电子式电流互感器的应用

电子式电流互感器的应用

现代能源系统的特点是功率大、电压低、桂花大、数字大、自动化。随着电网电压的增加，传统的传感器磁饱和、线性低、测量精确度小等问题日益突出。另外随着数字技术在电力系统中的广泛应用,为了使传统互感器和数字设备接口,还要在两者之间加上电流变换器。为了适应高电网电压,同时实现电网运行的控制、保护、监测、通信和记录的自动化,市场迫切需要一种新型的互感器出现,以满足电力系统的快速发展,于是电子式电流互感器应运而生。电流传感器的分类电流互感器可分为传统式与电子式两种,具体分类及工作原理如表1所示。下面介绍两种典型的电流互感器。(1)流东北部输出根据国家标准GB1208—2006规定:电磁式电流互感器是一种作为测量仪器、仪表、继电器和其他类似电器供电的变压器,正常使用条件下二次电流与一次电流实际成正比,且在连接方法正确时其相位差接近于零。(2)测量器器根据国家标准GB/T20840.8—2007规定:电子式电流互感器由连接到传输系统和二次转换器的一个或多个电流或电压传感器组成,用以传输正比于被测量的量,供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。在数字接口的情况下,一组电子式互感器用一台合并单元完成此功能。工作原则1.次不同政府绕线作磁动势传统电磁式电流互感器根据电磁感应原理制成,其接线如图1所示。一次绕组流过电流时,铁心中产生和电流I1同一频率变化的交变磁通Φ1,当磁通Φ1穿过二次绕组线匝时,二次绕组中会感应出电动势,在感应电动势的作用下二次回路就会有电流I2流过。根据磁动势平衡原理,一、二次绕组的电流应满足如下关系式中,N1、N2为互感器一、二次绕组匝数;I1N1、I2N2为互感器一、二次绕组形成的磁动势;I0N1为铁心中的励磁磁动势。若铁心磁导率很高,铁心中各种损耗很小,所需励磁磁动势很小,可忽略,则有则由于一次绕组匝数远小于二次绕组匝数,于是实现了将大电流转换为小电流的目的。2.电子电流传感器电子式电流互感器按一次传感器的工作方式可分为有源型和无源型,下面分别以无源磁光式和有源电子式为例进行介绍。(1)偏振面旋转角度测试无源磁光式电流互感器由传感头、光路部分、检测系统和信号处理系统等组成,如图2所示。恒流源驱动一只发光二极管作为恒定光源,光通过光缆中的一根光纤从控制室传输到现场高压区,经过准直透镜准直后成为平行光束,再经起偏器变为偏振光入射进传感头,在电流磁场作用下,光的偏振面会发生旋转,出射光经过检偏器检偏后再经耦合透镜耦合进入光缆中的另一根光纤传输至二次转换器,再连接合并单元,合并单元的数字输出口可接保护和计量自动装置等。设起偏器的输出光强为I0,检偏器的输出光强为I,根据马吕斯定律,二者关系为经计算得,当φ=±π/4时,线性度最好,动态范围最大,一般取φ=π/4,其中光偏振面的旋转角为式中,V为单位光程单位场强的旋转角常数;a为光路的光强衰减系数;φ为起、检偏器透光轴交角。当a=1时,式(3)可表示为式中,I0为光源输出的恒定初始光强。当θ很小时,sin2θ≈2θ,当环路数N=1时,式(4)变为式中,A0为待测电流有效值;ω为待测电流角频率。利用电子线路进行交流与直流信号分离,有为了消除光功率波动的影响,用交流信号除以直流信号,则有式中,K为比例系数,经标定后即可得到被测电流大小。(2)空心线圈与光纤传输系统有源电子式电流互感器由罗格夫斯基空心线圈、低功率铁心线圈、高压侧调制电路、高压侧供电电源、复合绝缘子与光纤传输系统等组成,其原理如图3所示。空心线圈作为保护通道传感单元,低功率铁心线圈作为测量通道传感单元。调制电路将高压侧含有被测电流信息的电压信号转换为数字信号,同时将测量和保护通道的信号整合成一路数字信号后,再变换成光信号驱动LED,以光脉冲的形式通过信号传输光纤传输至低压侧的合并单元。