电子式电流互感器在超高压大电流系统中的应用

电子式电流互感器在超高压大电流系统中的应用

电力系统的功能是将测量条和高压线隔离，确保二次设备和员工的安全。大电流可以转化为标准的二次侧电流（通常为5a或3a），这样可以使用电流表来测量大电流。电磁式电流互感器目前,在电力系统中使用的电流互感器绝大部分都是电磁式的,电磁式的电流互感器是基于电磁感应原理制成的,其原理与变压器的原理相同,由笨重的铁心和线圈构成。电磁式电流互感器已运行近一个世纪,它的原理和制造技术都很成熟而被广泛使用。电磁式电流互感器存在以下缺点:(1)潜在的突然危险,例如,突然性爆炸及绝缘击穿引起单相对地短路等系统的不稳定因素;(2)若输出的二次测负荷开路将会产生高压,对配电设备甚至人身安全造成危害;(3)随着电网电压等级的不断提高,绝缘问题的解决,必然使得电流互感器体积增大,成本增高,设备变得极为笨重;(4)由于电磁感应式电流互感器是用铁心制成,因此,对高频信号响应特性较差,这样,对高压线路上的暂态过程不能正确反应;(5)它的二次侧输出对负荷要求很严格,若二次负载较大,测量误差就增大,准确度下降;(6)对于高压及特高压电厂(站)来说,占地面积较大,传输二次侧的电信号距离较远,故要求使用的二次侧电缆的横截面积增大,容易产生干扰;(7)维护工作量大,如对于油浸式电流互感器还要定期对绝缘油进行化验、测介质损耗和解决渗漏油等问题;(8)目前使用的电磁式电流互感器在正常工作时磁通密度很低,而在系统发生短路故障时,由于原方短路电流很大,使磁通密度大大增加,有时甚至远远超过饱和值,从二次侧的电流与原方电流相比,在大小和相角上不可避免地出现误差。电子式电流互感器针对电磁式电流互感器的缺点,许多科研人员都在寻找新型产品以代替电磁式电流互感器。在20世纪60年代出现的半导体集成电路技术以及70年代初出现的光纤传输技术,为研究新型的电流互感器提供了技术支持。许多科学家研究把光电子学技术用于超高压大电流的电网中,研制出基于电子和光纤技术的电子式电流互感器。目前,应用于新型电流互感器的基本原理主要有两种。(1)法拉第效应即为磁致光旋转效应:当一束线性偏振光通过放在磁场中的法拉第旋光材料后,若磁场方向与光的传播方向平行,则出射线性偏振光与入射线性偏振光的偏振平面将产生旋转。(2)利用光纤(缆)耐高压的特性,把光纤仅作为信号的传输通道来研制光电式电流互感器。由于光纤的主要成分是二氧化硅,它具有耐高压、抗干扰等特性,将光纤用于信号的传输,使得电流互感器无论从重量上还是从体积上都有很大的改善。它的基本原理是:首先用电流互感器对线路一次侧的高压电流进行检测,用大规模集成电路模数转换器将检测到的模拟信号进行数字化处理,然后经过对发光器件进行数字化调制,用光纤传输到测量装置,通过光电转换器件将电流信号进行复原,从而得到一次侧的电流。该种方法具有精确度高、性能稳定、现在,基于该原理研制成的电流互感器所采用的方法有:(1)用Rogowski线圈作一次侧高压大电流的检测传感器;(2)直接采用精度高的电磁式电流互感器为电流传感器,此时,二次侧也处于高电压端,所以绝缘已不是问题;(3)采用霍尔电流传感器作为一次侧大电流的电流传感器。而基于Rogowski线圈的电流互感器以其线性度好、无磁饱和、测量频率范围宽、动态范围大、结构简单等优点成为互感器发展的新方向。关于电子式电流互感器、电压互感器,IEC有相应的两个标准:IEC60044-7(1999年12月通过)和IEC60044-8(2000年7月通过),在这两个标准中规定,电子式互感器可以提供数字输出或模拟输出,但其模拟输出是幅值较小的弱信号,考虑到电磁兼容问题,实际上可行的解决方案应是通过光纤传输数字信号。数字信号的传输可以采用IEC60044-8或61850-9-1协议,两个标准的应用层是一致的。电子式电流互感器的研究及运行现状早在20世纪60年代,一些科技发达国家就开始着手研究电子式电流互感器,而到80年代末期就已具运行价值。目前,全世界已投入运行的电子式电流互感器已有不少,有些公司已经形成正规产品投放市场,如ABB公司,在1991年就宣布生产了用于计量和继电保护用的345kV电压等级的新型电流互感器。美国于1988年左右就研制出用于161kV的电子式电流互感器,1992年又研制成功了345kV的电子式电流互感器。该互感器的最大测量值达2kA,准确等级为0.3级。此外,前苏联和日本也较早组织有关研究院和电力公司进行电子式电流互感器的研究,前苏联研制出电压等级达750kV的频率/脉冲调制式的电子式电流互感器,而日本已研制成功300kV的电子式电流互感器及1000kV的电子式电流互感器测量系统样品。在2002年国际大电网会议涉及保护与就地控制研究委员会的会议上,几个跨国公司介绍了他们研制和运用电子式电流互感器的成功经验。ABB公司介绍了混合输入(既有模拟量输入,又有数字量输入)的条件下母差保护的成功经验。西门子公司认为,采用电子式电流互感器、电压互感器的关键在于同步采样。解决的途径是:(1)过采样,用极高的速率采样;(2)在间隔层内实现同步;(3)全站通过变电站自动化系统传输同步信号。法电(EDF)介绍了新型互感器的试验情况。他们在一个400kV变电站、一条170kV没有架空地线的线路(故障率大)上,装设法拉第效应光纤电流互感器,采用点对点通信协议与微机保护通信。试验从2001年开始,共9次故障,保护装置均正确动作。实验室试验和现场运行试验的结论是:新型互感器的精度和可靠性都有保障,通信协议灵活,可用于不同的功能,点对点通信节省投资。目前他们正在同一个变