電子式互感器的技術性能分析

電子式互感器的技術性能分析

該傳感器是能源行業(yè)的重要設備，用于測量、測量、控制和保護，以及為電氣系統(tǒng)提供必要的電壓信號。它的精度和可靠性與電氣系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和運行密切相關。這是電氣系統(tǒng)不可或缺的設備。近幾年來,電子式互感器的研發(fā)得到很大的發(fā)展,具有很好的應用前景。1國內(nèi)外電子式合理電流傳感技術的應用情況國外各大電氣設備商都開發(fā)了各自的電子式互感器產(chǎn)品,有些已在國內(nèi)直流輸電工程中得到應用。目前國內(nèi)也有不少廠家生產(chǎn)電子式互感器,并在工程中得到了一定的應用。目前國內(nèi)生產(chǎn)的電子式互感器主要類型分為有源式Rogowski線圈互感器、光纖式電子式互感器和磁光玻璃式電子式互感器。電子式互感器(以Rogowski線圈為例)國外有一些掛網(wǎng)運行經(jīng)驗,在國內(nèi)運行經(jīng)驗更為豐富。據(jù)不完全統(tǒng)計,截至2008年6月,國內(nèi)全站采用有源電子式互感器的220kV變電站4個站,110kV變電站20多個站,還有其他大量部分采用電子式互感器的變電站。近期,將有10余個全站采用電子式互感器的220kV變電站投產(chǎn),110kV變電站全站采用更多,有源式電子式互感器已全面進入實用化階段?；诖殴獠ＡЪ児鈱W原理的自適應光學電流互感器在110~500kV變電站內(nèi)不同電壓等級均有應用實例。全光纖電子式互感器近幾年也開始逐步在電網(wǎng)中應用,在個別110kV變電站采用全光纖電子式電流互感器,220kV及500kV變電站已掛網(wǎng)試點運行。2電子表達的分類與性能的比較2.1電子式整體單元電子式互感器通常由傳感模塊和合并單元兩部分構(gòu)成。傳感模塊又稱遠端模塊,安裝在高壓一次側(cè),負責采集、調(diào)理一次電壓/電流并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。合并單元安裝在二次側(cè),負責對各相遠端模塊傳來的信號做同步合并處理。電子式互感器結(jié)構(gòu)基本原理圖如圖1所示。合并單元的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。2.2次傳感器的電輸出轉(zhuǎn)化為光信號根據(jù)一次傳感器部分是否需要提供電源,電子式互感器(如圖3所示)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(zhuǎn)換器就要將一次傳感器的電輸出信號轉(zhuǎn)換為光信號,再由光纖傳輸系統(tǒng)送出去。一次轉(zhuǎn)換器是電子電路,需要電源供電,此類互感器為有源電子式互感器。若一次傳感器是光學原理的,光纖傳輸系統(tǒng)可以直接將光測量信號送出去,就不需要一次轉(zhuǎn)換器,也就無需電源了,此類互感器為無源電子式互感器。2.2.1被測電流i空心線圈的輸出信號e與被測電流i有如下關系式中μ0——真空磁導率;據(jù)上式,利用電子電路對線圈的輸出信號進行積分變換便可求得被測電流i。有源型電子式電流互感器特點是一次傳感器為空心線圈,高壓側(cè)電子器件需要由電源供電方能工作,其原理如圖5所示。2.2.2光學電流整體傳感無源電子式電流互感器亦稱光學電流互感器,基于法拉第(Faraday)磁光效應原理,如圖6所示。線偏振光通過磁場中的Faraday材料(磁光玻璃或光纖)后,偏振光的偏振方向?qū)a(chǎn)生正比于磁感應強度B平行分量的旋轉(zhuǎn),這個旋轉(zhuǎn)角度叫Faraday旋光角φ,由于磁場與產(chǎn)生磁場的電流成正比,因此Faraday旋光角φ與產(chǎn)生磁場的電流成正比。