電子式互感器的技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用前景

1、電子式互感器的技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用前景南京南瑞繼保電氣有限公司 一、電子式互感器的發(fā)展背景一、電子式互感器的發(fā)展背景 電流和電壓互感器是電力系統(tǒng)進(jìn)行電流、電壓測(cè)量的重要設(shè)備，其精度及可靠性與電力系統(tǒng)的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行密切相關(guān)。傳統(tǒng)的電流和電壓互感器是電磁感應(yīng)式的，具有類似變壓器的結(jié)構(gòu)。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)傳輸?shù)碾娏θ萘坎粩嘣黾?，電網(wǎng)運(yùn)行電壓等級(jí)也越來(lái)越高，目前，俄羅斯已有1150kV的骨干電網(wǎng)，我國(guó)也已將原來(lái)220kV的骨干電網(wǎng)提高到了500kV，年初國(guó)網(wǎng)公司已將1000kV的輸電線路納入近幾年的發(fā)展規(guī)劃。隨著電壓等級(jí)的提高，電磁式互感器逐漸暴露出一系列固有的缺點(diǎn)： （1）絕緣結(jié)構(gòu)越來(lái)越

2、復(fù)雜，產(chǎn)品的造價(jià)也越來(lái)越高，產(chǎn)品重量大，支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜。（2）電磁式電流互感器固有的磁飽和現(xiàn)象，一次電流較大時(shí)會(huì)使二次輸出發(fā)生畸變，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響繼電保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行，造成拒動(dòng)或誤動(dòng)。（3）電磁式互感器的輸出為模擬量，不能與數(shù)字化二次設(shè)備直接接口，不利于電力系統(tǒng)的數(shù)字化進(jìn)程。 自二十世紀(jì)七十年代以來(lái)，人們一直在尋求一種安全、可靠、理論完善、性能優(yōu)越的新方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)高電壓大電流的測(cè)量?；诠鈱W(xué)傳感技術(shù)的光學(xué)電流互感器（ Optical Current Transformer，簡(jiǎn)稱OCT）和光學(xué)電壓互感器（Optical Voltage Transformer，簡(jiǎn)稱OVT）能有效克服傳統(tǒng)電磁式互感

3、器的缺點(diǎn)，近20年來(lái)一直受到美國(guó)、日本、法國(guó)和中國(guó)等國(guó)學(xué)者和工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注和深入研究，先后研制出多種樣機(jī)并掛網(wǎng)試運(yùn)行，但由于溫度穩(wěn)定性和工藝一致性等問(wèn)題不易解決，至今還沒(méi)有批量生產(chǎn)和使用。 近年來(lái)，隨著光電子技術(shù)、微電子技術(shù)及光纖通信技術(shù)的發(fā)展，有源電子式互感器得到快速發(fā)展，并有不少產(chǎn)品在變電站現(xiàn)場(chǎng)獲得應(yīng)用。有源電子式互感器采用空芯線圈或低功耗鐵芯線圈感應(yīng)被測(cè)電流，置于高壓側(cè)的遠(yuǎn)端模塊將線圈的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字光信號(hào)經(jīng)光纖送至控制室。有源電子式互感器同無(wú)源電子式互感器（光學(xué)電流電壓互感器）一樣能有效克服傳統(tǒng)電磁式互感器的缺點(diǎn)，有源光電互感器的溫度穩(wěn)定性較易解決，便于批量化生產(chǎn)，是目前研

4、制及應(yīng)用的主流。 二、二、 電子式互感器及其分類電子式互感器及其分類 電子式互感器是利用電子測(cè)量技術(shù)和光纖傳感技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電流、電壓測(cè)量的新型互感器。它包括基于光學(xué)傳感原理的互感器，也包括其它各種利用電子測(cè)試原理的電流電壓互感器。電子式互感器的種類很多，但大致可分為有源型和無(wú)源型兩種。有源型電子式互感器利用電磁感應(yīng)原理感應(yīng)被測(cè)信號(hào)，利用光纖傳輸信號(hào)，在傳感頭部分需用電源供電的電子電路；無(wú)源型電子式互感器利用Faraday磁光效應(yīng)（電流互感器）和Pockels電光效應(yīng)（電壓互感器）感應(yīng)被測(cè)信號(hào)，利用光纖傳輸信號(hào)，在傳感頭部分不需電源。兩者的結(jié)構(gòu)各異，但他們和傳統(tǒng)的電磁式互感器比較起來(lái)，均具

