智能变电站技术案例p99

华北北电电力力大大学学电电气气与与电电子子工工程程学学院院肖仕仕武武教5楼B309NorthChinaElectricPowerUniversity智能能变变电电站站技技术术案案例例智能能化化变变电电站站概概述述-定义义•《《智能能变变电电站站技技术术导导则则》给出出的的定定义义：：采采用用先先进进、、可可靠靠、、集集成成、、低低碳碳、、环环保保的的智智能能设设备备，，以以全全站站信信息息数数字字化化、、通通信信平平台台网网络络化化、、信信息息共共享享标标准准化化为为基基本本要要求求，，自自动动完完成成信信息息采采集集、、测测量量、、控控制制、、保保护护、、计计量量和和监监测测等等基基本本功功能能，，并并可可根根据据需需要要支支持持电电网网实实时时自自动动化化控控制制、、智智能能调调节节、、在在线线分分析析决决策策、、协协同同互互动动等等高高级级功功能能的的变变电电站站。。智能变电电站派生生于智能能电网智能变电电站技术术导则是是智能变变电站建建设的纲纲领性技技术指导导文件，，是总的的指导性性原则。。是其它它智能变变电站技技术标准准规范的的基础。。智能变电电站与传传统的变变电站的的差异(1)智能变电电站系统统应是一一种面向向服务的的架构(SOA)(2)建立起以以设备为为对象的的分布式式智能节节点。实实现既分分布又协协同的信信息共享享机制。。(3)从业务需需求出发发,把技术问问题、经经济问题题、管理理问题统统筹考虑虑。实现现能量流流、信息息流、业业务流一一体化。。(4)通过智能能电子装装置（IED）整合合有价值值的能量量流、信信息流。。突出标标准化规规范化,强调功能能性和互互操作性性,提供模型型统一、、规约统统一、时时标统一一、来源源唯一的的高品质质基础信信息。(5)智能变电电站作为为智能电电网的基基础环节节，将统统一和简简化变电电站的数数据源，，形成基基于同一一断面的的唯一性性、一致致性基础础信息，，以统一一标准方方式实现现变电站站内外的的信息交交互和信信息共享享，形成成纵向贯贯通、横横向互通通的电网网信息支支撑平台台，并提提供以此此为基础础的多种种业务应应用。(尤其要强强调)智能变电电站与传传统的变变电站的的差异(6)采用更加加高速(快速以太太网)和更加经经济的技技术手段段,传输变电电站内外外信息,包括与变变电站,相关电源源,负荷及线线路的信信息。掌掌握整个个电网的的状态。。(7)将高级调调度中心心的部分分功能下下放到智智能变电电站实现现。智能能变电站站系统管管理好站站内网络络数据的的同时可可以根据据运行需需求，以以更高的的频率来来储存数数据,实现基于于实时数数据仓库库的数据据挖掘，，完成智智能电网网所要求求的高级级分析和和优化功功能。(8)智能变电电站(SmartSubstation)建设需要要采用先先进的理理念重新新设计新新建变电电站,也需要采采用先进进的技术术改造现现有变电电站，以以便远程程监测临临界和非非临界运运营数据据。分析析和处理理大量实实时数据据。将断断路器、、变压器器、变电电站的环环境因素素等数据据进行综综合分析析,并与相临临变电站站互通信信息。变电站自自动化作作为智能能电网高高级输电电运行的的首要技技术组成成单元，，正面临临实现智智能化的的发展要要求。智智能变电电站以设设备全智智能化和和测控全全智能为为基础，，具有变变电设备备的智能能监控、、供电安安全的在在线预警警、薄弱弱环节的的自动识识别等功功能。随随着我国国在智能能变电站站核心技技术研究究、关键键设备研研制等领领域取得得重大突突破，全全国正在在大规模模进行智智能变电电站的建建设。1.1研究背景景及研究究意义国网第一一个500千伏智能能化升级级改造试试点变电电站金华500千伏芝堰堰变现场场1.2变电站自自动化及及继电保保护分析析发展历历史我国的电电力事业业是从新新中国成成立以后后才开始始慢慢发发展起来来的。六十年代代：ll0kV变电站从从开始逐逐渐走入入普通的的地级市市，当时时国内绝绝大部分分城市还还辅以35kV变电站构构成高压压输电网网络。由由于当时时负荷水水平低，，电力建建设投资资少，城城市电网网结构简简单。上个世纪纪七八十十年代的35kV变电站1.2变电站自自动化及及继电保保护分析析发展历历史进入八十十年代以以来，我我国经济济进入前前所未有有的高速速发展阶阶段。经经济建设设对电力力事业提提出更高高要求的的同时也也促进了了电力事事业的发发展。这这段时期期建设的的ll0kV变电站ll0kV电气设备备多采用用常规设设备户外外敞开式式布置；；变电站站主接线线较为复复杂，例例如为单单母线分分段带旁旁路；电电气设备备为多油油或少油油设备；；主变容容量大多多选择3l.5MVA或40MVA。这种模模式的变变电站占占地面积积大，设设备繁多多，设备备安全可可靠性较较低，日日常维护护工作量量大。1985年500千伏郑州州变电站站开工建建设1.2变电站自自动化及及继电保保护分析析发展历历史进入九十十年代中中期，供供电紧张张的情况况得到好好转，电电网设计计和建设设越来越越强调供供电可靠靠性。人人们开始始把注意意力转向向性能好好、质量量高、检检修周期期长或多多年不需需检修等等特点的的电气设设备。实实施“四四遥””功能，，实现变变电站无无人值班班已成为为可能。。1.2变电站自自动化及及继电保保护分析析发展历历史这段时期期，ll0kV电气设备备出现了了GIS设备。