电子式互感器的技术发展及应用前景

电子式互感器的技术发展及应用前景南京南瑞继保电气有限公司一、电子式互感器的发展背景电流和电压互感器是电力系统进行电流、电压测量的重要设备，其精度及可靠性与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关。传统的电流和电压互感器是电磁感应式的，具有类似变压器的结构。随着电力工业的发展，电力系统传输的电力容量不断增加，电网运行电压等级也越来越高，目前，俄罗斯已有1150kV的骨干电网，我国也已将原来220kV的骨干电网提高到了500kV，年初国网公司已将1000kV的输电线路纳入近几年的发展规划。随着电压等级的提高，电磁式互感器逐渐暴露出一系列固有的缺点：（1）绝缘结构越来越复杂，产品的造价也越来越高，产品重量大，支撑结构复杂。（2）电磁式电流互感器固有的磁饱和现象，一次电流较大时会使二次输出发生畸变，严重时会影响继电保护设备的运行，造成拒动或误动。（3）电磁式互感器的输出为模拟量，不能与数字化二次设备直接接口，不利于电力系统的数字化进程。自二十世纪七十年代以来，人们一直在寻求一种安全、可靠、理论完善、性能优越的新方法来实现电力系统高电压大电流的测量。基于光学传感技术的光学电流互感器（OpticalCurrentTransformer，简称OCT）和光学电压互感器（OpticalVoltageTransformer，简称OVT）能有效克服传统电磁式互感器的缺点，近20年来一直受到美国、日本、法国和中国等国学者和工程技术人员的广泛关注和深入研究，先后研制出多种样机并挂网试运行，但由于温度稳定性和工艺一致性等问题不易解决，至今还没有批量生产和使用。近年来，随着光电子技术、微电子技术及光纤通信技术的发展，有源电子式互感器得到快速发展，并有不少产品在变电站现场获得应用。有源电子式互感器采用空芯线圈或低功耗铁芯线圈感应被测电流，置于高压侧的远端模块将线圈的输出信号转换为数字光信号经光纤送至控制室。有源电子式互感器同无源电子式互感器（光学电流电压互感器）一样能有效克服传统电磁式互感器的缺点，有源光电互感器的温度稳定性较易解决，便于批量化生产，是目前研制及应用的主流。二、电子式互感器及其分类电子式互感器是利用电子测量技术和光纤传感技术来实现电力系统电流、电压测量的新型互感器。它包括基于光学传感原理的互感器，也包括其它各种利用电子测试原理的电流电压互感器。电子式互感器的种类很多，但大致可分为有源型和无源型两种。有源型电子式互感器利用电磁感应原理感应被测信号，利用光纤传输信号，在传感头部分需用电源供电的电子电路；无源型电子式互感器利用Faraday磁光效应（电流互感器）和Pockels电光效应（电压互感器）感应被测信号，利用光纤传输信号，在传感头部分不需电源。两者的结构各异，但他们和传统的电磁式互感器比较起来，均具有类似的种种优点。电子式互感器与传统的电磁式互感器的不同主要表现在如下三个方面：⑴传感原理不同。电子式互感器通常是基于电子测量原理或光纤传感原理，从而使互感器具有很好的线性度和较宽的频率范围。⑵绝缘结构不同。电子式互感器的绝缘结构简单，互感器的价格、体积、重量等随电压等级的升高增加不多。⑶输出信号不同。电子式互感器的输出为数字信号或弱电模拟信号（如4V），便于与数字化保护和测控设备接口。三、电子式互感器的结构据使用场合的不同，电子式互感器的结构亦有所不同。下面介绍几种典型的电子式互感器的结构。下图所示为一种典型的电子式电流互感器的结构示意图。传感头光纤二次转换器测量保护数字量输出(无源或有源)下图所示为一种光学电压互感器的结构示意图。二次转换器测量保护数字量输出光学电压传感头光纤SF6下图所示为一种GIS用组合型电子式电流电压互感器的结构示意图。Rogowski线圈电容环数字变换器光缆a为一次导杆，b为SF6气体，c为电容分压器的中间电极，d为空芯线圈，e为接地外壳，f为数字变换器四、电子式互感器的优点与传统电磁感应式电流互感器相比，电子式电流互感器具有如下一系列优点：1、高低压完全隔离，安全性高，具有优良的绝缘性能和优越的性价比电磁式互感器的被侧高压信号与二次线圈之间通过铁芯耦合，它们之间的绝缘结构复杂，其造价随电压等级呈指数关系上升。