电子式互感器及其在智能变电站中的应用

1、工业技术2012NO.10科技创新导报为保证电力系统的安全、 经济运行,需 要对电力系统及其电力设备的相关系数进 行测量,以便对其进行必要的计量、 监控和 保护。 互 感 器 的 作 用 便 是 将 高 电 压 或 大 电 流 按 比 例 变 换 成 标 准 低 电 压 或 标 准 小 电 流,供给测量仪器、 仪表和继电保护控制装 置。 传统的互感器多为电磁式互感器,其由 于自身存在绝缘性能差,动态范围小,易发 生 磁 饱 和 等 缺 陷 , 而 电 子 式 互 感 器 已 然 成 为解决这些问题的 “钥匙” 。 近年来,智能电 网 已 逐 步 成 为 电 力 行 业 的 发 展 趋 势, 其

2、核 心便是智能变电站。 相比于常规变电站,智 能 变 电 站 是 数 字 化 变 电 站 的 升 级, 而数字 化变电站的特点是以电子式互感器取代传 统 的 互 感 器, 以 数 字 信 号 取 代 传 统 的 模 拟 电量采集,通过光纤、 通信线组成数字化网 络,实现精确地电压电流数据测量,以便于 智能电网的控制、 监控与保护。 因此, 电子 式互感器在智能变电站中的应用将在未来 智能电网建设中起到不可估量的作用。1电子式互感器的定义及分类1. 1电子式互感器的定义电子式互感器是具有模拟量电压输出 或数字量输出,供频率15100Hz的电气测 量 仪 器 和 继 电 保 护 装 置 使 用 的

3、 电 流/电压 互感器。顾 名 思 义, 电 子 式 互 感 器 分 为 电 子 式 电 流 互 感 器 和 电 子 式 电 压 互 感 器 两 种 ,其 通用框图如:图1所示。在图1中,一次传感器产生与一次端子通 过 电 流 或 者 电 压 相 对 应 的 信 号, 经过一次 转 换 器 传 送 给 二 次 转 换 器, 然 后 二 次 转换器将传输系统传来的信号转换为供给测量仪器、 仪表和继电保护或控制装置的量。1. 2电子式互感器的分类图2中, 若 一 次 转 换 器 是 电 子 部 件, 需要 一 次 电 源 供 电 , 则 称 此 类 电 子 式 互 感 器为 有 源 电 子 式 互

4、 感 器; 若 一 次 传 感 器 是 光学原理的, 光 纤 传 输 系 统 可 以 直 接 将 光 测量信号送出,无需一次转换器,当然也无需一次电源, 则 称 此 类 电 子 式 互 感 器 为 无 源电 子 式 互 感 器 。2电子式电流互感器2. 1无源式电子式电流互感器无源式电子式电流互感器可分为全光纤式和磁光玻璃式,其主要原理是Faraday 效应原理,亦 称 为 磁 致 旋 光 效 应 。 LED发出 的 光 近 起 偏 器 后 为 一 线 偏 振 光, 线偏振光 在 电 流 产 生 的 磁 场 作 用 下 通 过 磁 光 材 料 时,其偏振面将发生偏转,旋转角 正比于 磁场 H

5、沿着线偏振光通过材料路径的线积 分 ,即=lHV d若将光路设计成围绕电流道题绕 N 圈 得闭合回路,则上式是闭合环路的线积分, 根 据 全 电 流 定 律 可 得=LiNVlHV dV 为Verde常数; N 为光路与电流交链 的匝数; i 为导体中流过的电流。 由此可见,电流 i 与 角成正比,因此, 测出偏振光旋转角 即可测出电流 i 。 由于无源式电子式电流互感器采用的 是 光 学 材 料, 环 境 因 素 对 其 性 能 的 影 响 很 大,主要表现在温度漂移和长期稳定性,所 以其能否最终实用化推广的关键就是解决 这两方面的问题。2. 2有源式电子式电流互感器基于Faraday电磁感

6、应原理的有源式电 子式电流互感器可分为Rogowski线圈型和 低 功 率 线 圈 型 。 低 功 率 线 圈 型 与 传 统 电 磁 式互感器实现原理基本一致,而Rogowski 线圈,亦称为空心线圈,是由漆包线均匀绕 制 在 环 形 骨 架 上 制 成 的, 不 会 出 现 磁 饱 和 及 磁 滞 等 问 题 。载 流 导 线 从 线 圈 中 心 穿 过, 当 导 线 上 有 电 流 流 过 时 , 在 线 圈 两 端 将 会 产 生 一 个 感应电势 e ,它与一次电流 i 的关系如下: (tiRNStiMt eddddµ2=M 为空心线圈的互感系数; 0µ为真空 磁