GIS设备（气气体（G）绝缘（（I）开关（（S））指SF6气体全封封闭组合合电器装装置。它把断路路器、隔隔离开关关、接地地开关、、电压及及电流互互感器、、母线、、避雷器器等元件件，按电电气主接接线的要要求，依依次连接接，组合合成一整整体，并并且全部部封闭于于接地的的钢或铝铝的金属属外壳中中，壳体体内充以以SF6气体，作作为绝缘缘和灭弧弧介质。1.2变电站自自动化及及继电保保护分析析发展历历史电气布置置形式也也出现了了全户内内布置、、半户内内布置等等形式，，区别主主要在于于主变压压器的布布置方式式。户内型布布置的变变电站设设备布置置紧凑，，因而不不如户外外布置通通风散热热效果好好，一旦旦发生火火灾时，，波及面面较大。。半户内布布置方式式，就是是除主变变压器以以外的全全部配电电装置集集中布置置在一幢幢主厂房房不同楼楼层的电电气布置置方式，，布置方方式结合合了全户户内布置置变电站站节约占占地面积积，与周周围环境境协调美美观，设设备运行行条件好好和户外外布置变变电站工工程造价价低廉的的优点。。二次设备备系统也也有简单单的“四四遥”系系统和变变电站综综合自动动化系统统。由于于采用了了先进可可靠的设设备，这这段时期期建设的的ll0kV变电站主主接线较较为简洁洁，除主主变外ll0kV电气设备备多采用用户内布布置的形形式，主主变容量量多为40MVA或50MVA，开关设设备为无无油设备备，变电电站具备备无人值值班的功功能。这这些变电电站占地地面积小小，自动动化程度度高，日日常维护护工作量量小，安安全可靠靠性高。。1.2变电站自自动化及及继电保保护分析析发展历历史随着调度度自动化化技术的的实用性性的深入入开展和和设备本本身的技技术水平平的提高高，变电电站从传传统变电电站到实实现“二二遥”功功能，再再到实现现“四四遥”功功能、实实现变电电站无人人值班，，到今天天的综合合自动化化系统变变电站，，走过了了一段发发展历史史。我国ll0kV无人值班班变电站站和变电电站综合合自动化化系统是是从80年代末开开始讨论论、研制制与开发发的。90年代开始始，不少少城市和和地区将将变电站站实现无无人值班班作为““创一一流企业业”的条条件，要要求在新新建l10kV及以上变变电站时时，按无无人值班班方式设设计。1.2变电站自自动化及及继电保保护分析析发展历历史我国的变变电站综综合自动动化技术术起步相相对较晚晚，1987年清华大大学机电电工程系系开发的的自动化化系统研研制成功功并正式式投入运运行后，，我国变变电站的的综合自自动化技技术终于于进入了了蓬勃的的发展时时期，按按照不同同系统结结构模式式的出现现顺序，，可划分分为以下下三个阶阶段：（1）面向功功能设计计的集中中式RTU加常规保保护模式式阶段：：是以RTU为基础的的远程制制动和当当地监控控为标志志的，系系统被称称为集中中RTU模式，或或远方RTU式自动化化系统，，其实质质是在传传统继电电保护与与二次接接线的基基础上，，增加RTU以实现遥遥测、遥遥信、遥遥控及遥遥调的。。四遥””功能，，特点是是通过较较多的硬硬接点接接入或串串行口通通信与机机电保护护装置、、安全自自动装置置相连接接，是较较为初级级的自动动化阶段段。1.2变电站自自动化及及继电保保护分析析发展历历史2）面向向功能能设计计的分分布式式测控控装置置加微微机保保护模模式阶阶段：：分布布式结结构的的特点点是按按功能能设计计的机机电保保护装装置、、安全全自动动装置置与测测控装装置独独立运运行，，通过过通信信管理理单元元将各各自的的信息息送到到后台台，以以串行行方式式及网网络技技术进进行数数据的的实时时交换换。单单元式式微机机保护护及按按功能能设计计的分分散式式微机机测控控装置置因其其具有有实时时性、、稳定定性和和高处处理能能力，，在现现代变变电站站，特特别是是中、、低压压变电电站中中得到到了广广泛的的应用用。缺缺点是是仍需需较多多的电电缆互互联，，限制制了系系统的的扩展展性。。（3）面向向间隔隔、面面向对对象(Object—Oriented)设计的的分层层分布布式结结构模模式阶阶段：：此系系统采采取分分层分分布的的系统统结构构，以以间隔隔为对对象设设计和和划分分保护护测控控单元元，形形成了了真正正意义义上的的分层层分布布式自自动化化系统统。目目前，，此类类系统统已经经成为为发展展的主主流。。1.2变电站站自动动化及及继电电保护护分析析发展展历史史继电保保护技技术发发展历历程总总的来来说可可以概概括为为4个阶段段、2次飞跃跃。4个阶段段是电电磁型型(整流型型)、晶体体管型型、集集成电电路型型、微微机型型。第1次飞跃跃是有有电磁磁型到到晶体体管型型；第2次飞跃跃是有有集成成电路路型到到微机机型，，主要要体现现在保保护由由模拟拟式向向数字字式转转变、、保护护装置置智能能化和和信息息化。。机电式式继电电保护护晶体管管继电电保护护集成电电路继继电保保护微机继继电保保护50年代60年代80年代90年代1.3国内外外研究究现状状在现今今阶段段，智智能化化的一一次设设备(如光纤纤传感感器、、智能能化开开关等等)、网络络化的的二次次设备备、符符合IEC61850标准的的通信信网络络和自自动化化的运运行管管理系系统，，是智智能变变电站站最主主要的的技术术特征征。