浅谈电子式互感器技术研发的新趋势

浅谈电子式互感器技术研发的新趋势新型电子式互感器作为智能电站关键设备之一，其现场应用效果、技术研发动态倍受业界关注，已成为近年来各类电网技术研讨会上必不可少的话题。我国电力设备制造业对电子式互感器项目进行了长达20多年的理论探索、近10年的应用实践，300多个电站的技术磨合和经验积累，使得这一新兴科技从技术方案到制造工艺，从试验方法到应用规范已初具雏形，特别是国家电网2009年组织进行了四大智能电站试点工程，对不同原理的电子式互感器在不同电压等级、不同一次设备、不同结构类型的电站上进行了集中的试用，2010年又对早期试用的200多座电站进行了普查和调研，首次全面总结了技术优劣和经验得失，在国家电网公司的主导下，改进和完善了试验标准和应用规范，使应用和研发方向开始由“百花齐放”向“需求驱动”转轨，回归到科学、有序、稳健、扎实的发展路线。国网有关管理机构在历次研讨会上强调了严把试验关口、不限原理方案的正确理念，既为各种现代科技成果继续融入电力产品提供充分机会，也为应用目标做了统一的指向，使研发选题避免岐误，向着合理健康高效的方向发展。作为研发者，笔者亲历了几十年来从技术论证、产品研发、现场应用、到工业标准制定的全过程，深感：排除商业短视行为误导，保持我国电子式互感器技术良性发展势头至关重要，从我国电网建设的实际需要出发，正视应用中的问题，规范电子式互感器的技术走向正当其时。一、十年探索初显成效经过多年的试用实践，电子式互感器技术优势已经在一些典型电站上得到验证，成为可点可评的实例。仅以延安750kV变电站为例，该站为我国(也是世界)电压等级最高、规模最大的智能变试点工程，已经成功投运一年并首次全面通过年检。该站对电子式互感器的全面应用，为我国超高压技术条件下，如何采用电子式互感器提供了宝贵的经验，同时实现了一系列重大技术突破。1.该站在750、330、110、66kV各侧全面采用了200多台(套)电子式互感器，尽管原理不尽相同，但均实现了光隔离绝缘或干式绝缘，彻底摒弃沿用百年、结构庞杂的油、气绝缘体系，与“泄、漏、燃、爆”危险永别，不再有环境污染隐患，这是电力发展史上绝无仅有的突破。2.传感器微功率化和传输光纤化两项技术使得一次电器的体积、耗材大为缩小，据初步估算：磁钢材料减少约45吨，合计价值约60多万元;铜线减少约60吨,合计价值约430万元。如果按传统互感器耗能50VA,电子式为5VA,则整站运行一年可节能约16万kWh仪表用电，如果计入省工、节能、等辅项，互感器单项节约耗能材料约合600多万。一台750kV变压器，若采用传统互感器需增重约1.5-2.5吨/每相，750kV断路器需增重约0.6-2.0吨/每相，改为电子式，重量可减小为100-200公斤，以至于变压器、断路器制造厂家在使用中改变了观念，由“无意用”变为“要求用”。3.结构组合、功能复用、网络共享技术共计省去300多个安装点或绕组重复。简化装配工艺，一点测量数据可全网共享，互感器同时实现计量、保护、故障行波测距PMU监测等多重功能，克服传统互感器一对一配置、大量并列电缆、数据不可共享的弊端。其它类型的成功投运站均会有不同程度的经济、环保、科技进步效益，这是电子式互感器发展所追求的目标，也是持续不断地发展这项技术的源动力。二、扩展应用面临EMC严考在看到技术进步明显效果的同时，我们也看到扩展应用中面临的新问题，最集中的表现在应对恶劣电磁环境上，事实证明，这种问题并非是不可逾越的难题，它在很大程度上属于一个技术误区，表现在对电站特殊EMC问题的认知导致的技术措施严重缺失。无论国内、国外，从标准体系、试验方法到设计规范，都没有意识到电站特殊EMI的严重性，至今还没有专门针对高压电站EMI方面的系统试验和理论研究，至少是看不到这方面的文章或学术报告，导致的结果是电子式互感器的工业标准中缺少与电站实际操作等效的试验标准和评测方法。众多制造厂家简单地瞄准现行标准进行研发，即使达到最高级别，也不能完全适应现场应用条件。