电子式互感器将高压侧信号通过绝缘性能很好的光纤传输到二次设备，这使得其绝缘结构大大简化，电压等级越高其性价比优势越明显。电子式互感器利用光缆而不是电缆作为信号传输工具，实现了高低压的彻底隔离，不存在电压互感器二次回路短路或电流互感器二次开路给设备和人身造成的危害，安全性和可靠性大大体高。2、不含铁芯，消除了磁饱和和铁磁谐振等问题电磁式电流互感器由于使用了铁芯，不可避免地存在磁饱和及铁磁谐振等问题。电子式互感器在原理上与传统互感器有着本质的区别，一般不用铁芯做磁耦合，因此消除了磁饱和及铁磁谐振现象，从而使互感器运行暂态响应好，稳定性好，保证了系统运行的高可靠性。3、抗电磁干扰性能好，低压边无开路高压危险电磁式电流互感器二次回路不能开路，低压边存在开路危险。ECT的高压边与低压边之间只存在光纤联系，信号通过光纤传输，高压回路与二次回路在电气上完全隔离，互感器具有较好的抗电磁干扰能力，且抵压侧无开路高压危险。4、动态范围大，测量精度高电网正常运行时，电流互感器流过的电流并不大，但短路电流一般很大，而且随着电网容量的增加，短路电流越来越大。电磁式电流互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量，一台互感器很难同时满足高精度计量和继电保护的需要。电子式互感器有很宽的动态范围，一台电子式互感器可同时满足计量和继电保护的需要。5、频率响应范围宽电子式互感器的频率范围主要取决于相关的电子线路部分，频率响应范围较宽。电子式互感器可以测出高压电力线上的谐波，还可进行电网电流暂态、高频大电流与直流的测量。而电磁式互感器是难以进行这方面的工作的。6、没有因充油而潜在的易燃、易爆炸等危险电子式互感器的绝缘结构相对简单，一般不采用油做为绝缘介质，不会引起火灾和爆炸等危险。7、体积小、重量轻电子式互感器无铁芯，其重量较相同电压等级的电磁式互感器小很多。美国西屋公司公布的345kV的MOCT的重量为109kg，而相同电压等级的油浸式电流互感器的重量有2吨左右，这给运输和安装带来了很大的方便。8、适应了电力系统数字化、智能化和网络化发展的需要随着计算机和数字技术的发展，电力计量与继电保护已日渐实现自动化、微机化。电磁式电流互感器的5A或1A输出必需经过相应的隔离变换才能与数字化保护和测控设备接口，而电子式互感器本身就是利用光电技术的数字化设备，可直接与数字化保护和测控设备接口，避免中间环节。综上所述，电子式互感器以其优越的性能、明显的经济效应和社会效应，对于保证日益庞大和复杂的电力系统安全可靠运行，并提高其自动化程度具有深远的意义。五、电子式互感器的原理1、无源电子式电流互感器（光学电流互感器）的工作原理光学电流传感器的工作原理一般是采用Faraday磁光效应。下图所示为一种光学电流传感器的实物图。近年来，国内外对全光纤型光学电流互感器给予了更多的关注，下图所示为全光纤光学电流互感器结构示意图。2、无源电子式电压互感器（光学电压互感器）的工作原理光学电压传感器的工作原理一般是采用Pockels电光效应。下图所示为一种横向调制光学电压传感器的结构示意图无源电子式互感器（光学电流电压互感器）的关键技术在于光学传感材料、传感头的结构、传感头的组装工艺等。环境温度变化会在传感材料内产生应力双折射，温度变化引起的应力双折射叠加在Faraday磁光效应及Pockels电光效应上从而影响电流电压的测量精度。另外光学器件的分散性及光学器件组装工艺的特殊性使得传感头的一致性很难保证。多年来国内外虽然研制出多种光学电流/电压互感器样机，但均未批量生产及应用。3、有源电子式电流互感器的工作原理有源电子式电流互感器采用空芯线圈或低功耗铁芯线圈等传感元件感应被测大电流，位于高压侧的电子模块将线圈的输出信号转换为数字光信号由光纤按规定的协议下传至低压侧。