理论状态实验室研发挂网试运行成熟产品数字化开关√√数字化变压器√其他数字化电气辅助设备√电子式电流互感器（光学原理）√电子式电流互感器（罗氏线圈或低压功率线圈）√电子式电压互感器（光学原理）√电子式电压互感器（分压原理）√支持IEC61850的二次设备√√国内数数字化化变电电站相相关产产品研研发情情况汇汇总（（2010.3）1.3国内外外研究究现状状在互感感器方方面，，针对对传统统电磁磁式互互感器器饱和及及铁磁磁谐振振等问题的的缺陷陷，电电子式式互感感器逐逐渐受受到国国内外外的广广泛关关注，，电子子式互互感器器分为为有源源与无无源两两种，，从电电子式式互感感器发发展的的趋势势来看看，数数字互互感器器以其其简单单、可可靠等等特色色引领领该产产品处处于主主导地地位。。左图为为电磁磁式互互感器器右图为为电子子式互互感器器1.3国内外外研究究现状状智能化化开关关的发发展趋趋势是是用微微电子子、计计算机机技术术和新新型传传感器器建立立新的的断路路器二二次系系统，，开发发具有有智能能化操操作功功能的的断路路器。。其主主要特特点是是由电电力电电子技技术、、智能能控制制装置置组成成执行行单元元，代代替常常规、、机械械结构构的辅辅助开开关和和辅助助继电电器。。随着光光纤通通讯技技术、、网络络技术术的飞飞速发发展及及其在在变电电站自自动化化系统统中的的不断断深入入应用用，加加上电电力系系统规规模的的扩大大和自自动化化水平平的提提高，，用数数字通通讯手手段传传递电电量信信号，，用光光纤作作为传传输介介质取取代传传统的的金属属电缆缆，构构成网网络通通信的的二次次系统统是智智能变变电站站的必必然选选择。。智能变变电站站系统统网络络化的的二次次设备备架构构采用用三层层网络络结构构：站站控层层、间间隔层层、过过程层层。1.3国内外外研究究现状状功能A功能B控制保护控制保护传感器执行器过程接口远方控制技术服务高压设备变电站层间隔层过程层信息分层的变电站自动化系统1.厂站（站控层）与主站间数据交换2.站控层内数据交换3.间隔层与站控层的保护数据交换和控制数据交换4.间隔层间直接数据交换5.间隔层内直接数据交换6.过程层与间隔层间的控制数据交换和PT、CT暂态数据交换123455661.3国内外外研究究现状状我国智智能变变电站站技术术很多多，有有些已已成熟熟，有有些还还在研研究阶阶段，，有的的还处处于概概念阶阶段。。如：：1)一次设设备智智能化化的实实践：：目前前已有有应用用，如如淮北北桓潭潭110kV智能变变电站站。2)二次功功能网网络化化的实实践：：目前前已有有工程程应用用，如如洛阳阳金谷谷园110kV数字化化变电电站。。3)设备状状态检检修的的实践践；智智能一一次设设备状状态检检修的的实践践；继继电保保护二二次设设备状状态检检修的的实践践，目目前正正在开开展研研究。。4)站内智智能高高级应应用方方案研研究：：智能能告警警及分分析决决策经经济运运行与与优化化控制制等，，正在在研究究阶段段。5)分布协协同智智能控控制与与智能能保护护研究究：目目前正正在研研究阶阶段。。6)主变压压器应应用新新型光光栅式式温度度在线线监控控系统统：目目前正正在研研究阶阶段。。7)GIS组合电电气应应用SF6压力、、微水水在线线监测测系统统。2.智能变变电站站的继继电保保护新新技术术2.1新型电电子式式互感感器1.电子式式互感感器开开发应应用的的原因因：（1）开关关设备备的集集成化化和智智能化化要求求互感感器体体积小小、质质量轻轻，输输出实实现数数字化化。（2）发电电厂和和变电电所综综合自自动化化的广广泛应应用，，要求求互感感器输输出实实现数数字化化，甚甚至直直接接接入过过程总总线实实现网网络化化.（3）微电电子技技术的的广泛泛用于于测量量和保保护等等，使使得二二次设设备功功耗很很小，，一般般不超超过1~2VA甚至为为毫伏伏安级级，对对互感感器的的输出出容量量要求求大大大降低低，但但二次次设备备的低低电平平对抗抗干扰扰提出出了严严峻要要求。。（4）数字字技术术和光光通信信技术术的快快速发发展，，使互互感器器输出出信号号可方方便的的变成成数字字信号号，并并通过过光纤纤输出出，彻彻底解解决了了高压压设备备的绝绝缘问问题和和电磁磁干扰扰问题题。2.1新型电子式式互感器2.电子式互感感器如何组组成电子式互感感器包括连连接传输系系统和二次次变换器的的一个或多多个电流和和电压传感感器，并将将被测量按按比例送给给测量仪器器、仪表和和保护、控控制装置。。互感器的的输出既可可能是模拟拟量也可能能是数字量量。对模拟拟量输出的的互感器，，其二次变变化器可直直接供给二二次设备使使用；对数数字输出的的互感器，，则可用一一个汇接单单元将多个个二次变化化器汇集输输出至二次次设备。在在实际应用用中，电子子式电流互互感器（简简称ECT）和电子式式电压互感感器(EVT)往往组成一一个装置。。35kVECT实物35kVEVT实物2.1新型电子式式互感器3.电子式互感感器的类型型（1）最主要的的一类是倍倍受人们关关注的基于于磁光效应应的互感器器，如采用用法拉第效效应的光电电流互感器器（NXCT）、采用泡泡克尔斯效效应的光电电压互感器器（NXVT）和集电流流和电压于于一身的光光电流电压压互感器（（NXCVT），该互感感器由于处处于高电位位的部分不不需要电源源，因此也也称为无源源电子式互互感器。优点：直接接用光进行行信息的变变化和传输输，与高压压电路完全全隔离，具具有不受电电磁干扰，，不饱和、、测量范围围大、有效效频带宽，，暂态相应应和运行性性能良好、、体积小、、质量轻及及便于数字字传输。