5、有類似的種種優(yōu)點(diǎn)。 電子式互感器與傳統(tǒng)的電磁式互感器的不同主要表現(xiàn)在如下三個(gè)方面： 傳感原理不同。電子式互感器通常是基于電子測(cè)量原理或光纖傳感原理，從而使互感器具有很好的線性度和較寬的頻率范圍。 絕緣結(jié)構(gòu)不同。電子式互感器的絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，互感器的價(jià)格、體積、重量等隨電壓等級(jí)的升高增加不多。 輸出信號(hào)不同。電子式互感器的輸出為數(shù)字信號(hào)或弱電模擬信號(hào)（如4V），便于與數(shù)字化保護(hù)和測(cè)控設(shè)備接口。 三、電子式互感器的結(jié)構(gòu)三、電子式互感器的結(jié)構(gòu) 據(jù)使用場(chǎng)合的不同，電子式互感器的結(jié)構(gòu)亦有所不同。下面介紹幾種典型的電子式互感器的結(jié)構(gòu)。 下圖所示為一種典型的電子式電流互感器的結(jié)構(gòu)示意圖。 傳感頭光纖二次轉(zhuǎn)換器

6、測(cè)量保護(hù)數(shù)字量輸出(無(wú)源或有源) 下圖所示為一種光學(xué)電壓互感器的結(jié)構(gòu)示意圖。 二次轉(zhuǎn)換器測(cè)量保護(hù)數(shù)字量輸出光學(xué)電壓傳感頭光纖SF6 下圖所示為一種GIS用組合型電子式電流電壓互感器的結(jié)構(gòu)示意圖。 Rogowski線圈電容環(huán)數(shù) 字 變 換器光纜a為一次導(dǎo)桿，b為SF6氣體，c為電容分壓器的中間電極，d為空芯線圈，e為接地外殼，f為數(shù)字變換器 四、四、電子式互感器的優(yōu)點(diǎn)電子式互感器的優(yōu)點(diǎn) 與傳統(tǒng)電磁感應(yīng)式電流互感器相比，電子式電流互感器具有如下一系列優(yōu)點(diǎn)：1、高低壓完全隔離，安全性高，具有優(yōu)良的絕緣性能和優(yōu)越的性價(jià)比電磁式互感器的被側(cè)高壓信號(hào)與二次線圈之間通過(guò)鐵芯耦合，它們之間的絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其造

7、價(jià)隨電壓等級(jí)呈指數(shù)關(guān)系上升。電子式互感器將高壓側(cè)信號(hào)通過(guò)絕緣性能很好的光纖傳輸?shù)蕉卧O(shè)備，這使得其絕緣結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，電壓等級(jí)越高其性價(jià)比優(yōu)勢(shì)越明顯。電子式互感器利用光纜而不是電纜作為信號(hào)傳輸工具，實(shí)現(xiàn)了高低壓的徹底隔離，不存在電壓互感器二次回路短路或電流互感器二次開路給設(shè)備和人身造成的危害，安全性和可靠性大大體高。 2、不含鐵芯，消除了磁飽和和鐵磁諧振等問(wèn)題電磁式電流互感器由于使用了鐵芯，不可避免地存在磁飽和及鐵磁諧振等問(wèn)題。電子式互感器在原理上與傳統(tǒng)互感器有著本質(zhì)的區(qū)別，一般不用鐵芯做磁耦合，因此消除了磁飽和及鐵磁諧振現(xiàn)象，從而使互感器運(yùn)行暫態(tài)響應(yīng)好，穩(wěn)定性好，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的高可靠性。3、

8、抗電磁干擾性能好，低壓邊無(wú)開路高壓危險(xiǎn)電磁式電流互感器二次回路不能開路，低壓邊存在開路危險(xiǎn)。ECT的高壓邊與低壓邊之間只存在光纖聯(lián)系，信號(hào)通過(guò)光纖傳輸，高壓回路與二次回路在電氣上完全隔離，互感器具有較好的抗電磁干擾能力，且抵壓側(cè)無(wú)開路高壓危險(xiǎn)。 4、動(dòng)態(tài)范圍大，測(cè)量精度高電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，電流互感器流過(guò)的電流并不大，但短路電流一般很大，而且隨著電網(wǎng)容量的增加，短路電流越來(lái)越大。電磁式電流互感器因存在磁飽和問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)大范圍測(cè)量，一臺(tái)互感器很難同時(shí)滿足高精度計(jì)量和繼電保護(hù)的需要。電子式互感器有很寬的動(dòng)態(tài)范圍，一臺(tái)電子式互感器可同時(shí)滿足計(jì)量和繼電保護(hù)的需要。5、頻率響應(yīng)范圍寬電子式互感器的頻率范圍

