电子式互感器

电子式互感器南京中德保护控制系统有限公司09年02月一、背景知识研制背景：随着IEC61850标准在数字化变电站中的应用，作为过程层设备的互感器也逐步数字化。电子、通信技术的飞速发展使得保护、测控、计量装置不再需要高功率输出的互感器。随着超高压电网的建设，传统互感器存在重量和体积加大，价格上升，防爆绝缘困难，磁饱和时输出信号畸变严重等一系列问题。一、背景知识在以上情况下，我公司开发了新一代电压，电流互感器-电子式电压，电流互感器。电子式电流互感器采用Rogowski线圈或低功率小铁心的设计原理。电子式电压互感器采用电阻、阻容、串联感应分压的原理。输出均为小电压信号，可直接与合并单元，继电保护，仪表装置接口。一、背景知识电子式电压、电流互感器特点：不含铁芯或含小铁芯，不会出现饱和和铁磁谐振。功耗小，节电效果显著。体积小、重量轻、精度高、线性好、测量范围宽，克服了传统电磁式电流互感器的频带窄、响应慢等缺点。电流互感器二次开路时不会产生高电压，电压互感器二次短路时不会产生大电流，从根本上消除了电力系统运行中的重大故障隐患，最大程度地保障了人员和设备的安全。一、背景知识互感器特点（续）：无油或少油设计，环保且提高了安全性，减少了维护工作量。成本低，见效快，对现有中、低压电气设备的改造具有现实意义。二、工作原理电子式电流互感器工作原理：（1）罗氏（Rogowski）线圈设计原理罗氏线圈是将导线均匀地绕在非铁磁性环形骨架上，一次母线置于线圈中央，因此绕组线圈与母线之间的电位是隔离的。由于不存在铁心所以不存在饱和现象。如果母线电流为i(t)，根据法拉第电磁感应定律，罗氏线圈两端产生的感应电势：e(t)=-Mdi/dt,其中M为互感系数罗氏线圈两端产生的感应电势e(t)经过积分器处理后得到与被测电流成比例的电压信号，经处理、变换后，即可得到与一次电流成比例的模拟量输出。二、工作原理罗氏（Rogowski）线圈原理示意图：Zi(t)e(t)非磁性骨架二次绕组二、工作原理（2）低功率小铁心线圈原理小铁芯线圈式低功率电流互感器是传统电磁式电流互感器的一种发展，小铁心线圈式低功率电流互感器包含一次绕组小铁心和损耗极小的二次绕组。二次绕组上连接集成元件Ra，因此，其二次输出为电压信号。二次电流I2在集成元件Ra上产生的电压降Us，其幅值正比于一次电流且同相位。而且，互感器的内部损耗和负荷要求的二次功率越小，其测量范围越宽、准确度越高。其原理图如下：二、工作原理低功率小铁心线圈原理示意图：二、工作原理电子式电压互感器工作原理：（1）电阻分压原理电子式电压互感器采用电阻、阻容分压原理，其输出在整个测量范围内呈线性，其原理图如下：二、工作原理上图中：1—均压电极，Ra—高压臂电阻，Rb—低压臂电阻，该原理将一次高电压转换成低电压，经处理后输出符合标准的二次电压。Tv是过电压保护装置，一旦出现Rb损坏，可以限制二次电压升高保护测量系统。由于高压端与分压器本体及分压器本体与地之间存在杂散电容，使分压器产生误差，而且电压分布不均匀。为改善电压分布、减小分压器误差，在分压器高压端加屏蔽电极，以补偿分压器对地杂散电容。同时，在接地端加屏蔽电极，使分压器对地杂散电容相对固定。二、工作原理（2）阻容分压原理（GIS适用）原理示意图如下：电容分压是通过将柱状电容环套在导电线路外面来实现的，柱状电容环及其等效接地电容构成了电容分压的基本回路。二、工作原理考虑到系统短路后，若电容环的等效接地电容上积聚的电荷在重合闸时还未完全释放，将在系统工作电压上叠加一个误差分量，严重时会影响到测量结果的正确性以及继电保护装置的正确动作，长期工作时等效接地电容也会因温度等因素的影响而变得不够稳定，所以对电容分压的基本测量原理进行了改进。