110kV三相共箱GIS型光学电子子式电流电电压互感器器2.1新型电子式式互感器（2）带铁芯的的低功率电电流互感器器或利用罗罗戈夫斯基基线圈的输输出正比于于电流导数数原理的无无铁芯的空空心线圈电电流互感器器，以及由由电阻分压压（电容分分压）或阻阻容分压实实现的电压压互感器，，由于它们们与常规互互感器比较较接近，因因此也称为为半常规互互感器。他他们处于高高电位的传传感器需要要电源，故故亦称为有有源电子式式互感器。。优点：体积积小、质量量轻、暂态态响应和运运行性能良良好、可靠靠性高，可可以直接以以模拟量形形式输出到到就近的开开关装置。。也可以用用这种传感感器进行信信息测量，，用光纤技技术进行信信息传送，，大大简化化互感器的的绝缘结构构，以便高高压电网应应用。2.1新型电子式式互感器4.电子式互感感器与传统统互感器相相比，其优优越性：适用范围涵涵盖了电磁磁式互感器器的所有应应用场合，，尤其是超超高压如750kv电网及对精精度和暂态态特性要求求高的场合合，体积小小、重量轻轻，节省运运输和安装装成本及时时间，适合合在紧凑的的变电站或或需要改造造但空间有有限的改建建工程中使使用，且220kv的NXCT与传统SF6TA价格相差无无几，500kv甚至低于传传统价格，，具有很高高的经济效效应，同时时适应电力力数字化和和自动化的的发展趋势势。传统互感器光电互（传）感器使用寿命一般不超过20年使用寿命大于30年运行中二次输出的准确度受电流和电压大小的影响较大，一次值过大时会出现铁芯饱和现象不会出现饱和现象，且在电流电压越大时，准确度越高二次电流与一次电流保持线性关系的动态范围和频带范围有限二次信号与一次电流量保持线性关系的动态范围（测量用1A~63kA，保护用2A~170KA）和频带范围（直流~10kHZ）都很宽传统互感器光电互（传）感器电流互感器线性度低，在短路时容易饱和，静态和动态准确范围小；在暂态过程中会产生寄生震荡现象没有饱和的问题，线性度高，在暂态过程中，不会产生寄生震荡问题电压互感器存在铁磁谐振从而造成相关设备损坏的问题不存在对相关和相邻设备的危害问题电流互感器存在二次开路产生高压的危险不存在二次因开路而产生的高压危险，保障了操作人员的生命和周围设备的安全准确度与二次回路所带的负荷大小有关，切且受温度、振动等环境条件的影响二次回路所带的负荷大小、数量不受限制，准确度较高，可达0.2级，且不受温度、振动等环境条件的影响，抗震性能优越，也适用于高原地区由于油浸纸绝缘易燃、易爆，有动稳定和热稳定的限制，运行中存在互感器爆炸的危险由于内部没有油或SF6等，不存在爆炸的问题，对周边环境没有污染问题，从而使运行更加安全可靠小变比情况下，耐受短路电流的能力有限小变比情况下，具有很高的耐受短路电流的能力2.1新型电子式式互感器存在渗漏油问题；每2~3年需进行一次预防性试验，试验测试和运行维护工作量都比较大无渗漏油问题，在使用年限内无须进行试验，测试工作简单，运行维护工作量小互感器与二次接收设备间的电缆是电磁干扰的重要耦合途径，容易受外界电磁干扰的影响，且传输距离有限装置高压部分与电子（二次）接收设备之间采用光纤通信，不受任何电磁干扰影响，传输距离可达2000m，解决了传统互感器的远距离传输问题；且传感器电子部件与继电保护、测量仪表和自动装置等二次设备的连接也可很方便的利用现场的数字通信网络绝缘结构复杂，体积笨重，安装时需起吊设备，施工工期长由于轻便、小型，所以安装时，起吊设备简单，装置占据空间小，施工工期短造价高，综合经济效益相对较差由于施工方便，占用空间小，支撑架构简单轻便（也可悬挂在母线上），且二次接线简化，传感器高压部分不需维护，因此，综合经济效益显著提高适应发展数字化和完备的自检功能适应了电力保护和计量的数字化、自动化及光通信的发展趋势2.1新型电子式式互感器5.光电传感器器的缺点以光电式电电流互感器器（简称为为MOCT）为例子（1）无源型光光电式电流流互感器存存在以下问问题：a．双折射效效应影响。。使检偏器器的输出光光强度变化化不与被测测电流成正正比，影响响灵敏度和和测量精度度。b．干扰问题题。因采用用磁光效应应原理，易易受导体周周围磁场的的影响而产产生干扰问问题，造成成测量误差差。c．温度影响响。MOCT的重要部件件是法拉第第晶体，其其特性随温温度的变化化而变化，，会给测量量系统带来来一定的误误差。d．振动问题题。当测量量的光学系系统受到电电路的开关关动作、环环境或人为为干扰时，，就会产生生振动。2.1新型电子式式互感器2.1新型电子式式互感器（2）有源型光光电式电流流互感器（（又称电子子式光纤电电流互感器器）存在以以下问题：：a.高电位侧传传感头的电电源供应问问题。由于于传感头完完全采用电电子线路，，而它的电电源供应是是通过光电电池等O／E转换器件得得到的。如如果传感头头电子线路路消耗能量量过大．则则要求能量量提供单元元提供更高高的能量输输出，这将将使整个系系统的结构构复杂化。。因此，应应该尽量减减小电子线线路的功率率消耗，以以有限的能能量实现较较为完整的的功能。b.电磁兼容问问题。由于于传感头安安装在高压压输电线路路附近，电电流流过母母线将会引引起空间强强大的电磁磁辐射。这这些辐射将将对传感头头电子线路路产生比较较强的电磁磁干扰，影影响系统的的可靠性和和稳定性。。因此，对对传感头采采用适当的的抗干扰措措施和电磁磁屏蔽方法法也是非常常必要的。。