电容式电压互感器技术的发展

电容式电压互感器技术的发展

智能能源技术的发展和应用对能源系统中电压和电流传感器提出了新的要求：测量线路的性、信号的数字化和通信的网络化。同时,数字化功率计量、计算机继电保护装置的广泛应用,对电压、电流传感器负载能力的要求剧降,也为电压、电流传感器技术及其产品的发展提供了必要的条件。目前,虽然电网中广泛使用的电容式电压互感器、电磁式电流互感器的技术成熟,有长期的运行经验,但它们的测量线性度较差、瞬变响应速度较慢,且电磁式电流互感器的瞬态误差特性也不理想。早在20世纪50年代,国外如ABB,SIEMENS,ALSTOM等公司就已开始研究新式电压、电流传感器技术,光电互感器就是其中主要的一种。20世纪90年代初,国外已将光电互感器应用到电力系统中,如20世纪90年代中期日本曾在其1MV特高压气体绝缘金属封闭开关设备(GasInsulatedSwitchgear,GIS)中使用光电式电压互感器为继电保护装置提供电压信号,但由于1/4偏振晶体的温度系数过大等技术难点未能很好解决,其电压测量误差达±10%。20世纪末,加拿大Trnch-Haffly公司推出一种低功率互感器(LowerPowerTransformers,LP)。额定电压40.5kV及以下电压等级的低功率电压互感器(LowerPowerVoltageTransformers,LPV)是一个电阻分压器,额定电压66~145kV的LPV是一个阻容分压器,这两种LPV要求的负载阻抗≥1MΩ。SIEMENS-TRENCH公司曾在中国力图推广这类LPV,但因电网一次系统和二次系统的接口技术衔接困难而受阻。现在,随着《IEC60044-7电子式电压互感器》《IEC60044-8电子式电流互感器》及《IEC61850变电站的通信网络和系统》等标准的相继颁布,我国与之相应的国网标准DL860也随之颁布,为电子式互感器的发展和推广应用奠定了基础。近10年来,国内外电子式互感器技术和产品有较快的发展。目前,ALSTOM已有3000余台高压电子式电流互感器在电力系统中运行,国电南瑞继电保护有限公司已能批量生产500kV及以下电压等级的交、直流电子式电压互感器和电流互感器,并已有成功挂网运行的经验。本文介绍几种不同原理结构的电子式电流、电压互感器的技术特点。1电子电流传感器1.1带单独作用的电流传感技术罗氏线圈在原理上与传统的电磁式电流互感器相同,都是应用电磁感应原理将高压大电流转换为小电流,并将该小电流信号经运算放大器放大后由模拟量转换成光信号,用光纤将该数字量传送至二次测量及继电保护系统,如图1所示。罗氏线圈运放和A/D转换装置均固定在高电位,用电容分压器或电感分压器支撑并作电位隔离,其分压器可兼作电压传感器。这类电流互感器与传统电流互感器相比,具有体积小、测量频率范围1MHz(传统电流互感器的测量频率范围小于100kHz)、非线性度为0.05%、测量电流范围可从数安培到上百千安培,且测量准确度不受环境温度影响、绝缘可靠性好等特点,适用于高压、超高压及特高压输变电系统的电流监测及继电保护。其缺点是处在高电位的运放和A/D转换装置是一个有源电路,需要一个激光功率发射装置为其提供数毫瓦的工作电源。罗氏线圈电流传感器只能测量交变电流,灵敏度较低,1%额定电流下的测量误差很难保证,且易受邻近磁场的干扰,目前准确度最高只能做到0.5级。1.2基于霍姆效应的传感器霍尔效应定义了磁场和感应电压之间的关系,这种效应和传统的感应效果完全不同。当电流通过一个位于磁场中的导体时,磁场会对导体中的电子(电流)产生一个垂直于电子(电流)运动方向上的作用力,从而在导体两端产生电压差,这种效应在半导体上更为强烈。虽然这个效应人们早已知道并理解,但在基于霍尔效应的传感器在材料工艺上获得重大进展之前并不实用。随着半导体技术的发展,出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路,霍尔效应电流传感器作为一类新型的传感器在电力系统电流测量中才得到了广泛的应用。图2所示为霍尔电流互感器的原理示意图。霍尔效应电流互感器的测量频率范围较宽,约0~150kHz,可测量直流电流,测量灵敏度较高,约0.05%/Oe,测量电流范围为10-5~3.5kA,非线性度远优于传统电流互感器,具有体积小、质量轻的优点。