7、导率; N 为线圈匝数; S 为每匝线圈的横电子式互感器及其在智能变电站中的应用 冯 祎 鑫(福州大学电气工程与自动化学院福州 350108摘 要 :详细介绍了关于电子式互感器的定义、 分类及原理,分析了有源式和无源式电子式互感器的类型、 原理及其存在的主要问题,并 就其技术特征进行对比,讨论了电子式互感器是如何在智能变电站中起到关键的作用以及未来电子式互感器的发展趋势。关键词 :智能电网智能变电站电子式互感器有源式无源式发展趋势中 图 分 类 号 :T M 76文 献 标 识 码 :A 文章编号 :1674-098X(201204(a-0087-02ApplicationofElectron

8、icTransformerinSmartSubstationFengYi-Xin(CollegeofElectricalEngineeringandAutomation,FuzhouUniversity,Fuzhou350108,ChinaAbstract :Introductionismadetotheconcepts,classificationsofelectronictransformer,whileanalyseismadetothecomparisonbetween activetypeandpassivetypeduetotheclassifications,axiomsandt

9、hemainproblems.Thedevelopmenttrendofelectronictransformers inthefuturewillplayavitalpartintheconstructionofsmartsubstation,evenintheSmartGrid.Key Words :SmartGrid;SmartSubstation;ElectronicTransformer;DevelopmentTrendP 1 P 2S 1S 2一 次传 感器一 次转 换器传 输系 统一 次电 源二 次电 源二 次转 换器图1 电子式互感器通用框图电子式互感器电流互感器电压互感器无源

10、式有源式无源式有源式全 光 纤 式 磁 光 玻 璃 式 R o g o w sk i 线圈 低 功 率 线 圈 P o c k e ls效 应型 逆 压 电 效 应 型 电 阻 分 压 型 电 容 分 压 型 阻 容 分 压 型 图2 电子式互感器分类示意图作者简介:冯祎鑫(1990-,男,汉族,本科生,福州大学电气工程与自动化学院电力系统及其自动化专业学生。87 科技创新导报 ScienceandTechnologyInnovationHerald 88科技创新导报 ScienceandTechnologyInnovationHerald2012NO.10工业技术科技创新导报截面积; R 为

11、线圈中心和导电杆中心之间 的距离。可见,理想的Rogowski线圈对电流的 测 量 依 赖 于 一 个 稳 定 可 靠 的 互 感 系 数 ,将 测 得 的 感 应 电 势 进 行 积 分 处 理, 并结合该 空 心 线 圈 的 互 感 系 数 进 行 计 算, 即可得到 被测电流的大小,图3。因为Rogowski线圈型电子式电流互感 器的基础是Faraday电磁感应定理,所以决 定 了 其 不 能 用 于 测 量 恒 稳 直 流, 对于变化 比较缓慢的非周期分量的测量也有一定的 局限性, 即存在测量信号频带的限制。3电子式电压互感器3. 1无源式电子式电压互感器无源式电子式电压互感器分为Po

12、ckels 效 应 型 和 逆 压 电 效 应 型, 由 于 基 于 逆 压 电 效应的无源式电子式电压互感器需要特种 光 纤 且 信 号 解 调 较 为 复 杂 , 现 在 研 究 的 大 多数为Pockels效应型。根据Pockels效应,某些晶体在外电场 作 用 下 将 导 致 其 入 射 光 折 射 率 改 变, 这将 使沿某一方向入射晶体偏振光产生电光相 位 延 迟 , 且 延 迟 量 与 外 加 电 场 成 正 比 , 因 此,可将被测电压加在晶体上,测其入射晶 体偏振光产生电光相位延迟(相位差,可得 被测电压值,其公式如下:U UkE = 为相位差; E 为晶体所处的外加电场 强

13、度; U 为 晶 体 上 外 加 电 压 的 大 小 ; U 为 晶体的半波电压(即由Pockels效应引起的 双折射两光束产生180°相差所需外加电压 大小。Pockels效应型电子式电压互感器由于 同样采用了光学材料,所以与基于Faraday 效应原理的无源式电子式电流互感器存在 着相同的有待解决的问题。 3. 2有源式电子式电压互感器有源式电子式电压互感器主要采用阻 容分压型,与上述几类互感器不同的是,阻 容 分 压 型 互 感 器 是 最 早 的 测 量 高 电 压 方 式 。 其 中 , 电 阻 分 压 型 电 压 互 感 器 多 用 于 10kV和35kV电压互感器,而电