2.1新型电子式式互感器6.电子式互感感器的结构构IEC60044-8提出了电子子式互感器器的结构如如图所示，，包括一次次传感器和和变换器、、传输系统统、二次变变换器和汇汇接单元，，图中所有有的单元并并不都是必必须的，如如光电传感感器即不需需要一次电电源。2.1新型电子式式互感器7.电子式互感感器与二次次设备的连连接：电子子式互感器器的数字输输出一般是是经汇接单单元将多个个互感器的的采样量汇汇集并变换换为数字量量串行输出出，一般通通过一个串串行、单方方向、多落落点、点对对点链路送送至二次设设备。一个个汇接单元元最多可输输入7个电流互感感器（3个保护用ECT、3个测量用ECT和1个中性点ECT）和5个电压互感感器（3个保护/测量用EVT、1个母线EVT和一个中性性点EVT）的采样量量，一般供供给测量仪仪表和继电电保护的数数字量分别别输出。2.1新型电子式式互感器8.光电式电流流/电压互感器器的分类：：光电式电流流/电压互感器器敞开瓷柱式式光电电流流/电压互感器器设备组合电器光光电式电流流/电压互感器器原件金属封闭SF6绝缘组合电电器光电式式电流/电压互感器器元件敞开式空气气绝缘组合合电气光电电电流互感感器元件2.1新型电子式式互感器（1）敞开瓷柱柱式光电电电流/电压互感器器设备是带带外绝缘瓷瓷（或复合合）套管的的独立式电电气设备，，外形和常常规敞开电电磁式电流流/电压互感器器相似，光光电元件安安装在瓷（（或复合））套管内部部，用光纤纤电缆连接接到位于设设备底部的的二次接线线端子箱内内，如NX系列光电压压/电流传感器器（2）组合电器器光电式电电流/电压互感器器元件与组组合电器配配套使用，，是组合电电器中完成成TA与TV功能的一个个部件，而而不是一个个完整的高高压电气设设备，它在在绝缘结构构外形尺寸寸、以及质质量等方面面都和常规规敞开瓷柱柱式高压光光电电流/电压互感器器有很大的的区别，并并满足体积积小、质量量轻的要求求，且随着着高压和超超高压组合合电器在国国外的快速速发展，随随着组合电电器的变化化而有不同同的形式，，是组合电电器制造的的关键技术术之一。2.1新型电子式式互感器9.光电流传感感器NXCT的原理：光电流传感感器NXCT是利用磁光光效应中的的法拉第效效应即反映映偏振光状状态与磁场场关系的原原理，也就就是当一束束直线偏振振光穿过透透明光介质质时，若在在沿光波传传播方向加加一外磁场场，则其偏偏振面将发发生偏移。。2.1新型电子式式互感器根据法拉第第效应，其其偏转角θ为θ=V∫HdLV——维而德常数数，由介质质和光波的的波长决定定，表征介介质质的磁光光特性，它它与磁光材材料的种类类、入射光光波长、环环境温度有有关，是材材料、温度度和波长的的函数；H——磁场强度；；L——光路径长度度。如此将单模模光纤在输输电线上绕绕一定的匝匝数，就能能利用光纤纤本身的磁磁光性能构构成电流（（磁场）传传感器。2.1新型电子式式互感器当一次电流流i1（t）流过电流流线圈时，，在其周围围产生磁场场强度H和i1（t）成正比的的磁场，此此时通过磁磁光晶体的的线偏振光光的在磁场场H的作用下将将发生偏转转，并产生生于磁场强强度成正比比的磁转角角θ。2.1新型电子式式互感器根据法拉第第效应，其其偏转角θ为θ=Vi1（t）NN——单模光纤缠缠绕的匝数数。实际应用中中，由于目目前尚无精精确测量线线偏振光偏偏转角的检检测装置，，因此通常常是将线偏偏振光旋转转角的变化化转化为光光强度P的变化，通通过测量输输出光强度度来反映一一次电流i1（t）的大小。。如将透光光轴的夹角角设定为45°，则输出线线偏振光的的强度P可表达为P=P0cos2[45°-Vi1（t）N]P0——输入线偏振振光的强度度；P——输出线偏振振光的强度度；V——磁光晶体维维尔德常数数；N——一次线圈匝匝数；i1（t）——一次电流2.1新型电子式式互感器10.光电压传感感器NXVT的原理：某些透明的的光学介质质（也称压压电晶体））在没有外外加电场作作用时是各各向同性的的，但如果果在外加电电场下，晶晶体将变为为各向异性性的双轴晶晶体，从而而导致其折折射率和通通过晶体的的偏振光特特性发生变变化，产生生双折射，，使一束光光变为两束束相位不同同（因两束束光的传播播速度不同同）的直线线偏振光。。这种描述述电场对透透明晶体影影响的电光光效应，成成为泡克尔尔斯效应。。2.1新型电子式式互感器从外加电压压与光线的的方向来说说，一般有有横向调制制型和纵向向调制型两两种，横向向调制型的的外加电场场方向与通通光方向垂垂直，纵向向调制性的的外加电场场方向与同同光方向平平行。NXVT采用横向调调制型，它它通过与X、Y两轴成45°的线性偏振振光（经起起偏器后得得来）入射射并通过石石英晶体后后形成两个个基本的模模式光成对对出现，石石英的压电电特性，即即光线在离离开没有场场强存在的的石英晶体体时，由于于在X、Y两个个偏偏振振面面上上的的光光以以相相同同的的速速度度传传播播，，因因此此从从X、Y两轴轴所所形形成成的的平平面面上上看看偏偏振振光光是是圆圆的的，，而而有有场场强强存存在在时时，，由由于于光光在在晶晶体体中中X、Y两轴轴传传播播的的速速度度不不同同，，在在离离开开石石英英晶晶体体时时发发生生双双折折射射偏偏振振成成为为椭椭圆圆。。