其缺点是电压温度系数较高,约为-0.3%/℃(经补偿后可降至-0.05%/℃),性能易受温度和工艺影响,电压较低,约1kV,适用于中低压智能设备的电流监测。1.3光探测器的解调基于法拉第磁光效应的光纤式电流互感器(FiberOpticalCurrentTransformer,OFCT)的工作原理是将来自光源的光束经过光纤送入调制器,使该电流产生的磁场与进入调制区的光相互作用,使该光束的特性参数,如光的强度、波长、相位、偏正态等发生变化,再将该被调制的信号光束经过光纤传送到光探测器,经解调后获得被测电流参数。光纤式电流互感器的原理结构如图3所示,主要由传感头、输送与接入光纤、电子回路等3部分组成。其中,传感头是最关键的部分,包含载流导体、绕于载流导体上的传感光纤及起偏镜、检偏镜等光学部件。电子回路则包括光源、受光元件、信号处理电路等。根据传感头有无电源,光纤式电流传感器可分为无源式及有源式电流传感器两类。光纤式电流互感器测量频率范围宽(DC~300MHz),具有无铁芯、绝缘结构简单可靠、体积小、质量轻、线性度好、动态范围大、无饱和现象、输出信号可直接与微机化计量及继电保护设备接口连接等优点,且现代的OFCT已经较好地解决了对温度较为敏感的技术难题,额定电流3kA及以下的测量准确度可达0.2级,目前在国内外的电力系统中均已成功应用,发展前景十分广阔。1.4gmr电流传感器基于巨磁电阻(GiantMangnetoResistive,GMR)效应的电流互感器为智能电网的在线电流监测提供了一种新的选择。GMR电流互感器的工作原理基于1988年发现的巨磁电阻效应,即在外磁场作用下,传感器电阻会发生巨大的变化,如图4所示。图中,R/RH=0为材料电阻与磁场强度H=0时电阻的比值;Hs为传感曲线饱和时的磁场强度;为方便起见,磁场强度单位采用高斯单位制中的Oe,其与国际单位制的换算关系为1Oe=1000/(4πA·m-1)。当磁场为零时,GMR的电阻为最大;在磁场正向或负向增大时,GMR的电阻均减小,且不同结构材料电阻下降的百分比不同。GMR电流互感器是一类应用GMR效应测量电流的装置。按照测量原理,GMR电流传感器可分为开环式互感器和闭环式传感器。开环式GMR电流互感器是通过直接测量长直导线上的电流产生的磁场来测量电流。如图5所示,导体中的电流方向与GMR传感器的敏感轴正交,电流磁场产生的磁场磁力线方向与敏感轴平行。如流经导体的电流为I,传感器与导体间的距离为d,当电流变化时,磁场随之变化,GMR的电阻也发生变化,利用电桥结构电路将电阻的变化输出为一个电压信号。由于GMR电阻和磁场强度之间具有线性变化规律,输出的电压与被测电流成正比,从而实现电流信号的测量功能。相比于开环式互感器,闭环式GMR电流传感器增加了一个由运放反馈线圈组成的反馈电路,如图6所示。其工作原理如下:GMR元件放置在环形铁芯的气隙中,使被测电流I所产生的磁通Φ集中穿过GMR元件。由于GMR效应,在GMR元件的电压端上产生电压U,该电压再经放大后传送到绕制于铁芯的补偿线圈,在该补偿线圈中产生磁通Φ0。当Φ0完全补偿被测电流产生的Φ时,电流I0就会发生相应的变化,并通过取样电阻R上的电压Uout反映出来,而待测电流I也可以通过Uout得出。运用该磁场反馈法可改善GMR电流互感器的线性度,并增宽动态测量范围。GMR电流互感器能够测量直流到高频(1MHz)的电流信号,具有很宽的频率范围,其丰富的磁电阻测量体系可满足电力系统中各类电流的监测需要,可测量的电流范围为10-6~10kA。GMR电流传感器体积小、灵敏度高(0.01%~2%/Oe)、线性度好(0.001%~0.05%),经补偿后,GMR的电压温度系数可达-0.007%/℃,测量准确度可达0.2级,且体积小、结构简单、造价低廉,对于高压、超高压及特高压输电线路的分布式实时监测而言,具有广阔的应用前景。当然,GMR电流互感器要在实际电网监测中得到广泛应用仍存在不少问题,如在实际电网中雷电冲击、系统操作和短路电流均会产生很强的电磁干扰;高频信号易通过分布电感和电容耦合进入GMR电桥结构电路,对测量产生影响;GMR采用有源式测量,需要外置电源供电,这对于高压、超高压及特高压架空输电线路上的电流监测将是一大难题(采用太阳能供电或许是一种方案)。