9、主要取決于相關(guān)的電子線路部分，頻率響應(yīng)范圍較寬。電子式互感器可以測(cè)出高壓電力線上的諧波，還可進(jìn)行電網(wǎng)電流暫態(tài)、高頻大電流與直流的測(cè)量。而電磁式互感器是難以進(jìn)行這方面的工作的。 6、沒(méi)有因充油而潛在的易燃、易爆炸等危險(xiǎn)電子式互感器的絕緣結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，一般不采用油做為絕緣介質(zhì)，不會(huì)引起火災(zāi)和爆炸等危險(xiǎn)。7、 體積小、重量輕電子式互感器無(wú)鐵芯，其重量較相同電壓等級(jí)的電磁式互感器小很多。美國(guó)西屋公司公布的345kV的MOCT的重量為109kg，而相同電壓等級(jí)的油浸式電流互感器的重量有2噸左右，這給運(yùn)輸和安裝帶來(lái)了很大的方便。 8、適應(yīng)了電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的需要隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展

10、，電力計(jì)量與繼電保護(hù)已日漸實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、微機(jī)化。電磁式電流互感器的5A或1A輸出必需經(jīng)過(guò)相應(yīng)的隔離變換才能與數(shù)字化保護(hù)和測(cè)控設(shè)備接口，而電子式互感器本身就是利用光電技術(shù)的數(shù)字化設(shè)備，可直接與數(shù)字化保護(hù)和測(cè)控設(shè)備接口，避免中間環(huán)節(jié)。 綜上所述，電子式互感器以其優(yōu)越的性能、明顯的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會(huì)效應(yīng)，對(duì)于保證日益龐大和復(fù)雜的電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，并提高其自動(dòng)化程度具有深遠(yuǎn)的意義。 五、五、電子式互感器的原理電子式互感器的原理 1、無(wú)源電子式電流互感器（光學(xué)電流互感器）的工作原理 光學(xué)電流傳感器的工作原理一般是采用Faraday磁光效應(yīng)。 下圖所示為一種光學(xué)電流傳感器的實(shí)物圖。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)全光纖型

11、光學(xué)電流互感器給予了更多的關(guān)注，下圖所示為全光纖光學(xué)電流互感器結(jié)構(gòu)示意圖。 2、無(wú)源電子式電壓互感器（光學(xué)電壓互感器）的工作原理 光學(xué)電壓傳感器的工作原理一般是采用Pockels電光效應(yīng)。 下圖所示為一種橫向調(diào)制光學(xué)電壓傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 無(wú)源電子式互感器（光學(xué)電流電壓互感器）的關(guān)鍵技術(shù)在于光學(xué)傳感材料、傳感頭的結(jié)構(gòu)、傳感頭的組裝工藝等。環(huán)境溫度變化會(huì)在傳感材料內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力雙折射，溫度變化引起的應(yīng)力雙折射疊加在Faraday磁光效應(yīng)及Pockels電光效應(yīng)上從而影響電流電壓的測(cè)量精度。另外光學(xué)器件的分散性及光學(xué)器件組裝工藝的特殊性使得傳感頭的一致性很難保證。多年來(lái)國(guó)內(nèi)外雖然研制出多種光學(xué)電流/電

12、壓互感器樣機(jī)，但均未批量生產(chǎn)及應(yīng)用。 3、有源電子式電流互感器的工作原理 有源電子式電流互感器采用空芯線圈或低功耗鐵芯線圈等傳感元件感應(yīng)被測(cè)大電流，位于高壓側(cè)的電子模塊將線圈的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字光信號(hào)由光纖按規(guī)定的協(xié)議下傳至低壓側(cè)。 電子模塊激光器PIN合并單元母線線圈光纖 基于空芯線圈（Rogowski線圈）的有源電子式電流互感器是目前應(yīng)用較多的電子式電流互感器，它既可用于氣體絕緣開關(guān)GIS和PASS中的電流互感器又可用于獨(dú)立式電流互感器。Rogowski線圈是將線圈均勻地繞在一個(gè)非磁性環(huán)形骨架上，被測(cè)電流從線圈中心穿過(guò)，如下圖所示。 dtdinsv0 有源電子式電壓互感器一般采用電容分壓或