因此此将将泡泡克克尔尔斯斯元元件件置置于于互互相相正正交交的的偏偏光光镜镜和和检检偏偏镜镜之之间间，，由由于于入入射射到到泡泡克克尔尔斯斯元元件件上上的的直直线线偏偏振振光光在在外外加加电电压压下下变变为为椭椭圆圆偏偏振振光光，，通通过过元元件件出出来来的的光光，，透透过过检检偏偏镜镜，，如如此此偏偏振振光光通通过过一一定定厚厚度度并并具具有有固固定定电电场场的的晶晶体体后后，，即即会会在在电电场场的的作作用用下下使使两两束束光光产产生生相相位位差差。。2.1新型型电电子子式式互互感感器器这样样一一个个高高精精度度的的，，线线性性表表示示的的电电场场就就能能从从两两束束光光的的相相位位差差或或椭椭圆圆的的变变数数测测量量中中被被得得到到。。双折折射射后后两两束束光光的的相相位位差差与与外外加加电电压压U有如如下下关关系系λ———光波波长长度度；；n0———晶体体的的折折射射率率；；l————晶体体通通光光方方向向的的长长度度；；d————晶体体的的厚厚度度；；γ41———晶体体的的电电光光系系数数；；Uπ———晶体体的的半半波波电电压压（（由由普普克克尔尔斯斯效效应应引引起起的的双双折折射射两两光光束束产产生生π相位位差差所所需需外外加加电电压压））2.1新型型电电子子式式互互感感器器11.光电电传传感感器器的的技技术术特特性性高精度电流用于测量的超过了IEC0.2s级和IEEC0.3级标准用于保护的超过了IEC5P级和IEEC10%标准电压用于测量的超过了IEC0.2级和IEEC0.3级标准用于保护的超过了IEC3P级和IEEC0.3级标准测量范围大电流用于测量的精确度范围是2~6300Ams用于保护的精确度范围是2~170kAms电压精确度范围是电压有效值的2%~200%测量频域宽电流、电压有效精确度的频域范围都是10Hz~6kHz安全并环保很宽的电极隔离（不需要油或SF6绝缘），没有谐振和二次开路的问题安装成本低重量轻，使得变电站设计很灵活；组合VT/CT很适合电网的测量和保护界面灵活用有效的电子仪器实现与用户的友好软件界面；输出既可能是高能量模拟信号、低能量模拟信号，也可能是数字信号；采用常规的变电站通讯规约免维护内部充有氮气，外部采用聚合绝缘2.1新型型电电子子式式互互感感器器13.光电电传传感感器器的的运运行行性性能能由于于没没有有绝绝缘缘油油和和纸纸等等介介质质，，采采用用硅硅树树脂脂橡橡胶胶覆覆盖盖聚聚合合绝绝缘缘柱柱，，使使得得维维护护简简单单，，且且免免除除了了带带电电清清洗洗的的麻麻烦烦。。同同样样因因没没有有运运行行部部件件从从而而在在运运行行电电压压下下也也就就没没有有电电磁磁谐谐振振和和在在发发生生严严重重故故障障时时存存在在内内部部机机构构危危及及人人员员或或附附近近设设备备安安全全的的问问题题，，也也不不会会产产生生太太大大的的有有功功损损耗耗；；当当然然由由于于采采用用光光导导设设计计，，因因此此也也不不用用担担心心二二次次开开路路时时的的感感应应电电压压问问题题。。光电电传传感感器器在在设设计计上上也也考考虑虑了了与与传传统统互互感感器器和和传传统统测测量量仪仪表表与与保保护护设设备备的的配配合合问问题题。。如如光光电电传传感感器器的的高高能能模模拟拟量量输输出出，，NXCT与传传统统电电压压互互感感器器的的配配合合等等。。2.1新型型电电子子式式互互感感器器14.光电电传传感感器器的的安安装装与传传统统的的互互感感器器比比较较，，光光电电传传感感器器尺尺寸寸小小，，质质量量轻轻，，没没有有油油或或SF6,因此此避避免免了了传传统统互互感感器器安安装装和和运运行行中中所所遇遇到到的的很很多多问问题题。。光光电电传传感感器器即即可可安安装装在在高高聚聚合合绝绝缘缘柱柱的的架架座座上上，，也也可可用用绝绝缘缘子子悬悬吊吊安安装装在在母母线线上上，，然然后后用用光光纤纤引引接接到到地地面面。。其其轻轻型型合合成成绝绝缘缘柱柱可可以以降降低低运运输输成成本本、、减减小小对对变变电电站站承承受受强强度度和和安安装装设设备备的的要要求求，，同同时时这这种种轻轻型型设设计计也也可可以以安安装装在在地地震震活活动动地地区区，，使使其其安安装装降降低低成成本本且且非非常常容容易易。。其安安装装主主要要是是光光传传感感柱柱和和电电流流电电压压光光电电转转换换器器及及他他们们之之间间的的连连接接光光缆缆，，光光传传感感柱柱一一般般安安装装在在变变电电站站的的支支撑撑支支架架上上，，对对NXCT用户户也也可可选选用用母母线线型型的的直直接接悬悬挂挂安安装装于于母母线线上上；；电电流流电电压压光光电电转转换换器器则则安安装装在在控控制制室室的的屏屏柜柜内内，，然然后后由由光光缆缆将将光光传传感感柱柱与与控控制制室室中中的的电电子子设设备备连连接接。。2.1新型电子式互互感器初始定位完成成后，用户就就可校验每一一个光电回路路，然后向高高压母线充电电，最终对全全部系统的运运行进行校验验。设备的各各项功能由软软件实现，调调试和整定由由用户通过人人机接口用键键盘和显示器器即可很容易易的完成。2.1新型电子式互互感器15.罗戈夫斯基（（独立式空心心）线圈的原原理罗戈夫斯基线线圈的工作原原理是空心线线圈的二次绕绕组绕在非磁磁性骨架上，，非磁性材料料使这种传感感器线性度极极好，不会饱饱和也无磁滞滞现象，因此此空心线圈具具有良好的稳稳定性能和暂暂态响应，并并为高压电网网继电保护设设备所广泛采采用。对于空心线圈圈，由安培定定理表明，在在负荷为高阻阻抗Z时，线圈的输输出电压是穿穿过线圈的一一次电流Ip（t）的函数。