光學電流互感器又可分為兩類:磁光玻璃式電流互感器和全光纖式電流互感器。磁光玻璃式電流互感器的傳感材料采用塊狀磁光玻璃,而全光纖電流互感器則采用玻璃光纖作為傳感材料。當傳感光纖圍繞一次通流導體閉合成環(huán)時,旋光角φ可用下式表示其中,V為光學介質(zhì)的Verdet常數(shù),l為光在介質(zhì)中傳播的距離,H為磁場強度,NL為圍繞通流導體閉合光纖圈數(shù),I為一次電流。由此通過檢測光纖中的旋光角φ可以計算出一次電流。無源型電子式電流互感器的特點是一次傳感器為磁光玻璃,無需電源供電,其原理如圖7所示。全光纖式電流互感器光學傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。光源發(fā)出的激光經(jīng)耦合器后,進入起偏器變成線偏振光。線偏光經(jīng)保偏光纖45°焊接偏振分光、相位調(diào)制器、保偏光纖延時線和波片后變成左、右旋圓偏振光。在光纖傳感環(huán)內(nèi)的一次導體中的電流產(chǎn)生磁場對兩個圓偏振光的Faraday磁光效應作用,使二者產(chǎn)生正比于電流的相位差。兩偏振光在反射鏡處反射后返回,磁場的Faraday磁光效應作用使兩偏振光產(chǎn)生的相位差加倍。相位差攜帶電流信息的兩偏振光在起偏器處干涉,帶有電流信息的光強信號經(jīng)耦合器輸出。探測器進行光電轉(zhuǎn)換,解調(diào)電路從探測器輸出的電信號中解調(diào)出一次電流信息。2.2.3電容器分壓原理有源型電子式電壓互感器主要由分壓器、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(lián)感應分壓器等。被測高壓信號由分壓器從電網(wǎng)中取出,經(jīng)信號預處理、A-D轉(zhuǎn)換及LED轉(zhuǎn)換,以數(shù)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9所示。有源型電子式電壓互感器也可分為GIS和AIS兩種型式。對于有源GIS電子式電壓互感器,其利用電容環(huán)分壓器測量電壓,如圖10所示。為提高電壓測量的精度,改善電壓測量的暫態(tài)特性,在電容分壓器的輸出端并一個精密小電阻。電容分壓器的輸出信號u0與被測電壓ui有如下關系其中,C1為高壓電容,C2為低壓電容。利用電子電路對電壓傳感器的輸出信號進行積分變換便可求得被測電壓。對于有源AIS電子式電壓互感器,通常采用電容器分壓的方式實現(xiàn)對一次電壓的測量,如圖11所示。被測一次高電壓經(jīng)電容分壓器分出一路較低電壓,然后由隔離變壓器變換為小信號送至遠端模塊進行處理成數(shù)字信號。2.2.4光學電壓傳感傳感技術無源型電子式電壓互感器的主要原理就是基于普克爾(Pockels)效應,所謂普克爾效應就是指某些透明的光學介質(zhì)在外電場的作用下,其折射率線性地隨外加電場而變。普克爾效應又稱為線性電光效應。具有電光效應的物質(zhì)很多,但在電力系統(tǒng)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(jù)電光晶體中通光方向與外加電場(電壓)方向的不同,基于普克爾效應的光學電壓互感器可分為橫向調(diào)制光學電壓互感器和縱向調(diào)制光學電壓互感器。光學電壓傳感器是利用普克爾電光效應測量電壓的,如圖12所示。LED發(fā)出的光經(jīng)起偏器后為一線偏振光,在外加電壓作用下,線偏振光經(jīng)電光晶體(如BGO晶體)后發(fā)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(zhuǎn)換為輸出光強的變化,經(jīng)光電變換及相應的信號處理便可求得被測電壓。