此外,对称性、灵敏度及安装位置敏感等问题都有待进一步研究解决。2电磁式和电容式电压传感传感原理是考虑电压互感器是电力系统中取得计量和保护信号的重要设备。随着电力系统传输的电力容量越来越大,电压等级也越来越高,传统的电磁式和电容式电压互感器也因其传感原理而呈现出自身难以克服的问题,如绝缘结构日趋复杂、体积大、造价高,充油的互感器还严重影响变电站的防火安全。采用新材料、新技术研究各类新型的电压互感器,以实现高压、超高压及特高压电力系统的电压测量需求一直是研究与发展的重要课题。2.1光电转换电路当电场力作用到某些半导体材料时,其电力线的方向发生偏移,偏移的角度θ和电场强度E之间存在特定的函数关系:θ=F(E)这就是Pockels效应。利用这种特性可以测量电压。一台Pockels效应电压互感器主要由探头、电光转换电路和光电转换电路等3部分组成。探头部分是最关键的1/4波长的偏振晶体,其性能的稳定性是能否准确测量电压的关键。电光转换电路包含运放和A/D转换电路,是有源电路。将调制后的数字信号用光纤传送至低压侧,经D/A转换解调后传送至电压测量及继电保护装置。光电式电压互感器结构简单,质量轻,绝缘可靠性好,测量频率范围宽,瞬态响应特性好,非常适用在超高压或特高压交、直流输变电系统上应用。如20世纪90年代中期日本曾在交流1MV特高压GIS中采用光电式电压互感器为继电保护系统提供电压信号;20世纪80年代,法国也在AC380kV电力系统中挂网试运行,我国自80年代后期在华中科技大学、清华大学、中国科学院电工所开展光电式电压互感器的研究,并于90年代中期将AC110kV的光电式电压互感器在广东电网试运行。但应用Pockels效应制成的电压互感器有一个致命的缺点:其关键部件1/4波长偏振晶体材料的温度系数过大,且稳定性也存在问题,故电压测量误差过大。20世纪90年代初,日本在1MVGIS上所应用的光电式电压互感器的电压测量误差达±10%。多年来,人们尽管付出了极大的努力,但其测量误差及稳定性仍不尽人意,因此,目前光电式电压互感器的技术尚不如光电式电流互感器成熟,应用也不及光电式电流互感器广泛。2.2低功率电压传感器电力系统电压测量、继电保护的数字化大大减轻了对互感器输出容量的要求,也为低功率电压传感器的发展和应用提供了基础。20世纪末Haffly公司提出了低功率互感器的概念,主要包括电阻分压器、阻容分压器及小铁心电流互感器等;我国也于21世纪初研制出了电感式分压器和电容式分压器。2.2.1电阻分压式lpv在额定电压40.5kV及以下的电力系统采用电阻分压式LPV,这种LPV要求的负载阻抗>100kΩ,而一般数字式电压测量装置的输入阻抗>1MΩ,但微机保护装置的输入阻抗在100kΩ左右,故若在更高的电压等级使用电阻分压器,由于分压比大,导致低压臂电阻下降,不能满足二次负载阻抗的要求。另外,在电压等级较低时,电阻分压器回路的固有电感较低,能够获得满意的频响特性。这类LPV结构简单,如图8所示,据Haffly公司介绍,电阻分压式LPV的技术难点是要解决好低压臂与电缆连接处分布电容对测量精度的影响。一个性能好的电阻式LPV,当其负载阻抗>1MΩ时,准确度能达到0.2级。2.2.2阻容分压式lpv用于额定电压72.5kV及以上的高压、超高压及特高压交、直流电力系统中。由于电压等级高,分压比大,低压臂电阻较低不能满足其二次负载阻抗>100kΩ的要求,同时电压等级越高的电阻分压器,其回路固有电感也越大,频响特性不能令人满意。因此,目前测量超高压或特高压交、直流输电系统电压一般采用阻容分压式LPV。带有电容补偿的电阻分压器的频响特性好,但在高压和低压测量系统之间缺少隔离。在实际的高压电流输电(High-VoltageDirectCurrent,HVDC)系统中,由于故障或操作冲击会产生高压共模电压,故安全隔离是十分必要的。随着HVDC电压等级的升高,相应设备的体积呈级数增大,绝缘难度大大增加。采用光纤传送信号并兼作高、低压之间的绝缘,由于其A/D转换电路在阻容分压器的低压端,可就地采用电站操作电源供电。目前,ABB公司便有采用该技术的直流电压分压器。