（1）对于任意形形状截面圆环环空心线圈，，输出电压近近似公式为2.1新型电子式互互感器（2）对于矩形截截面的圆环空空心线圈，输输出电压的公公式为μ0——真空导磁率，，4π×10-7V•S/(A•m)；N——匝密度，匝/m；A——单匝截面，m2；2ra——外径，m；2ri——内径，m；h——高度，m；Nw——空心环的匝数数；e（t）——低负荷Rb→∞时空心线圈的的输出电压，，V。设则空心线圈的的输出电压为为（稳态正弦电电流下）2.1新型电子式互互感器16.罗戈夫斯基光光电流互感器器的原理罗戈夫斯基光光电流互感器器和常规电磁磁式TA不同之处是它它采用罗戈夫夫斯基线圈，，没有铁芯，，相当于空芯芯线圈，一次次侧主导体中中流过一次电电流i1，二次线圈与与负载电阻相相连接。罗戈戈夫斯基线圈圈的工作原理理见下图。2.1新型电子式互互感器二次电流i2与一次电流i1的导数成正比比，其表达式式为式中，i1（t）为一次电流流，I2（t）为二次电流流；N为二次线圈匝匝数；A为线圈每一匝匝的截面积；；μ0为空气磁导率率；r为二次线圈等等效半径；R为二次负载电电阻。由于二次负载载电阻R取值很大，因因此，罗戈夫夫斯基线圈二二次侧的输出出值即为负载载电阻二端的的电压u，其表达式为为2.1新型电子式互互感器17.罗戈夫斯基光光电流互感器器元件的特点点（1）二次输出不不是常规电磁磁式TA中电流为5A或1A的电流量，而而是几伏的电电压量。（2）二次输出电电压与一次电电流对时间的的导数成正比比，即和频率率有关，并随随着频率的变变化而变化，，因此，其输输出必须进行行积分运算，，随着微机技技术的高速发发展，进行积积分运算的电电子器件体积积可以做的非非常小，这为为应用于组合合电器中的光光电电流互感感器元件的生生产实现产业业化提供了广广阔的前景。。（3）二次输出电电压与线圈每每一匝的截面面积成正比，，与线圈等效效半径成反比比，即其输出出和线圈的几几何尺寸有关关，由于环境境温度的变化化会影响线圈圈的几何尺寸寸，因此，温温度补偿技术术是保证这种种光电电流互互感器准确等等级的关键。。2.1新型电子式互互感器18.罗戈夫斯基光光电流互感器器元件存在的的问题（1）罗戈夫斯基基线圈在人工工绕制和多层层绕制过程中中会引人额外外误差。（2）线圈骨架材材料的温度特特性对线圈的的输出也有很很大的影响。。2.1新型电子式互互感器19.阻容分压器原原理的光电压压互感器元件件的特点（1）二次输出不不是常规电磁磁式TV的100V强电压量，而而是几伏的弱弱电压量（2）二次输出电电压与一次电电压对时间的的导数成正比比，和光电电电流互感器元元件相同，必必须依靠大功功率、高速度度的电子器件件进行积分运运算。（3）由于二次输输出电压与电电容环的几何何尺寸密切相相关，因此温温度补偿技术术也是决定其其准确等级的的关键。（4）二次输出按按IEC60044—7规定，有模拟拟量输出（保保护级为2V，测量级4V）和数字量输输出2种输出方式。。2.1新型电子式互互感器20.分压式电压互互感器的原理理分压式电压传传感器是与常常规电压互感感器类似的半半常规互感器器，包括电阻阻分压、电容容分压或阻容容分压等多种种方式，它由由分压器得到到一个小电压压信号，直接接输出或转换换为数字信号号后输出至二二次设备。原原理和应用如如下：（1）电阻分压器器。分压后得得到的小电压压与被测高电电压呈比例关关系，直接输输出即可以。。由于技术成成熟、体积小小、造价低、、可同时满足足测量和保护护需要、进行行电缆或开关关设备试验时时不必然、断断开隔离（因因此不会铁磁磁谐振）。故故广泛用用于于中压开关设设备。可与电电流传感器组组成复合传感感器。2.1新型电子式互互感器（2）阻容分压器器。分压后在在电阻上得到到的小电压是是被测高电压压的微分，要要求得到被测测电压需要对对小信号进行行积分。阻容容分压器广泛泛用于高压GIS设备。如使用用以导电杆为为轴的圆柱形形测量极。电电容C为：式中D、d——测量极、导电电杆的直径；；b——测量极长度；；ε0、εr——真空、绝缘气气体的导电率率。SF6气体电容器是是非常稳定的的，故得到广广泛应用。2.1新型电子式互互感器上图为阻容分分压器电路测测量极对地电电容为CE，其中包括电电缆电容。固固体和液体介介质对于温度度变化和长期期运行都不是是很稳定的。。解决的办法法是在此电容容上并联一个个稳定的电阻阻R，R值足够小使电电压输出不受受CE的影响。R和C构成阻容分压压器，输出电电压如下式式中，u1——高电压值。2.2智能开关技术术的应用1.智能开关的定定义智能设备是单单片机,传感器和电力力电子开关的的结合,在电力系统中中应用智能开开关技术,不仅可以提高高电力系统设设备的使用寿寿命,而且能够提高高电力系统的的稳定性,同时能够一定定程度的节约约电能。正因因为智能开关关具有明显的的优势,所以在电力系系统中应用智智能开关技术术具有广阔的的前景。相对于传统开开关其具备的的特点：（1）高性能和高可可靠性；（2）免维护；（（3）硬件软件化化；（4）具备在线监监测和自诊断断功能；（5）提供网络化化运动接口；；（6）功能自适应应等。智能开关柜键盘接口电路温度测量RS—485通讯接口LCD显示电路单片机控制系统电压采集电路电流采集电路功率因数角测量电路驱动电路智能开关主电路2.2智能开关技术术的应用2.