在等效接地电容上并联一个小电阻R以消除上述影响，从而构成新的电压测量电路（阻容分压）。电阻上的电压Uo即为电压传感头的输出信号：e(t)=RC1du/dt，R1/(ωC2)二、工作原理（3）电容分压原理（户外独立式适用）原理示意图如下：e(t)=Us*C1/(C1+C2)，R1/(ωC2)高压母线C1C2RU0Us二、工作原理输出电压由C1和C2的容值比决定。这种分压技术来自传统的电容式电压互感器（CVT），目前采用传统的电容分压器来获得低压小信号（一般为数伏）。同上述原理（2）一样要解决C2上电荷释放的问题。二、工作原理（4）串联感应分压器原理串联感应分压器是由多级不饱和电抗器串联而成的,输出电压信号从串联在电路中的小电抗上取出,其原理图如下所示：二、工作原理N1—分压器主绕组，N2—平衡绕组，N3—耦合绕组。根据需要,信号可以在高压端取出,也可以在分压器接地端取出。串联感应分压器是参照串级式电压互感器原理制成的。平衡绕组和耦合绕组的作用是保证感应分压器在不同电压、不同负载（允许范围内）时的各个电抗器单元的磁势平衡，而使各个单元承受电压均衡。N2、N3匝数的具体数值必须在初步设计后，又通过测量各元件分布电压的方法来调整。二、工作原理有源电子式电流、电压互感器通用框图：一次电压传感器一次转换器传输系统二次转换器二次电源一次电源供合并单元用MRIVMR:维修申请IV:输出无效P1P2S三、性能比较三、性能比较四、工程应用（1）独立型电子式电流互感器在高压测量系统中的应用，示意图如下：四、工程应用罗氏线圈、低功率线圈（LPCT）数据采集模块位于高电位部分；合并单元，保护测控装置位于低电位部分。高压系统和低压系统通过光纤解决绝缘问题由专用激光器产生高能激光和取能线圈为采集模块供电。由于成本因素，适用于110kV以上电压等级。四、工程应用（2）独立型电子式电流电压组合互感器在高压测量系统中的应用，示意图如下：四、工程应用电流互感器与电压互感器可组合为一体，实现对一次电流电压的同时测量。电流传感器采用LPCT及空芯线圈。电压互感器采用电容分压器传感一次电压。采用激光供能与母线取能相结合的方法为采集器供电。四、工程应用（3）基于低功率线圈原理的电子式电流互感器在中低压测量系统中的应用，示意图如下：模拟信号接入A/D转换保护测控IEC61850-9-1/2标准的采样值报文输出开入量采集开出执行GOOSE接收采样值报文输出间隔装置LPCTLPCTLPCT四、工程应用电子式互感器输出为低功率的模拟信号，直接接入间隔装置。间隔装置接收同步采样脉冲对模拟信号采样，供功能实现使用，同时也可设计IEC61850-9-1/2标准的采样值输出接口，与其它智能装置进行数据共享。这种方式通常应用于中低压开关柜内。一次信号与二次信号的绝缘较易解决；间隔装置与电子式互感器距离较近。取消了价格昂贵且寿命较短的激光供能系统，减小了成本，提高了可靠性。五、小结上述电子式互感器的基本工作原理还是采用经典的法拉第电磁感应原理，基尔霍夫电流电流定律。此类电子式互感器技术融合了现代电子和通信技术，同时也满足IEC61850-9-1/2，IEC60044-7/8标准对电子式互感器的要求。吸取了常规电流、电压互感器丰富的制造和运行经验，技术具有一定延续性。在采用低功率输出信号后，需要增加额外的措施来保证电磁兼容性能。带来了电流、电压互感器校验标定方法的变革。目前在一定程度上克服了常规电流、电压互感器存在的一些不足，也是电子式互感器技术的一个发展方向。谢谢！