電子式互感器的研究與應用

近年來，隨著電氣系統容量的增加，電網運行電壓的等級也越來越高。另一方面，傳統的供電功率低、成本高、性能好難以滿足電網發展的要求。另一方面，超高壓和超高壓電網的發展迫切需要開發新的電子式傳感器。同時,隨著變電站自動化和網絡通信技術的飛速發展,IEC61850標準體系的頒布和推行,傳統的變電站已逐漸向數字化變電站過渡。電子式互感器作為數字化變電站的基礎和重要的組成部分,其發展和應用受到了廣泛的關注。電子式互感器具有結構緊湊、絕緣性能優越、抗電磁干擾、不飽和、易于數字信號傳輸等優點,不但可降低變電站的綜合成本,更重要的是可大幅度提高系統內保護裝置及計量裝置的動作可靠性及精度,對保證電網安全及有效提高計量回路的整體精度有重大的現實意義。1電子表達的定義和標準1.1電子電流、電壓整體刑事電子式整體傳感電子式互感器指輸出為小電壓模擬信號或數字信號的電流、電壓互感器。由于模擬輸出的電子式互感器仍存在傳統互感器的一些固有缺點,現在發展的高電壓等級用電子式互感器一般都用光纖輸出數字信號(以下的電子式互感器均指此類電子式互感器)。電子式電流、電壓互感器無鐵心、絕緣結構簡單可靠,體積小、質量小、線性度好、無飽和現象,輸出信號可直接輸入微機化計量及保護設備接口。由于信號輸出采用比電纜廉價的光纜,從而降低了綜合成本。電子式互感器具有諸多優點,取代傳統互感器將只是一個時間問題。1.2iec病毒傳輸數字通信協議與局域網網絡互通電子互感器的標準化工作是由1999年IEC60044-7(電子式電壓互感器)和2002年IEC60044-8(電子式電流互感器)的發布開始的。在這兩個標準中串行數字通信協議被標準化。2003年初,類似的串行協議被用在IEC61850-9-1標準中,但這種串行協議不能滿足61850總線系統的大部分需求。2004年發布了IEC61850-9-2,以太網協議作為標準確立了下來,互感器的輸出通過交換機提供給其他通過同樣的標準連接在網絡上的保護、計量等設備。這一系列標準的頒布為電子式互感器的應用和推廣奠定了基礎。2電子式電壓傳感傳感及轉換根據一次傳感器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。若一次傳感器是電磁測量原理的,一次轉換器就要將一次傳感器的電輸出信號轉換為光信號,再由光纖傳輸系統送出去。一次轉換器是電子部件,需要電源供電,此類互感器叫有源電子式互感器。若一次傳感器是光學原理的,光纖傳輸系統可以直接將光測量信號送出去,就不需要一次轉換器,也就無需電源了,此類互感器叫無源電子式互感器。電子式電壓互感器主要采用電阻分壓器、電容分壓器、串聯感應分壓器或光學原理等方式實現一次電壓信號的轉換;電子式電流互感器主要采用Rogowski線圈、光學裝置或傳統電流互感器等方式實現一次電流信號的轉換。2.1電流傳感檢測原理Faraday磁致旋光效應是指在光學各向同性的透明介質中,外加磁場可以使在介質中沿磁場方向傳播的平面偏振光的偏振面發生旋轉。利用Faraday磁光效應測量電流的電流互感器原理如下:LED(發光二極管)發出的光經起偏器后為一線偏振光,這束線偏振光在磁光材料(如重火石玻璃)中繞載流導體一周后其偏振面將發生旋轉。旋轉角正比于磁場強度沿偏振光通過材料路徑的線積分。據法拉第磁光效應及安培環路定律可知,線偏振光旋轉的角度θ與載流導體中流過的電流i有如下關系:式中V為磁光材料的Verdet常數。由式(1)可知角度θ與被測電流i成正比,利用檢偏器將角度θ的變化轉換為輸出光強的變化,經光電變換及相應的信號處理便可求得被測電流i。其測量原理如圖1所示。2.2空心螺線管ut積分這種電流互感器采用Rogowski線圈感應被測電流。如圖2所示,Rogowski線圈套在一次導電桿上,實際上是均勻密繞在一環形非磁性骨架上的空心螺線管,其輸出電壓u(t)與被測電流的i(t)的時間導數成正比。式中M是僅取決于線圈尺寸的比例系數,將u(t)積分便可求得被測電流。u(t)經積分變換及A/D轉換后,由LED轉換為數字光信號輸出,控制室的PIN及信號處理電路對其進行光電變換及相應的信號處理,便可輸出供微機保護和計量用的電信號。2.3基于pockels效應的光學電壓傳感傳感技術所謂普克爾(Pockels)效應就是指某些透明的光學介質在外電場的作用下,其折射率線性地隨外加電場而變。Pockels效應又稱為線性電光效應。具有電光效應的物質很多,但在電力系統高電壓測量中用得最多的是BGO(鍺酸鉍Bi4Ge3O12)晶體,BGO是一種透過率高、無自然雙折射和自然旋光性、不存在熱電效應的電光晶體。