14、容分压多用 于 中 高 压 电 压 互 感 器 。 其 工 作 原 理 示 意 图 (见:图4与Rogowski线圈式互感器极为相 似,区别在于在经过电阻电容分压后,需要 经 过 信 号 预 处 理 之 后 进 入 A /D 转 换 。 对 于 分 压 型 互 感 器 , 对 二 次 回 路 阻 抗 的 要 求 十分苛刻,特别是母线电压互感器,如何将二 次 输 出 分 给 多 个 二 次 设 备 , 而 且 保 证 信 号 传 输 的 抗 干 扰 性 和 可 靠 性 , 是 亟 需 解 决 的 一 个 技 术 难 题 。4在智能变电站中的应用智 能 变 电 站 是 指 采 用 先 进 、 可

15、靠 、 集 成、 低碳、 环 保 的 智 能 设 备 , 以全站信息数 字化、 通信平台网络化、 信息共享标准化为 基本要求。 自动完成信息采集、 测量、 控制、 保护、 计量和监测等基本功能,并可根据需 要支持电网实时自动控制、 智能调节、 在线 分析决策、 协同互动等高级功能的变电站。智能变电站自动化系统可以划分为站 控层、 间 隔 层 和 过 程 层 三 层 。 其中, 过程层 包括变压器、 断路器、 隔离开关、 电流电压 互感器等一次设备及其所属的智能组件以 及独立的智能电子设备。智能电网中的智能变电站主要是要实 现测量数字化、 控 制 网 络 化 、 状态可视化、 功能一体化、 信息

16、互动化。 而这些目标的基 础全部基于对电压电流的精确测量。电子式互感器是实现变电站运行实时 信 息 数 字 化 的 主 要 设 备 之 一, 在 电 网 动 态 观测、 提 高 继 电 保 护 可 靠 性 等 方 面 具 有 重 要作用, 是 提 高 电 力 系 统 运 行 控 制 得 整 体 水 平 的 基 础 。一 方 面, 电 子 式 互 感 器 信 号 采 用 数 字 输出、 接口方便、 通 信 能 力 强 , 其应用将直 接 改 变 变 电 站 通 讯 系 统 的 通 信 方 式 。 采用 电 子 式 互 感 器 输 出 的 数 字 信 号 后, 可以实 现点对点/多 个 点 对 点

17、 或 过 程 总 线 通 信 方 式,完全取代二次电缆线,解决二次接线复 杂的问题, 同 时 能 够 大 大 简 化 测 量 或 保 护 的系统结构,降低对绝缘水平的要求,从根 本 上 减 少 误 差 源 , 简 化 了 智 能 电 子 装 置 的 结构, 实现真正意义上的信息共享。另 一 方 面, 电 子 式 互 感 器 的 输 出 均 采 用电缆传输, 光 缆 的 数 量 很 少 , 因此, 相比 于 常 规 变 电 站 的 电 缆, 敷 设 工 作 量 远 远 减 少。 传统电流/电压互感器每13个月例行 检查一次,13年进行一次小修,30年寿命 周 期 内 大 修 两 次 。 电 子

18、式 互 感 器 巨 大 的 优 势,使得其在全寿命周期内基本 “免维护” 。 因此, 其 维 护 工 作 主 要 是 对 远 端 模 块 或 电 气 单 元 中 的 电 子 器 件 进 行 维 护 或 更 换 ,一 般每5年维护一次, 相比较而言, 运行维护 工作量大为减少。由 此 可 见, 电 子 式 互 感 器 应 用 在 智 能(t e 图3Rogowski线圈式互感器原理示意图 图4Pockels 效应型互感器原理示意图变电站中可以促进其智能化、 自动化、 精确 化, 将 极 大 地 促 进 智 能 电 网 输 配 电 模 块 的 建 设 和 发 展 。5结语电子式互感器的诞生是互感器

19、传感准 确化、 传 感 光 纤 化 和 输 出 数 字 化 发 展 趋 势 的 必 然 结 果 。 有 源 式 电 子 式 互 感 器 技 术 已 经趋于成熟,基本达到实用化要求,故目前 国内大部分数字化变电站使用的均为有源 式 电 子 式 互 感 器 。 但 有 源 式 电 子 式 互 感 器 存 在 着 自 身 的 缺 陷 和 不 足 , 无 法 完 全 满 足 智 能 电 网 中 智 能 变 电 站 的 智 能 化 要 求 ,此 时无源式电子式互感器投入使用即为最佳 解 决 方 案 。 无 源 式 互 感 器 由 于 利 用 光 学 原 理 克 服 了 有 源 式 互 感 器 的 一 些 缺 点, 但却 存 在 温 度 影 响 以 及 稳 定 性 运 行 问 题, 阻碍 着无源式电子式互感器的实用化。近 年 来, 无 源 式 电 子 式 互 感 器 的 研 究 取得了较大的进展,特别是基于Faraday效 应的全光纤电子式电流互感器的性能指标 已接近实用化要求。 由此可见,无源式电子 式互感器才是未来电子式互感器的发展方 向, 其 在 智 能 变 电 站 中 的 应 用 也 将