智能开关的结结构组成（1）单片机作为为中央控制单单元,在预先编制好好的指令(即软件程序)的驱动下,控制整个硬件件电路工作,完成系统各项项功能。具有有当地无线通通讯口,能对下位机进进行控制;同时也具备远远程数据接口口。（2）键盘用于修修改和设定定定值,电压上下限、、电流上限值值等;（3）LCD用于显示定值值及各种运行行状态。单片机获得电电压、电流、、相角值后进进行分析计算算出功率因数数、三相不平平衡参数等,判断是否正常常。并通过周周期值和设定定值,控制开关的闭闭合与关断。。2.2智能开关技术术的应用2.应用智能开关关技术的必要要性随着国民经济济的发展和人人民物质生活活水平的不断断提高,对电力需求越越来越大,电网也在不断断扩大,用户对供电质质量和供电可可靠性要求越越来越高。为了满足用户户的需求,各大电力设备备的制造厂家家运用先进的的智能配电技技术,相继推出了智智能化的开关关柜以及相应应的配电系统统。智能化成成套开关设备备使整个变电电站的保护、、控制、监控控集中起来,同时也为变电电站广域监测测和断路系统统奠定了基础础。作为供电电设备的基本本控制与保护护电器,应能够保障在在控制、保护护对象的任何何工作状态下下可靠工作,其发展水平很很大程度上影影响着变电综综合自动化、、配电网络自自动化系统的的提高。2.2智能开关技术术的应用3.智能开关技术术的现状目前国内外还还没有真正意意义上的智能能开关。国内内目前进行的的数字化变电电站项目，开开关的数字化化实现大多是是通过二次设设备来转化实实现，一般采采用数字操作作箱的模式。。这种数字化化变电站普遍遍没有对开关关内部的二次次回路进行集集成化改造，，智能数字操操作箱与开关关整合度较低低。适用于智能化化变电站的智智能开关，其其控制装置必必须就地安装装于开关汇控控柜内。开关关本体取消了了开关内部二二次回路，仅仅提供跳合闸闸接口、闭锁锁触点、开关关辅助触点，，由控制装置置实现开关跳跳合闸闭锁、、防止跳跃、、强制跳闸、、就地操作等等功能。同时时控制装置还还必须承担开开关大量数字字量和模拟量量测量的任务务。2.2智能开关技术术的应用4.智能开关的功功能（1）智能感知开关电器的智智能感知模块块包含对电网网的电压、电电流信号的感感知。电网电电压、电流信信号中蕴涵着着丰富的诸如如电流/电压幅值、相相位等信息。。在不同的短短路电流条件件（如近区故故障、端子短短路故障、切切空载长线等等）下，智能能感知模块都都能通过电压压/电流信号区分分并判断，通通过执行模块块控制开关电电器动作，从从而安全、可可靠地完成操操作过程。2.2智能开关技术术的应用(2)智能判断与执执行开关电器的智智能判断与执执行功能的实实现，建立在在智能感知的的基础之上。。通过智能感感知获得暂态态恢复电压特特性曲线，并并与开关电电器触头动作作相配合，可可实现开关电电器的智能操操作，从而实实现开关电器器操作过程的的高可靠性、、低操作过电电压。操动机构变电站主控室分合信号开关电器状态信号数据采集数据采集调节装置智能识别智能控制单元电网高压开关电器器智能操作原原理框图上图为高压开开关电器智能能操作原理框框图，其中的的操动机构可可为永磁或斥斥力操动机构构。2.2智能开关技术术的应用左图为斥力机机构原理图。。斥力机构线线圈通电后，，斥力盘因涡涡流斥力快速速动作实现开开关电器的操操作。通过对对流过斥力机机构线圈的电电流进行智能能调控，可以以实现不同的的开关电器动动作特性，从从而实现智能能操作。2.2智能开关技术术的应用低压电器智能能操作的实现现可通过永磁磁操作机构和和斥力分闸操操作机构实现现。上图为斥斥力分闸永磁磁操作机构工工作原理图。。串联线圈和和静铁心构成成U型螺线线管，，根据据永久久磁铁铁和螺螺线管管线圈圈的相相互作作用原原理，，分闸闸时向向螺线线管线线圈通通反向向电流流，螺螺线管管和永永久磁磁铁因因磁极极同性性在一一定条条件下下而产产生出出电磁磁斥力力。通通过对对电磁磁斥力力的调调控，，可达达到提提高触触头分分闸速速度、、降低低触头头材料料损耗耗的目目的；；在分分闸末末期时时，工工作气气隙达达到最最大，，电磁磁力降降到最最低，，机械械碰撞撞强度度也达达到最最小，，从而而提高高了操操作机机构的的可靠靠性。。2.2智能开开关技技术的的应用用（3）状态态监测测与寿寿命评评估智能开开关电电器要要能实实时监监测并并评估估设备备本身身的运运行状状态、、劣化化趋势势、寿寿命等等信息息。智智能开开关电电器的的状态态监测测与寿寿命评评估包包括状状态感感知、、故障障诊断断、寿寿命评评估3个层次次。A.状态感感知功功能。。可实现现智能能开关关电器器各种种状态态信息息的现现场提提取，，如断断路器器位置置信息息，动动触头头行程程曲线线、分分合闸闸振动动、脱脱扣回回路、、储能能回路路等机机械状状态信信息，，支柱柱绝缘缘子等等绝缘缘部件件的绝绝缘状状态信信息（（局部部放电电、交交流泄泄漏电电流等等），，载流流部件件的温温度状状态、、环境境状态态信息息等。。右图图为开开关电电器中中的支支柱绝绝缘子子交流流泄漏漏电流流信息息感知知模块块。该该模块块包括括交流流泄漏漏电流流信号号提取取、隔隔离、、I/V转换、、信号号调理理。2.2智能开开关技技术的的应用用B.故障诊诊断功功能。。可实实现对对开关关电器器当前前运行行状态态是否否健康康的判判断。。根据据实际际需求求，可可以采采用简简单的的阈值值判断断，例例如母母线温温升是是否超超标