电子式互感器的研究与应用

电子式互感器的研究与应用

近年来，随着电气系统容量的增加，电网运行电压的等级也越来越高。另一方面，传统的供电功率低、成本高、性能好难以满足电网发展的要求。另一方面，超高压和超高压电网的发展迫切需要开发新的电子式传感器。同时,随着变电站自动化和网络通信技术的飞速发展,IEC61850标准体系的颁布和推行,传统的变电站已逐渐向数字化变电站过渡。电子式互感器作为数字化变电站的基础和重要的组成部分,其发展和应用受到了广泛的关注。电子式互感器具有结构紧凑、绝缘性能优越、抗电磁干扰、不饱和、易于数字信号传输等优点,不但可降低变电站的综合成本,更重要的是可大幅度提高系统内保护装置及计量装置的动作可靠性及精度,对保证电网安全及有效提高计量回路的整体精度有重大的现实意义。1电子表达的定义和标准1.1电子电流、电压整体刑事电子式整体传感电子式互感器指输出为小电压模拟信号或数字信号的电流、电压互感器。由于模拟输出的电子式互感器仍存在传统互感器的一些固有缺点,现在发展的高电压等级用电子式互感器一般都用光纤输出数字信号(以下的电子式互感器均指此类电子式互感器)。电子式电流、电压互感器无铁心、绝缘结构简单可靠,体积小、质量小、线性度好、无饱和现象,输出信号可直接输入微机化计量及保护设备接口。由于信号输出采用比电缆廉价的光缆,从而降低了综合成本。电子式互感器具有诸多优点,取代传统互感器将只是一个时间问题。1.2iec病毒传输数字通信协议与局域网网络互通电子互感器的标准化工作是由1999年IEC60044-7(电子式电压互感器)和2002年IEC60044-8(电子式电流互感器)的发布开始的。在这两个标准中串行数字通信协议被标准化。2003年初,类似的串行协议被用在IEC61850-9-1标准中,但这种串行协议不能满足61850总线系统的大部分需求。2004年发布了IEC61850-9-2,以太网协议作为标准确立了下来,互感器的输出通过交换机提供给其他通过同样的标准连接在网络上的保护、计量等设备。这一系列标准的颁布为电子式互感器的应用和推广奠定了基础。2电子式电压传感传感及转换根据一次传感器部分是否需要提供电源,电子式互感器可分为有源式和无源式两类。若一次传感器是电磁测量原理的,一次转换器就要将一次传感器的电输出信号转换为光信号,再由光纤传输系统送出去。一次转换器是电子部件,需要电源供电,此类互感器叫有源电子式互感器。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去,就不需要一次转换器,也就无需电源了,此类互感器叫无源电子式互感器。电子式电压互感器主要采用电阻分压器、电容分压器、串联感应分压器或光学原理等方式实现一次电压信号的转换;电子式电流互感器主要采用Rogowski线圈、光学装置或传统电流互感器等方式实现一次电流信号的转换。2.1电流传感检测原理Faraday磁致旋光效应是指在光学各向同性的透明介质中,外加磁场可以使在介质中沿磁场方向传播的平面偏振光的偏振面发生旋转。利用Faraday磁光效应测量电流的电流互感器原理如下:LED(发光二极管)发出的光经起偏器后为一线偏振光,这束线偏振光在磁光材料(如重火石玻璃)中绕载流导体一周后其偏振面将发生旋转。旋转角正比于磁场强度沿偏振光通过材料路径的线积分。据法拉第磁光效应及安培环路定律可知,线偏振光旋转的角度θ与载流导体中流过的电流i有如下关系:式中V为磁光材料的Verdet常数。由式(1)可知角度θ与被测电流i成正比,利用检偏器将角度θ的变化转换为输出光强的变化,经光电变换及相应的信号处理便可求得被测电流i。其测量原理如图1所示。2.2空心螺线管ut积分这种电流互感器采用Rogowski线圈感应被测电流。如图2所示,Rogowski线圈套在一次导电杆上,实际上是均匀密绕在一环形非磁性骨架上的空心螺线管,其输出电压u(t)与被测电流的i(t)的时间导数成正比。式中M是仅取决于线圈尺寸的比例系数,将u(t)积分便可求得被测电流。u(t)经积分变换及A/D转换后,由LED转换为数字光信号输出,控制室的PIN及信号处理电路对其进行光电变换及相应的信号处理,便可输出供微机保护和计量用的电信号。2.3基于pockels效应的光学电压传感传感技术所谓普克尔(Pockels)效应就是指某些透明的光学介质在外电场的作用下,其折射率线性地随外加电场而变。Pockels效应又称为线性电光效应。具有电光效应的物质很多,但在电力系统高电压测量中用得最多的是BGO(锗酸铋Bi4Ge3O12)晶体,BGO是一种透过率高、无自然双折射和自然旋光性、不存在热电效应的电光晶体。根据电光晶体中通光方向与外加电场(电压)方向的不同,基于Pockels效应的光学电压互感器可分为横向调制光学电压互感器和纵向调制光学电压互感器。