根據電光晶體中通光方向與外加電場(電壓)方向的不同,基于Pockels效應的光學電壓互感器可分為橫向調制光學電壓互感器和縱向調制光學電壓互感器。光學電壓傳感器是利用Pockels電光效應測量電壓的,如圖3所示。LED發出的光經起偏器后為一線偏振光,在外加電壓作用下,線偏振光經電光晶體(如BGO晶體)后發生雙折射,雙折射兩光束的相位差δ與外加電壓U成正比,利用檢偏器將相位差δ的變化轉換為輸出光強的變化,經光電變換及相應的信號處理便可求得被測電壓。2.4分壓器和串聯應力分壓器的工作原理電壓互感器主要是由分壓器、電子處理電路和光纖等組成。分壓器分為電容分壓器、電阻分壓器、阻容分壓器和串聯感應分壓器等。被測高壓信號由分壓器從電網中取出,經信號預處理、A/D變換及LED轉換,以數字光信號的形式送至控制室,控制室的PIN及信號處理電路對其進行光電變換及相應的信號處理,便可輸出供微機保護和計量用的電信號。以電容分壓器為例,分壓原理的電子式電壓互感器的原理如圖4。2.5電子式電流電壓組合測量系統將電流互感器和電壓互感器組合在一起的電流電壓互感器分為有源式和無源式兩種。有源電子式電流電壓組合互感器的電流測量采用Rogowski線圈,電壓的測量利用分壓原理。無源組合式光學電流電壓互感器,其電流傳感器的工作原理基于Faraday磁光效應,電壓傳感器的工作原理基于Pockels電光效應。3電子傳感器的結構和性能3.1號調制+光纖引至二次線圈的設計電子式互感器的結構如圖5所示。在高電位等勢體內,完成一次電流傳輸、二次信號采集、數字信號調制和光信號輸出,光纖從等勢體出線,通過絕緣支柱走線到地電位,進入光纜引至位于集控室的合并器單元。常規電流互感器要把地電位引至二次線圈,使得高低電位之間的絕緣距離為線圈內半徑。由于光纖絕緣體的采用,電子式互感器將高低電位之間的絕緣距離擴大至整支絕緣柱高度。3.2電子式電流責任意識電子式互感器具有如下特點:1)絕緣性能優良,體積小,重量輕,造價低。常規互感器為滿足絕緣、負荷和暫態穩定的要求,體積和重量較大,造價高。由電子式互感器的結構可知,其絕緣性能優于常規的互感器。在電子式互感器中,高壓側與地電位之間的信號傳輸采用絕緣材料制造的石英光纖,因此,絕緣結構簡單、體積小、造價低。2)不含鐵心,消除了磁飽和、鐵磁諧振等問題。常規互感器不可避免地存在磁飽和、鐵磁共振和磁滯效應等問題,而電子式電流互感器不存在這方面的問題。3)抗電磁干擾性能好,二次側無開路、短路的危險。常規的電流互感器二次不能開路,電壓互感器二次不能短路。電子式電流互感器的高壓邊與低壓邊之間只存在光纖聯系,不存在電磁干擾,無二次側無開路、短路的可能。4)動態范圍大,測量精度高。電網正常運行時,電流互感器流過的電流并不大,但短路電流一般很大,而且隨著電網容量的增加,短路故障時短路電流越來越大。電磁感應式電流互感器因存在磁飽和問題,難以同時滿足高精度計量和繼電保護的需要。電子式電流互感器有很寬的動態范圍,額定電流可測到幾安培至幾千安培,短時大電流可達幾萬安培,可同時滿足高精度計量和繼電保護的需要。5)適應了電力計量與保護數字化的發展潮流。電子式電流(電壓)互感器的輸出多為數字量。輸出的數字接口的物理層和鏈接層符合國際電工委員會的遙控設備和系統IEC60870標準以及變電站的通信和系統IEC61850標準。與電力系統中的繼電保護、通信及計量的數字化發展方向是兼容的。4國外電子式整體傳感技術的發展國外對于電子式互感器的研究已有30多年的歷史,投入了較大的資金和人力,不斷推進電子式互感器的發展,相關行業的一些大公司已邁向產品化、市場化的道路。其中,ABB、西門子、阿海琺(原阿爾斯通)、NxtPhase等公司生產的電子式互感器己有十幾年的成功運行業績,采用電子式互感器的數字化變電站在歐洲也已經投入運行。施奈德電氣、美國的PhotonicPowerSystem公司、德國的RITZ公司等公司也在電子式互感器互感器方面進行了一系列的研究。三菱、東芝等公司都已開發或正在開發一系列的電子式互感器產品,并有現場掛網。我國電子式互感器的研制和運用相對比較落后,僅有為數不多的變電站使用了一些電子式互感器。清華大學、中國電力科學研究院、南京南瑞繼保電氣有限公司、南京新寧光電自動化有限公司等20余家企業和高校涉足了電子式互感器的開發,經過多年的努力,己有若干套設備在現場試運行。我國在沈陽變壓器研究所全國互感器標準化技術委員會的主持下,參照IEC60044-7和IEC60044-8,并結合我國的實際情況,制定了相應的電子式電壓互感器標準及電子式電流互感器標準,分別是關于EVT和ECT的GB/T20840.7—2007和GB/T20840.8—2007。該標準2007年已經由中國標準化管理委員會頒布。這說明我國電子式互感