电子模块激光器PIN合并单元母线线圈光纤基于空芯线圈（Rogowski线圈）的有源电子式电流互感器是目前应用较多的电子式电流互感器，它既可用于气体绝缘开关GIS和PASS中的电流互感器又可用于独立式电流互感器。Rogowski线圈是将线圈均匀地绕在一个非磁性环形骨架上，被测电流从线圈中心穿过，如下图所示。dtdinsv0有源电子式电压互感器一般采用电容分压或电阻分压技术，利用与有源电子式电流互感器类似的电子模块处理信号，并利用光纤传输信号。有源电子式互感器高压侧的电子模块需工作电原，利用激光供电技术实现对高压侧电子模块的供电是目前普遍采用的方法，这也是有源电子式互感器的关键技术之一。激光供电安全可靠，是一种新兴的高新技术。此外空芯线圈的抗干扰技术及远端电子模块低功耗设计等也是有源电子式互感器的关键之处。有源光电互感器同光学电流电压互感器一样能有效克服传统电磁式互感器的缺点，有源光电互感器的温度稳定性较易解决，便于批量化生产，目前已有不少产品在变电站现场运行（如高压直流输电、串补等）。六、电子式互感器的输出及其与二次设备的接口据电子式互感器国际标准IEC60044-7/8，电子式互感器有两种输出方式：模拟信号输出和数字信号输出。ECT模拟输出的额定值为4V（测量）及200mV（保护），数字输出的额定值为2D41H（测量）及01CFH（保护）。EVT模拟输出的额定值为4V，数字输出的额定值为2D41H.实现电子式互感器与二次设备的接口主要有两种方式。方式一是将电子式互感器的输出信号转化为低压模拟量，此时二次设备无需改动，其A/D转换器依旧保留。方式二是数字化输出的电子式互感器直接与数字式二次设备相连，此时二次设备上的隔离变压器和A/D转换器均可省略。无论从系统可靠性或技术发展角度考虑，方式二更具优势和革新意义。国际电工技术委员会制定了IEC60044-8和IEC61850-9-1等标准，对电子式互感器与保护测控设备的数字式接口进行了规范。这些标准均定义了接口的重要组成部分---合并单元，并严格规范了它与保护测控设备的接口方式。合并单元的主要功能是同步采集多路ECT/EVT输出的数字信号并按照标准规定的格式发送给保护测控设备。七、国内外电子式互感器的研究进展ABB和ALSTHOM等国外大公司早在二十世纪八十年代就已开始电子式互感器的研究。目前，ABB、ALSTHOM、MITSUBISHI、SIEMENS等公司已研制出各种电压等级的电子式互感器并投入现场运行。这些公司研制及应用电子式互感器的情况可概括为如下几个方面。(1)ABB及ALSTHOM约十年前研制出基于Faraday磁光效应的无源电子式电流互感器和基于Pockels电光效应的无源电子式电压互感器，产品计量精度达到0.2级，满足实用化要求。但至今很少看到无源电子式互感器实际运用的报道。前两年，NxtPhase公司研制出全光纤无源电子式电流互感器，其计量精度满足0.2级要求，目前处于试运行阶段。(2)基于空芯线圈、低功耗铁芯CT及激光供电等技术的有源电子式互感器是目前各公司推广应用的重点，已有不少工程使用有源电子式互感器。现在，ABB及SIEMENS在高压直流输电工程使用的互感器多数均为有源电子式互感器，其电流互感器使用分流器、空芯线圈及光供电等技术，电压互感器主要使用电阻分压等技术。(3)智能化气体绝缘开关（GIS）是各公司推广应用有源电子式互感器的另一个主要方面。智能化GIS中，电流互感器采用空芯线圈，电压互感器采用电容分压技术，输出信号以数字形式经光纤传输。在这方面，ABB、MITSUBISHI、ALSTHOM及SIEMENS等均有相应产品。(4)各公司推广应用有源电子式互感器的其他方面还有高至765kV的独立式互感器、中低压开关柜等。下面对ABB和ALSTOM等公司近年来研制的有代表性的电子式互感器进行简要介绍。1、ABB公司1.1MOCT（Magneto-OpticCurrentTransducer）各种电压等级的MOCTMOCT系统结构示意图1.