光学电压传感器是利用Pockels电光效应测量电压的,如图3所示。LED发出的光经起偏器后为一线偏振光,在外加电压作用下,线偏振光经电光晶体(如BGO晶体)后发生双折射,双折射两光束的相位差δ与外加电压U成正比,利用检偏器将相位差δ的变化转换为输出光强的变化,经光电变换及相应的信号处理便可求得被测电压。2.4分压器和串联应力分压器的工作原理电压互感器主要是由分压器、电子处理电路和光纤等组成。分压器分为电容分压器、电阻分压器、阻容分压器和串联感应分压器等。被测高压信号由分压器从电网中取出,经信号预处理、A/D变换及LED转换,以数字光信号的形式送至控制室,控制室的PIN及信号处理电路对其进行光电变换及相应的信号处理,便可输出供微机保护和计量用的电信号。以电容分压器为例,分压原理的电子式电压互感器的原理如图4。2.5电子式电流电压组合测量系统将电流互感器和电压互感器组合在一起的电流电压互感器分为有源式和无源式两种。有源电子式电流电压组合互感器的电流测量采用Rogowski线圈,电压的测量利用分压原理。无源组合式光学电流电压互感器,其电流传感器的工作原理基于Faraday磁光效应,电压传感器的工作原理基于Pockels电光效应。3电子传感器的结构和性能3.1号调制+光纤引至二次线圈的设计电子式互感器的结构如图5所示。在高电位等势体内,完成一次电流传输、二次信号采集、数字信号调制和光信号输出,光纤从等势体出线,通过绝缘支柱走线到地电位,进入光缆引至位于集控室的合并器单元。常规电流互感器要把地电位引至二次线圈,使得高低电位之间的绝缘距离为线圈内半径。由于光纤绝缘体的采用,电子式互感器将高低电位之间的绝缘距离扩大至整支绝缘柱高度。3.2电子式电流责任意识电子式互感器具有如下特点:1)绝缘性能优良,体积小,重量轻,造价低。常规互感器为满足绝缘、负荷和暂态稳定的要求,体积和重量较大,造价高。由电子式互感器的结构可知,其绝缘性能优于常规的互感器。在电子式互感器中,高压侧与地电位之间的信号传输采用绝缘材料制造的石英光纤,因此,绝缘结构简单、体积小、造价低。2)不含铁心,消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。常规互感器不可避免地存在磁饱和、铁磁共振和磁滞效应等问题,而电子式电流互感器不存在这方面的问题。3)抗电磁干扰性能好,二次侧无开路、短路的危险。常规的电流互感器二次不能开路,电压互感器二次不能短路。电子式电流互感器的高压边与低压边之间只存在光纤联系,不存在电磁干扰,无二次侧无开路、短路的可能。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,短路故障时短路电流越来越大。电磁感应式电流互感器因存在磁饱和问题,难以同时满足高精度计量和继电保护的需要。电子式电流互感器有很宽的动态范围,额定电流可测到几安培至几千安培,短时大电流可达几万安培,可同时满足高精度计量和继电保护的需要。5)适应了电力计量与保护数字化的发展潮流。电子式电流(电压)互感器的输出多为数字量。输出的数字接口的物理层和链接层符合国际电工委员会的遥控设备和系统IEC60870标准以及变电站的通信和系统IEC61850标准。与电力系统中的继电保护、通信及计量的数字化发展方向是兼容的。4国外电子式整体传感技术的发展国外对于电子式互感器的研究已有30多年的历史,投入了较大的资金和人力,不断推进电子式互感器的发展,相关行业的一些大公司已迈向产品化、市场化的道路。其中,ABB、西门子、阿海珐(原阿尔斯通)、NxtPhase等公司生产的电子式互感器己有十几年的成功运行业绩,采用电子式互感器的数字化变电站在欧洲也已经投入运行。施奈德电气、美国的PhotonicPowerSystem公司、德国的RITZ公司等公司也在电子式互感器互感器方面进行了一系列的研究。三菱、东芝等公司都已开发或正在开发一系列的电子式互感器产品,并有现场挂网。我国电子式互感器的研制和运用相对比较落后,仅有为数不多的变电站使用了一些电子式互感器。清华大学、中国电力科学研究院、南京南瑞继保电气有限公司、南京新宁光电自动化有限公司等20余家企业和高校涉足了电子式互感器的开发,经过多年的努力,己有若干套设备在现场试运行。我国在沈阳变压器研究所全国互感器标准化技术委员会的主持下,参照IEC60044-7和IEC60044-8,并结合我国的实际情况,制定了相应的电子式电压互感器标准及电子式电流互感器标准,分别是关于EVT和ECT的GB/T20840.7—2007和GB/T20840.8—2007。该标准2007年已经由中国标准化管理委员会颁布。这说明我国电子式互感