电子式互感器是一种直接运行在数十万伏高压导线上的电子设备，接受的电磁干扰强度远远超过了其它任何既有电子装置，我们缺乏对这种特有工况的研究和试验，工业标准中，至今没有针对性条款。例如针对电子式互感器的《IEC》、《GB/T》标准都未涉及与现场等效的开关拉弧操作和强电流冲击试验内容和评判标准，现有的EMC试验主要是针对户内电子设备，不能代替电站电磁干扰的物理机制和烈度等级，例如：1)对于空间辐射干扰，GB/T17626.x的试验标准最大为电场强度10V/m，工频磁场或脉冲磁场最大规定为1kA/m。但实际电站上敞开式隔离刀操作时，断口拉弧在附近产生的电场强度峰值高达3kV/m以上;紧靠导线安装的高压传变型互感器，其电子线路将承受高达10-100kA/m量级的磁场冲击干扰，强度约为GB/T17626.x试验标准规定值的数百倍以上，电磁干扰烈度大大超出人们的习惯思维，必须采取超常措施，防护方法显然是个全新的课题。2)对于信号、电源线引入的干扰，GB/T17626.x标准中，主要涉及到导线由空间接收的射频电磁干扰，其试验强度远不及电站上的真实强度。GIS类全封闭组合电器，由VFTO(快速暂态过电压)现象引起的的壳体(地)电位暂态突变——它的干扰峰值强度约在10-30kV，频率约在10-30MHz,这一高压开关类电器特有的干扰现象未能包含在国标试验内容中，它是电子式互感器应用中目前面临的最重要的EMC课题，正是这一现象导致很多组合在一次电器上的互感器故障频发。一般性干扰会导致互感器发出失真数据或通信错误，引起保护设备误判或误动，更严重的会损坏电子器件，使采集电路设备永久失效。综上所述，电磁干扰的防护理论、试验技术、和防护措施事实上已成为电子式互感器推广应用的技术瓶颈，如何应对高压电站的电磁环境，如何与一次封闭电器组合，克服开合操作过程中VFTO现象的破坏作用是一个全新的研究领域，必须跨越老标准和传统思路的限制，创造新试验评估理论和试验方法，研制出新的EMC产品加以解决。在国家电网公司有关部门的主导下，新的试验标准正在讨论和制定中，新标准将增加一些与现场等效的操作试验，以便更加接近电站的真实工况。这是一个正确的导向，必然成为引领互感器技术科学、有序、健康发展的指路标。在此，呼吁电力科研院所，尽快从理论和试验方法上建立电站操作干扰的物理模型和数学模型，做到定量描述干扰作用的机理和时空规律，研制可重复、可定量的等效实验装置，为建立防护措施的针对性和有效性提供理论指导，避免带有偶然性的“试用性”试验。新标准应宽、严适度，着重收紧安全性稳定性指标，放宽其它相关度不大的技术性指标，以利于各种门类的现代科技成果融入互感器产品，保持我国电子式互感器技术创新的良好势头。三、电站强干扰完全可以防护延安750kV智能站上200多台套各种类型的电子式互感器成功投运，750、330侧经受数十次开-合操作试验，成功通过全面年检，也证明了一个事实，即只要措施得当，即便是超高压电站，电磁干扰可以有效防护。这一事实与该站在技术论证阶段一些专家根据当前技术现状所做的预测正好相反，也与个别220kV以下电站EMC问题频发形成反差。其实问题就出在对EMC认识误区上，延安站互感器的研发者已经意识到EMC问题的严重性，采用高于国标、比现场更严酷的等效试验方法，进行了长达6个月的验证试验和技术改进，引导产品EMC技术，一步步达到了预期的防护效果。该站的成功，打破了超高压站抗御电磁干扰技术的禁锢，反映了我国在这一技术领域的最新成果，具有引领和示范作用。正是由于认知上的误区，一些早期电站在设计阶段就埋有EMC隐患，过分追求一些无关紧要的外观指标，忽略电磁防护基本要求，布位、装配方式、接地要求不合理，成为中看不中用摆设。只要正视EMC问题，克服它并不是难题，人们普遍认为，电子式互感器是现代传感器技术、微电子技术、高压绝缘技术、光通信和网络技术的综合体，现在还应该加上“强EMI防护”技术。