2.3無源式電流失控制電路目前在實際工程應用中電子式互感器的主流產(chǎn)品中有源式電流互感器(ECT),它主要是羅氏線圈+低功率線圈;電壓互感器(EVT)采用電阻或電容分壓技術;無源式電流互感器(OCT)有法拉第磁光效應和塞格奈克效應;光電電壓互感器(OVT)采取普克爾效應和逆壓電效應。由于其實現(xiàn)原理、構(gòu)成及關鍵技術有較大差異,因此,在一些應用特征上也體現(xiàn)了一定的差別。不同原理的互感器性能比較見表1和表2。3電子傳感器的優(yōu)越性3.1電子式電流傳感電子單元的故障常規(guī)電流互感器的絕緣結(jié)構(gòu)一般采用在高壓瓷套管(或復合材料套管)內(nèi)的油紙絕緣或SF6的氣體絕緣,存在絕緣油、油箱和磁套管等引起的可靠性失效問題,這樣便不可避免地存在易燃、易爆等危險。電子式電流互感器一次傳感單元一般為光學器件或者Rogowski線圈和低功率電流互感器,由于它們均懸浮于高電位側(cè),傳感單元一二次絕緣比較簡單,且與電壓等級的高低關系不大。電磁式電流互感器中由于一二次線圈絕緣性能不良造成的故障問題在電子式電流互感器中不會出現(xiàn)。從絕緣角度看,有源電子式電壓互感器無論是電磁感應方式還是電容分壓方式,測量的都是母線對地的電壓,因此較常規(guī)電容式電壓互感器不可能明顯改變絕緣結(jié)構(gòu)和大幅度降低絕緣成本。3.2電子式電流傳感技術由于電磁式電流互感器采用了鐵心,不可避免地存在磁飽和、鐵磁共振和磁滯效應等問題,電子式電流互感器則不存在這方面問題(對基于LPCT的電子式電流互感器,有其自身的特點,如二次負荷很小,再加上優(yōu)質(zhì)鐵心的采用,使得磁飽和問題不是很突出)。3.3電子式整體廣告設備的可靠性電磁式電流互感器的二次回路不能開路。在二次側(cè)開路的情況下,二次線圈存在開路高壓的危險。由于電子式電流互感器的高壓側(cè)與低壓側(cè)之間沒有電氣連接關系,通過光纖傳遞信號,而光纖具有良好的絕緣性能,能夠保證高壓回路與二次回路在電氣上完全隔離;此外,其二次輸出為低功率電壓信號或者數(shù)字脈沖信號,因此低壓側(cè)無開路高壓危險。因此,從影響常規(guī)互感器可靠性的幾個因素角度考慮,電子式互感器的可靠性將比常規(guī)互感器高。并且,電子式互感器雖然初期投入較高一些,但從全壽命周期成本來看,其基建、安裝和維修成本降低很多,總成本仍能顯著降低。除此之外,電子式互感器體積小、重量輕,節(jié)省空間,功耗極小,節(jié)電效果十分顯著,且具有環(huán)保產(chǎn)品的特征,綜合造價低,隨著電壓升高后這些優(yōu)勢更加明顯。4無源電子式整體傳感檢測能力與表現(xiàn)有源式電子互感器的研究已走在無源式電子互感器的前面,電子式互感器(以Rogowski線圈為例)國外有一些掛網(wǎng)運行經(jīng)驗,在國內(nèi)運行經(jīng)驗更為豐富,國內(nèi)已有20多個站全站采用有源電子式互感器,還有其他大量部分采用電子式互感器的變電站,且運行情況良好,可滿足保護和計量的要求。目前,有源電子式互感器本身具有比無源電子式互感器更好的溫度、抗振動等長期穩(wěn)定性,便于標準化和工業(yè)化批量生產(chǎn),所以盡管也有需要克服的不足,但其適用性和實用性值得肯定,這也是目前大量應用的原因。無源電子式互感器最大技術優(yōu)勢表現(xiàn)在兩個方面:一是傳感頭無需供電(即無源特點),二是可用于直流電流的測量。但目前無源式電子式互感器的技術門檻、制造工藝及成本均明顯高于有源式互感器,限制了其在變電站中的大規(guī)模實際應用。近幾年無源式電子互感器近幾年也開始逐步在電網(wǎng)中應用,隨著溫度穩(wěn)定性和工藝一致性等技術問題的逐漸解決,無源電子式互感器相對有源電子式互感器將有明顯的優(yōu)勢。有源電子式電流互感器