是指一束光在非均勻的介質中傳播時，分解成為振動方向垂直，傳播速度和折射率都不同的兩種偏振光。引起雙折射的原因很多，比如光纖本身的不完善、環境溫度的變化及機械狀態的變化等49。雙折射的影響是不可忽視的，總結起來雙折射的存在主要有以下影響：（1）減小了測量電流的靈

52、敏度。這是因為雙折射的存在會使原來的線性偏振光變成橢偏振光，即兩個正交光振動分量之間產生一個相位差，這將導致整個測量的靈敏度都減小。（2）易受環境溫度的影響。由于雙折射的分布是隨著溫度的變化而變化的，從而使得傳感器的靈敏度也受到影響，而在一根光纖中的溫度是逐漸變化的，故在一個封閉的環形光路中，靈敏度的分布是非均勻的。（3）傳感器對不同偏振面的靈敏度不同。在全光纖電流互感器探頭中，由于線性雙折射的存在，對不同偏振面的入射偏振光，雙折射所引起的相位不同，因而使整個探頭的靈敏度也隨著相位的改變而改變。總而言之，全光纖電流互感器中由于線性雙折射造成輸出不穩定、靈敏度降低等問題，嚴重阻礙了全光纖電流互感

53、器的發展，因此采用各種方法降低線性雙折射已成為人們關注的焦點60。經研究表明，采用保偏光纖可以有效限制雙折射的影響，保偏光纖是對傳輸的偏振光的偏振態加以保持并傳輸的光纖47。下面介紹幾種采用保偏光纖的方法：（1）螺旋光纖。是一種通過自旋方式拉制的低雙折射光纖，這種光纖在拉制過程中使光纖胚料迅速自旋，保證橢圓度大約每厘米旋轉一次，故在任意給定的一厘米內凈雙折射為零，因此在給定任意光纖長度上的總雙折射在數量級上等于經過旋轉后殘留的雙折射。當然，這種方法也存在缺點，首先，在繞制過程中，由彎曲光纖引起的線性雙折射仍然存在；其次，長期使用過后的旋轉光纖，其自旋會松弛，從而導致穩定性也大大降低，這也是旋轉

54、光纖的致命弱點48。（2）圓雙折射。是指光源偏振本征模通過光纖時，左旋和右旋圓偏振態以不同的速度傳播，線性雙折射在圓雙折射光纖中可以得到較好的抑制。當然，圓雙折射也有自己的不足之處：圓雙折射對溫度的敏感性較強，因而在溫度變化較頻繁的環境中使用其靈敏度大大降低53。（3）橢圓雙折射光纖。這種光纖是在拉制高線性雙折射光纖過程中旋轉預制棒。但是用這類光纖制成的全光纖電流互感器對溫度的依賴性很大，故需要采用溫度補償。綜上所述，近些年來，有關各種克服線性雙折射的研究方案不斷被提出，但是也都存在著自身的問題，這需更進一步研究才能解決。基于干涉檢測方法的全光纖電流互感器基于干涉檢測方法的全光纖電流互感器是通

55、過檢測受法拉第效應作用的兩束偏振光的干涉的相位差的變化來測量電流。基于干涉檢測方法的全光纖電流互感器從結構上可分為Sagnac環形結構和反射結構，下面就這兩種結構的基本原理和構成分別做出介紹。基于Sagnac環形結構的全光纖電流互感器Sagnac環形結構原理圖如圖2-4所示，光源發出的光經耦合后經過偏振器變為線性偏振光，再通過耦合器將線性偏振光變成兩路，分別經過延遲器和調制器被1/4波片轉換成圓偏振光，并沿相反方向進入傳感頭，法拉第效應使這兩束圓偏振光的偏振面發生旋轉，然后再次經過1/4波片重新轉換成線性偏振光返回偏振器進行干涉。在這里由于兩束光偏振面的旋轉角度大小相同方向相反，故其相位差為兩