13、電阻分壓技術(shù)，利用與有源電子式電流互感器類似的電子模塊處理信號(hào)，并利用光纖傳輸信號(hào)。 有源電子式互感器高壓側(cè)的電子模塊需工作電原，利用激光供電技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓側(cè)電子模塊的供電是目前普遍采用的方法，這也是有源電子式互感器的關(guān)鍵技術(shù)之一。激光供電安全可靠，是一種新興的高新技術(shù)。此外空芯線圈的抗干擾技術(shù)及遠(yuǎn)端電子模塊低功耗設(shè)計(jì)等也是有源電子式互感器的關(guān)鍵之處。有源光電互感器同光學(xué)電流電壓互感器一樣能有效克服傳統(tǒng)電磁式互感器的缺點(diǎn)，有源光電互感器的溫度穩(wěn)定性較易解決，便于批量化生產(chǎn)，目前已有不少產(chǎn)品在變電站現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行（如高壓直流輸電、串補(bǔ)等）。 六、電子式互感器的輸出及其與二次設(shè)備的接口 據(jù)電子式互感器國(guó)

14、際標(biāo)準(zhǔn)IEC60044-7/8，電子式互感器有兩種輸出方式：模擬信號(hào)輸出和數(shù)字信號(hào)輸出。ECT模擬輸出的額定值為4V（測(cè)量）及200mV（保護(hù)），數(shù)字輸出的額定值為2D41H（測(cè)量）及01CFH（保護(hù)）。EVT模擬輸出的額定值為4V，數(shù)字輸出的額定值為2D41H. 實(shí)現(xiàn)電子式互感器與二次設(shè)備的接口主要有兩種方式。方式一是將電子式互感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為低壓模擬量，此時(shí)二次設(shè)備無(wú)需改動(dòng)，其A/D轉(zhuǎn)換器依舊保留。方式二是數(shù)字化輸出的電子式互感器直接與數(shù)字式二次設(shè)備相連，此時(shí)二次設(shè)備上的隔離變壓器和A/D轉(zhuǎn)換器均可省略。無(wú)論從系統(tǒng)可靠性或技術(shù)發(fā)展角度考慮，方式二更具優(yōu)勢(shì)和革新意義。 國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)

15、制定了IEC60044-8和IEC61850-9-1等標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電子式互感器與保護(hù)測(cè)控設(shè)備的數(shù)字式接口進(jìn)行了規(guī)范。這些標(biāo)準(zhǔn)均定義了接口的重要組成部分-合并單元，并嚴(yán)格規(guī)范了它與保護(hù)測(cè)控設(shè)備的接口方式。 合并單元的主要功能是同步采集多路ECT/EVT輸出的數(shù)字信號(hào)并按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的格式發(fā)送給保護(hù)測(cè)控設(shè)備。 七、國(guó)內(nèi)外電子式互感器的研究進(jìn)展 ABB和ALSTHOM等國(guó)外大公司早在二十世紀(jì)八十年代就已開始電子式互感器的研究。目前，ABB、ALSTHOM、MITSUBISHI、 SIEMENS等公司已研制出各種電壓等級(jí)的電子式互感器并投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。這些公司研制及應(yīng)用電子式互感器的情況可概括為如下幾個(gè)方面。

16、 (1) ABB及ALSTHOM約十年前研制出基于Faraday磁光效應(yīng)的無(wú)源電子式電流互感器和基于Pockels電光效應(yīng)的無(wú)源電子式電壓互感器，產(chǎn)品計(jì)量精度達(dá)到0.2級(jí)，滿足實(shí)用化要求。但至今很少看到無(wú)源電子式互感器實(shí)際運(yùn)用的報(bào)道。前兩年，NxtPhase公司研制出全光纖無(wú)源電子式電流互感器，其計(jì)量精度滿足0.2級(jí)要求，目前處于試運(yùn)行階段。 (2) 基于空芯線圈、低功耗鐵芯CT及激光供電等技術(shù)的有源電子式互感器是目前各公司推廣應(yīng)用的重點(diǎn)，已有不少工程使用有源電子式互感器?，F(xiàn)在，ABB及SIEMENS在高壓直流輸電工程使用的互感器多數(shù)均為有源電子式互感器，其電流互感器使用分流器、空芯線圈及光供

