電磁式c和p的原理及應用

電氣系統使用電磁式ct（電壓傳感器）和pt（電壓傳感器）測量一次側電壓和電壓，并提供二次測量和保護設備的電壓和電壓信號。電磁式互感器的工作基于電磁感應原理,CT的額定輸出信號為1A或5A,PT的額定輸出信號為100V或100/3√V100/3V。電磁式互感器的缺點是①絕緣難度大,特別是500kV以上,因絕緣而使得互感器的體積、質量及價格均提高;②動態范圍小,電流較大時,CT會出現飽和現象,飽和會影響二次保護設備正確識別故障;③互感器的輸出信號不能直接與微機化計量及保護設備接口;④易產生鐵磁諧振等。電子式電流、電壓互感器是無鐵芯、絕緣結構簡單可靠、體積小、質量小、線性度好、無飽和現象、輸出信號可直接與微機化計量及保護設備接口的電力互感器。現代光學技術、微電子學技術的發展使得電子式互感器的發展及實用化成為現實。1電子表達的工作原理根據傳感方式的不同,電子式CT、PT可分為無源光電式CT、PT和有源電子式CT、PT兩類。1.1光學電壓傳感器的工作原理圖1所示為無源組合式電壓、電流互感器的結構框圖。光學電流傳感器是利用Faraday磁光效應測量電流的,如圖2所示。LED(發光二極管)發出的光經起偏器后為一線偏振光,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。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:θ=V∫lH·dl=V∮H·dl=V·i(1)式中,V為磁光材料的Verdet常數。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。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V有如下關系:δ=2πλn30γ41ldV=πVπ?(Vπ=λ2n30γ41dl)(2)δ=2πλn03γ41ldV=πVπ?(Vπ=λ2n03γ41dl)(2)式中,n0為BGO的折射率;γ41為BGO的電光系數;l為BGO中光路長度;d為施加電壓方向的BGO厚度;λ為入射光波長;Vπ為晶體的半波電壓。相位差δ與外加電壓V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。1.2電子文件輸出圖4所示為有源電子式CT的結構示意圖。感應被測電流的線圈通常采用Rogowski線圈,Rogowski線圈的骨架為非磁性材料,如圖5所示。若線圈的匝數密度n及截面積S均勻,Rogowski線圈輸出的信號e與被測電流i有如下關系:e(t)=?dΦdt=?μ0nS?didt(3)e(t)=-dΦdt=-μ0nS?didt(3)e(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。圖6所示為有源電子式PT的結構示意圖。被測高壓經分壓器分壓后,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。有源電子式CT、PT的一次高壓側有電子電路,其電源的供給方式主要有兩類,一類是光供電,即控制室內LD發出的光由光纖送至高壓側,再經光電變換轉換為電能供電路工作;另一類是利用一小CT從高壓線路上獲取電能供電路工作。2國內外研究下面對ABB和ALSTOM等公司近年來研制的有代表性的電子式互感器進行簡要介紹。2.1光學測量設備目前,ABB公司已研制出多種無源光電式互感器及有源電子式互感器,如磁光電流互感器(MOCTMagneto-OpticCurrentTransducer)、電光電壓互感器(EOVTElectro-OpticVoltageTransducer)、組合式光學測量單元(OMUOpticalMeteringUnit)、數字光學儀用互感器(DOITDigitalOpticalInstrumentTransformer)等。其電子式互感器已在插接式智能組合電器(PASS)、SF6氣體絕緣開關(GIS)、高壓直流(HVDC)及中低壓開關柜中得到應用。2.1.1電流和電壓傳感器圖7所示為ABB研制的電流電壓組合式光學測量單元(OMU),電流傳感器位于OMU的頂部,電壓傳感器位于OMU的中部,硅橡膠復合絕緣子內充SF6絕緣氣體。