56、倍的法拉第相移，即=2VNI。另外，我們只需要檢測出光的相位差就能得到被測電流，這都是采用了調制器的結果。圖2-4 Sagnac環形結構全光纖電流互感器原理圖基于Sagnac反射結構的全光纖電流互感器基于Sagnac反射結構的全光纖電流互感器的原理圖如圖2-5所示，其利用兩束光互相干涉來測量電流。由光源發出的光經過保偏光纖耦合器后由光纖起偏器變成線性偏振光，再經一個45o熔接進入光纖相位調制器，并且在這段光纖上形成兩個分別在兩個光軸上互相垂直的線性偏振光，分別沿保偏光纖的X軸和Y軸傳播。這兩束正交的線性偏振光被光纖相位調制器進行相位調制后，經過/4波片轉變成左旋和右旋的圓偏振光，進入傳感光纖圈

57、。由于傳感光纖中的法拉第效應和被測電流產生的磁場，這兩束圓偏振光的相位會發生變化，且以不同的速度傳播，最后經反射膜反射后，這兩束圓偏振光的偏振模式發生互換，然后經過傳感光纖圈兩束光再次經過/4波片，恢復成兩束線性偏振光。分別沿著保偏光纖傳播，并在光纖偏振器處發生干涉，通過測量兩線性偏振光的相位差，就能測出導線中的電流。光纖相位調制器的作用是實現相位檢測。反射式全光纖電流互感器要求光在傳播過程中保持一定的偏振態。圖2-5 Sagnac反射結構的全光纖電流互感器原理圖空心線圈電流互感器空心線圈電流互感器是電子式電流互感器中電流傳感器的一種，是數字化變電站發展的設備之一，空心線圈電流互感器與傳統互感

58、器有著較大區別，本節將重點介紹空心線圈電流互感器的原理與結構。空心線圈原理空心線圈通常又稱Rogowski線圈，一般由漆包線均勻繞制在環形骨架上，骨架采用塑料或者陶瓷等非鐵磁性材料24。理想的空心線圈要求其二次繞組足夠多，且在非鐵磁材料骨架上要對稱均勻分布；每一匝繞組不僅要形狀完全相同，而且要使其所在平面垂直穿過骨架所在的圓周的中心軸。空心線圈的結構如圖2-6所示，圓柱形載流導體穿過空心線圈的中心。空心線圈中相對磁導率為1，故距中心軸x處的任意一點的磁感應強度為： （2-3）式中，0為真空中磁導率；I(t)為載流導體上的被測電流。由法拉第電磁感應定律可知，當穿過一定面積線圈的磁通量發生變化時，

59、在線圈上將感應出一定大小的電壓，該電壓的大小和方向與磁通量變化的大小和方向有關，其中感應電壓的大小為d/dt，方向遵循右手定則。圖2-6 空心線圈尺寸 空心線圈單砸線圈上的磁通量可表示為： （2-4）式中，a為骨架內半徑；b為骨架外半徑；為空心線圈的厚度。空心線圈的繞組總匝數為N，則空心線圈的總感應電動勢為： （2-5）式中， ，為空心線圈的互感系數。不難看出，互感系數M關系到空心線圈的穩定性，對互感系數M的選擇也提出了要求。互感系數決定了線圈的形狀、尺寸、匝數以及線圈間的相對位置，和線圈是否通有電流無關。空心線圈的等效電路圖如圖2-7所示，R0為空心線圈的內阻，L為空心線圈的自感系數，RL為

60、負載電阻，C為空心線圈的匝間電容，e（t）為線圈的感應電動勢。線圈的感應電動勢為： (2-6)式中，M為空心線圈的互感系數，i為被測電流。圖2-7 空心線圈的等效原理圖空心線圈的類型空心線圈從結構上可大致分為平板型空心線圈、組合型空心線圈、窄帶型空心線圈以及螺旋線型空心線圈。下面就對平板型空心線圈和組合型空心線圈做簡單介紹。 （1）平板型空心線圈。由一對或者多對印刷電路板串聯而成，如圖2-8所示，印刷電路板1的上表面和印刷電路板2的下表面完全相同，印刷電路板1的下表面和印刷電路板2的上表面完全相同。為了實現傳統空心線圈的功能，成鏡像的印刷板電路都是成對出現,每對成鏡像的印刷電路板為一組，引出一