目前,纯电阻分压式LPV精度可达到0.2级,但由于电容器受温度的影响,阻容分压式LPV电压测量精度尚不理想,只能达到0.5级。目前,国内也使用电感式分压式LPV来测量交流电压,电压等级220kV,准确度0.2级,频响特性良好。3传统传感器及设备的发展智能化电网的兴起和各类新型电流传感器、电压传感器技术及产品的发展,对传统的互感器产业提出了严峻的挑战,同时也为互感器产业的发展提供了各种选择和机遇。3.1低功率电流整体传感技术目前,高压、超高压及特高压交流电力系统中常用的电流监测传感器仍是基于线圈绕组式变压器原理的电流互感器。这类电流互感器按绝缘结构不同可分为油浸式和干式电流互感器(绝缘层为聚酯薄膜,经真空处理后充以氟化硫(SF6)气体或填充硅脂);按一次绕组的不同可分为倒置式和正立式电流互感器(U型绕组)。欧洲生产有一种发卡型(也称R型)电流互感器,目前该产品主要由ABB公司生产,其主要技术特点是对一次绕组做了变形设计,将带有二次绕组的铁心安装于该一次绕组的一侧,仍为油纸绝缘结构。为适应电力系统数字化功率计量、计算机继电保护技术的快速发展和应用的需要,一些传统的电流互感器制造企业,如Haffly公司在20世纪末研制了一种低功率电流互感器(LowerPowerCurrentTransformers,LPC),也称小铁心电流互感器。该种LPC的技术原理与传统的铁心式电流互感器完全相同,只是其铁心的尺寸和质量均小于传统电流互感器,当然,其二次输出容量也远小于传统电流互感器,但已可满足智能化高压设备和数字化变电站的电流监测需要。近10年来,尽管各种新型电流传感器技术及产品发展很快,但在某些方面尚需完善,如罗氏线圈式电流传感器,其电流测量准确度目前只有1.0级(最多0.5级),且在1%额定电流下的测量精度也不理想;另外,受磁场邻近效应的干扰,有源电路的工作电源和电子线路的抗扰能力和寿命等均有待进一步研究和完善。目前,光电式电流传感器的测量准确度可达0.2级,但其稳定性、探头及光纤等的寿命尚需进一步考核。因此,笔者认为传统的电流互感器制造企业应该抓住机遇,求新图变,以适应市场。一方面传统电流互感器制造企业应充分发挥自己在该领域技术积累形成的优势,如Haffly公司那样发展类似的LPC等,积极适应智能化电网发展对电流传感器的需求;另一方面,有条件的企业应及时调整企业发展规划,投入人力、财力,积极进入各类新型电子式电流互感器技术领域,以免在10年后被淘汰出局。3.2特高压电容式电压传感技术目前,国内外高压、超高压及特高压电力系统普遍使用的仍为电容式电压互感器和电磁式电压互感器,但近年来各类新型的电压传感器技术及产品,如LPV发展很快。由于受电容器温度系数的影响,高压阻容分压式LPV的测量精度只能达到0.5级;光电式电压互感器对温度的影响更为敏感。因此,至今这些新型电压传感器还只能用于高压、超高压及特高压电力系统的继电保护,而不能用于电能计量。电容式电压互感器在我国已有近50年的制造和运行经验,其具有绝缘可靠性好、测量精度高等优点,可消除电力系统操作暂态过电压、激发系统铁磁过电压的问题。目前,我国在66kV及以上的电力系统中90%以上均采用电容式电压互感器;在山西阳泉—湖北荆门的我国第一条1100kV的交流特高压示范输电线路中使用的也是电容式电压互感器。但当前智能电网的发展对电容式电压互感器技术的发展提出了新的要求,其二次负载大大下降,如上述1100kV电容式电 压互感器3个二次绕组的额定容量均只有10V·A。此外,我国电力系统新建220kV及以上输变电线路的通信和高频保护信号均由架空复合地线中的光纤传送。电力系统对电容式电压互感器二次输出容量由大到小和通讯方式的变化使该技术面临多方面的变革:①电容分压器的额定电容量可大大下降;②对原耦合电容器电力线载波要求的高频特性可取消;③电容式电压互感器的额定中间电压可大幅降低;④可由此带来中间变压器体积缩小、阻尼功率下降等一系列的变化。由国网电力科学研究院自主设计、研发,用于交流1.1MV皖电东送工程的罐式结构特高压电容式电压互感器顺利通过型式试验,产品的特性参数为:短时工频耐受电压1.1MV/5min,雷电冲击耐受电压2.4MV,操作冲击耐受电压1.8MV,二次绕组准确达0.2/0.2/0.5(3P)/3P。电容式电压互感