電流傳感器的工作基于Faraday磁光效應,電壓傳感器的工作基于縱向調制Pockels電光效應。圖8和圖9分別為電流傳感器和電壓傳感器的結構。OMU可方便地分解為磁光電流互感器及電光電壓互感器。242VOMU的質量為142.9kg,550kVOMU的質量為276.7kg。ABB研制的OMU的有關技術參數如表1所示。2.1.2基于pld的雙系統光電子測量電壓測量原理圖10所示為ABB研制的數字光學儀用互感器(DOIT)。DOIT是一種有源電子式電流電壓組合互感器,其測量電流的工作原理如圖11所示,圖中PLD是光致發光二極管(PhotoluminescenceDiode)。PLD一方面可將波長為λ1的光轉換為電能供高壓側電路工作,另一方面可將經高壓側電子電路處理后載有被測電流信息的數字電信號轉換為波長為λ2的數字光信號。DOIT測量電壓的原理是利用復合絕緣子內的電容分壓器進行分壓,然后用與測量電流類似的電子裝置進行處理。DOIT的有關技術參數如表2所示。2.1.3電流和電壓的測量圖12所示為ABB研制的用于PASS和GIS中的有源電子式電流電壓組合互感器。電流的測量采用Rogowski線圈,電壓的測量利用電容環分壓原理。信號處理單元將被測電流電壓信息轉換為數字光信號進行傳輸,信號處理單元的工作電源由外部提供。2.1.4電子式整體廣的電子式整體廣圖13為ABB研制的用于新型智能化開關柜(i-ZS1)中的電子式互感器。其電流的測量基于Rogowski線圈,電壓的測量基于電阻分壓。2.2alstom公司的電子式整體傳感技術ALSTOM公司主要研究無源電子式互感器,目前已研制出123kV至756kV的光學電流互感器(CTOCurrentTransformerwithOpticalsensors)、光學電壓互感器(VTOVoltageTransformerwithOpticalsensors)及組合式光學電流電壓互感器(CMOCombinedMeasurementcurrent-voltagetransformerwithOpticalsensors)等電子式互感器。自1995年以來,ALSTOM公司的電子式互感器已有多臺在歐洲及北美運行。無源組合式光學電流電壓互感器(CMO),其電流傳感器的工作基于Faraday磁光效應,電壓傳感器的工作基于橫向調制Pockels電光效應。電流傳感器和電壓傳感器均位于互感器的頂部,被測高壓先經電容分壓器分壓,然后加至光學電壓傳感器上。ALSTOM公司研制的電子式互感器的有關技術參數如表3所示。2.3國內研究現狀目前我國有清華大學、電力科學研究院、武漢高壓研究所、華中科技大學、上海互感器廠、沈陽變壓器制造有限公司、順德特種變壓器廠、西安高壓開關廠及南瑞繼保電氣有限公司等單位在從事電子式互感器的研制工作,且已有多種樣機研制出來,但絕大多數僅限于實驗室階段,還沒有實用化產品投入運行。我國的電子式互感器的研究還處于跟蹤國外大公司(如ABB、ALSTOM等公司)的水平。前幾年,國內各單位的研究重點主要是無源光電式互感器,如華中科技大學1998年曾研制出110kV光學電流、電壓互感器,并在廣東新會掛網試運行。近年來,由于有源電子式互感器的技術較為成熟,且便于工業化生產,國內多家研制單位已開始注重有源電子式互感器的研究,如南瑞繼保電氣有限公司已研制出可用于110kV及220kVGIS的有源電子式電流互感器,實驗表明在(-40～+40)℃范圍內,其計量精度達到0.2級。3電子式傳感技術應用分析目前,電子式互感器已有國際標準IEC60044-7(電子式電壓互感器)和IEC60044-8(電子式電流互感器),標準對電子式互感器的構成、試驗及輸出接口等進行了規定。標準的制定將進一步規范并推進電子式互感器的研制及推廣應用。國內外研究實踐表明,電子式互感器具有明顯的技術和價格優勢,估計110kV電子式互感器每臺成本約1萬元左右,220kV電子式互感器每臺成本約2萬元左右。因絕緣結構簡單,電壓等級越高,電子式互感器的價格優勢越明顯。目前研究較為成熟并投入變電站運行的主要是有源電子式互感器,應用場合主要有高壓直流輸電、SF6氣體絕緣開關(GIS)及中低壓開關柜等。無源光電互感器因其一次側光學電