3.资源比较(1)磁饱和的原因电流互感器的线性工作状态和非线性工作状态是基于基本磁化曲线提出的。铁磁材料磁化曲线的基本形状如图4所示,由以下四部分组成:可逆磁化部分(oa段),急剧磁化部分(ab段),渐饱和部分(bc),深饱和部分(c点之后)。所谓互感器的磁饱和,实质是互感器铁心中的磁通密度B过大,超过了饱和点造成的。而铁心中磁通的多少取决于建立该磁通的电流的大小,也就是励磁电流I0的大小。当I0过大引起磁通密度过大,将使铁心趋于饱和,而此时互感器的励磁阻抗会显著下降,从而使励磁电流继续增大,进一步加剧磁通增加和铁心饱和,这其实是一个恶性循环的过程。一旦铁心磁通饱和,会使铁心损耗增加,产生大量热量,损坏绝缘,并在铁心中产生剩磁,使互感器比差和角差增大,失去准确性。由于电子式电流互感器没有铁心,所以完全没有磁饱和的缺点。(2)电磁式电流传感测量以系统发生单相接地和短路两种故障情况为例进行说明。假定系统为35kV架空线路,线路长度l=30km,每相导线对地电容C0=0.005μF/km,当电力线路末端发生单相接地故障时,单相接地电容电流为式中,ω为角频率;C为相对地电容;U0为相电压。系统发生单相接地故障时零序电流大小一般为几安培,短路电流一般为额定电流的几十甚至几百倍,电磁式电流互感器因存在磁饱和问题,难以实现大范围测量,电子式电流互感器有很宽的动态范围,一个测量通道额定电流可测到几十安培至数千安培,过电流范围可达几万安培,因此既可同时满足计量和继电保护的需要,又可免除电磁式电流互感器多个测量通道的复杂结构。表2所示为ABB公司生产的一款基于法拉第效应原理的无源光电式电流互感器的技术数据,可以看出,其在4~4000A的电流范围内,测量精度均可达到0.2级。(3)电子式电流传感器传统电流互感器工作利用的是电磁感应原理,一、二次线圈均在同一铁心上,工作时难以实现高低压完全隔离,会对设备和人身造成潜在威胁。电子式电流互感器将高压侧信号通过玻璃光纤传输到二次设备,使绝缘结构大为简化。它用光缆而不用电缆传输信号,实现了高低压的彻底隔离,不存在电流互感器二次开路给设备和人身造成的危害,提高了安全性和可靠性。(4)电子式传感计量设备电力系统继电保护技术的发展趋势是网络化、智能化及保护、控制、测量和通信一体化,这些都要求互感器输出数字化。目前,用于变电站的监视、控制和保护等的互感器已实现微机数字化,但由于提供一次部分信息的传统电流互感器输出为交流模拟信号,不能提供与数字系统相匹配的数字信号输出,使得站内二次连线复杂,可靠性降低。电子式互感器可提供模拟量输出或数字量输出,因而可直接用于微机保护和电子式计量设备,而且能实现在线检测和故障诊断,适应了电力计量和保护数字化、微机化和自动化发展的方向,在变电站综合自动化管理方面有明显的优势。为了适应变电站自动化技术的迅速发展,IEC提出并制定了关于变电站自动化系统的通信网络和系统的国际标准IEC61850。如何在新标准下开发新的产品成为目前研究的焦点,特别是在IEC61850标准下开发电子式互感器成为研究的热点,也是今后互感器发展的新方向。罗格烷基线圈型电流传感技术无源型磁光式电流互感器目前在河北110kV承德变电站、江门沙坪110kV变电站、晋中110kV变电站、陈庄220kV变电站和富春江220kV水电站等有一定的应用。罗格夫斯基线圈型电流互感器在国内许多工程都得到了成功应用,其中天津市电力公司承建的陈甫220kV变电站示范工程,是对IEC61850通信规范技术和智能化一次设备技术综合应用的大胆尝试,陈甫220kV变电站项目于2007年9月5日启动,2009年5月26日成功投运,目前运行状况良好。国电南自公司生产的有源电子式电流互感器在江苏淮安朱坝220