17、電等技術(shù)，電壓互感器主要使用電阻分壓等技術(shù)。 (3) 智能化氣體絕緣開關(guān)（GIS）是各公司推廣應(yīng)用有源電子式互感器的另一個(gè)主要方面。智能化GIS中，電流互感器采用空芯線圈，電壓互感器采用電容分壓技術(shù)，輸出信號(hào)以數(shù)字形式經(jīng)光纖傳輸。在這方面，ABB、MITSUBISHI、ALSTHOM及SIEMENS等均有相應(yīng)產(chǎn)品。 (4) 各公司推廣應(yīng)用有源電子式互感器的其他方面還有高至765kV的獨(dú)立式互感器、中低壓開關(guān)柜等。 下面對(duì)ABB和ALSTOM等公司近年來(lái)研制的有代表性的電子式互感器進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。1、ABB公司1.1 MOCT（Magneto-Optic Current Transducer） 各

18、種電壓等級(jí)的MOCT MOCT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1.2 OMU（Optical Metering Unit) OMU的技術(shù)參數(shù)1.3 DOIT（Digital Optical Instrument Transformers)運(yùn)行中的DOIT1.4 PASS及GIS中使用的組合式電流/電壓互感器1.5 HVDC中使用的 電子式電流互感器1.6 開關(guān)柜（i-ZS1) 中使用的電子式互感器2.1 CTO（Current Transformer with Optical sensors）2、ALSTOM公司2.2 BMO（Bus Mounted Optical current sensor）2.3 CMO

19、（Combined Measurment current-voltage transformer with Optical sensors）3、 國(guó)內(nèi)研究情況 目前我國(guó)有清華大學(xué)、電力科學(xué)研究院、華中科技大學(xué)、許繼電氣、西安高壓開關(guān)廠、國(guó)電南自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(jī)研制出來(lái)，部分樣機(jī)已可滿足實(shí)用化要求。我國(guó)電子式互感器的研究總體上還處于跟蹤國(guó)外大公司如ABB、ALSTOM等公司的水平。前幾年，國(guó)內(nèi)各單位的研究重點(diǎn)主要是無(wú)源光電式互感器。近年來(lái)，由于有源電子式互感器的技術(shù)較為成熟且便于工業(yè)化生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)多家研制單位已開始注重有源電子式互感器的研究，

20、如國(guó)電南自研制的220kV獨(dú)立式有源電子式互感器已經(jīng)過(guò)掛網(wǎng)試運(yùn)行，南京南瑞繼保電氣有限公司與西安高壓開關(guān)廠合作研制的220kV GIS用有源電子式電流電壓互感器樣機(jī)已在武漢高電壓研究所完成型式試驗(yàn)。 八、電子式互感器的應(yīng)用前景 電子式互感器的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC60044-7、IEC60044-8已經(jīng)分別于1999年12月和2002年07月成為正式國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于變電站以太網(wǎng)通訊的IEC61850一組協(xié)議已在2004年成為正式標(biāo)準(zhǔn)。其中與電子式互感器有關(guān)的部分為IEC61850-9-1和IC61850-9-2?？梢哉f(shuō)基本的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)具備。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電子式互感器的構(gòu)成、試驗(yàn)及輸出接口等進(jìn)行了規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)的制定將進(jìn)一步規(guī)范并推進(jìn)電子式互感器的研制及推廣應(yīng)用。 中國(guó)是世界上電力工業(yè)發(fā)展最快的國(guó)家之一，變電站建設(shè)規(guī)模大，另一方面人均耕地少，節(jié)約變電站建設(shè)用地意義重大。在城市電網(wǎng)改造過(guò)程中，將會(huì)大量采用地下變電站，更加需要變電站的緊湊化設(shè)計(jì)。采用電子式互感器及與之配套的保護(hù)控制設(shè)備可以節(jié)省大量電纜，減少占地面積，節(jié)省建設(shè)投資，提高變電站自動(dòng)化水平，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，減少運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。 電子式互感器的應(yīng)