尽快攻克EMI防护难关，让新型互感器在智能电网建设中早日展现技术，经济效益是广大研发、应用者的共同心愿。四、新技术和新趋势随着试点面的扩大和应用层次的不断深入，一些好的技术方案在比较中得到了优选，人们的关注点从最初的“原理先进”逐渐转移到“功能可靠”;从“高科技”回归到“性价比”，这是产品进入应用阶段的正常回归，一切原理、技术、材料、工艺上的先进性、经济性，都必须落实在产品的应用中。未来趋势将会呈现以下特点。1.核心技术的转移：电子式互感器包括四个不同的技术领域，即传感器技术、数据采集变送技术、高压绝缘技术和网络通信技术，由于电子式简化了绝缘结构，而数据采集和网络通信可以借用现有成熟技术，这些方面已不再是研发的核心，核心技术缩小为三个方面：传感器技术、电源技术以及新增的特殊电磁防护技术。这是基于以下考虑：①传感器技术虽经多年研发，但期望将所有优点集于一身是不现实的，一些特定传感器在具有优点的同时，总是带有一定的缺憾，各种不同传感器原理之间的相互配合互相渗透、优势互补将是一个发展趋势;一些基础器件由国外垄断、价值链留在国外、价格高出同功能互感器3-5倍、性能并不具备优势的传感模式将会淡出市场。②电源技术仍作为核心技术，有两层含义：其一是作为独立式互感器，高压侧传感的无源化或自源化，正常无故障寿命周期都寄望于发展和完善自供电模式;其二是克服VFTO现象也需要隔离度更高、抗扰频谱更宽的新型电源系统，这种电源系统需要改变原有设计思路，进行技术创新。③常规的中低频、小于3kV峰值的EMI防护组件不能适应电站特殊干扰工况，需要研发可抵御数万伏、跨越短波至微波波段的功率型集成滤波器件。2.产品整体技术趋势：电子式互感器的低功率化、小型化、信息共享等技术优势应该转化到应用中去，被电站的整体设计以及所依附的一次电器的结构设计所吸收和利用，在这个意义上确定了电子式互感器的整体技术发展趋势。A.结构组合化：利用电子式微功率、小型化优势，互感器更多的以组件方式组合于变压器、GIS、HGIS、断路器、隔离刀等组合电器中，减少占地，降低造价，还可以通过功能复用促进一次电器本身的小型化和智能化。各种传感方式，也会相互组合，优势互补，发挥整体效能。国网公司近期也提出了结构组合的指导性意见，助推电子式互感器的组合化趋势。B.功能复用化：充分利用数据共享优势，单点配置的互感器，可供多点共享，这一优势可以体现在以下几个层面：①单点测量信息的本地共享，装在一次电器上的互感器，除了通过合并器向间隔层和站控层传递信息外，可以配置本地输出端口，为一次电器本体的智能化提供服务。一些国外开关电器，依靠本机集成的ECT实现故障开断录波和数理分析统计实现状态监测、寿命预期、故障诊断等智能化功能的经验值得借鉴。互感器可提供Goose、RS485等不同类型的数字接口，供多种测控设备共享，减少互感器多点重复安装，使设备配置更加紧凑，功能集成度更高。②在不增加传感器的前提下，增配不同速率的采集器和接口方式，兼顾故障行波测距、光差保护、PMU监测专用。③合并器除了实时收集ECT/EVT测量信息外，稍作扩充，即可利用既有硬件资源收集一次状态信息将原有的分散的设备状态监测网络归化到统一的以太网中，达到信息“一网打尽”，全站共享。C.部件标准化：互感器的四大部件应逐渐走向标准化，具有相互兼容的接口方式，以便具有通用性和互换性，可作为标准“插接”安装于各种一次电器，达到不同厂家互感器可以更替和互换，也利于产品的维修、更换、版本升级换代。由于我国电力工业独有的高速发展，更为广阔的市场需求，新能源以及智能电网建设的强力牵引，电子式互感器的研发和应用技术克服当前深层次的技术难点，将继续朝着可靠、稳定、实用、功能先进的方向发展。西安华伟光电公司，作为国内主要的电子式互感器专业厂家之一，正在总结延安超高压智能变EMI防护经验，对产品部件进行标准化。搭建500kV-GIS科研试验平台，面对当前电子式互感器的EMC严考，力争从定量描述到试验验证两个方面攻克难关，掌握规律，稳定应用，继续助推我国电力科技走在世界的