数字化变电站电子式互感器的应用

　 数字化变电站是由智能化一次设备(电子式互感器、智能化开关等)和网络化二次设备分层(过程层、间隔层、站控层)构建，建立在IEC61850通信规范基础上，能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站。

IEC61850将数字化变电站分为过程层、间隔层和站控层3层，各层内部及各层之间采用高速网络通信。与常规变电站相比，数字化变电站间隔层和站控层的设备及网络连接只是接口和通信模型发生了变化，而过程层却要进行较大的改变。由传统的电流、电压互感器、一次设备以及一次设备与二次设备之间的电缆连接，逐步改变为电子式互感器、智能化一次设备、合并单元(MU)、光纤连接等内容，过程层各设备之间的数据交换遵循IEC61850-9-1/2或IEC60044-8标准的要求。而电子式互感器是数字化变电站中的关键设备。

　　1传统互感器的不足

　　电流电压互感器(简称CT,PT)是广泛应用于电力系统中的重要电气设备。传统的电磁式电流电压互感器己在电力系统中使用多年，是一种很成熟的产品。随着电力生产和制造技术的发展，电流电压互感器已形成多种类型，多种参数的系列产品，完全能够满足电力系统的使用需求。但是，传统的CT，PT因其传感机理而呈现出自身不可克服的一些问题，例如：随着电压等级的提高，绝缘困难急剧增加;潜在着突然失效，如爆炸等危险;易受电磁干扰;CT在故障状态下易饱和，对过渡过程中的非周期分量难以正确反映;如果CT输出端开路，会出现高电压;PT易产生铁磁谐振;体积大，重量重等。采用电容分压式的电压互感器(CVT)由于中间变压器等非线性电感元件的存在，仍有谐振的可能;电容分压的准确度易受外界因素影响，往往在现场安装时需重新校正。虽然已经采取了许多技术上的措施对其加以改进，但仍不能从根本上克服上述问题。

　　电子式互感器作为传统电流电压互感器理想的换代产品，就没有传统互感器的这些问题。另外，现代化的微机综合测量保护装置及仪器仪表不再需要互感器提供能量来工作，而仅需互感器将一次电流电压信息完整、及时、准确的采集并传送过来即可，仅需几伏的电压信号和极小的功率就能满足其接口需求，而电子式电流电压互感器能很好满足这一要求。

　　2电子式互感器

　　电子式互感器是一种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的装置，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，由一组电子式互感器共用一台合并单元完成此功能。

　　电子式互感器可分为两种型式。一种是用磁光效应和电光效应直接将电流电压转变为光信号，一般称无源式;另一种是用电磁感应或分压原理将电流电压信号转变为小电压信号，再将小电压信号转换为光信号传输给二次设备，一般称有源式。

　　2.1有源电子式互感器

　　2.1.1空心电流互感器

　　采用空芯线圈感应被测大电流，位于高压侧的电子模块将线圈的输出信号转换为数字光信号由光纤按规定的协议下传至低压侧。基于空芯线圈(Rogowski线圈)的有源光电流互感器是目前应用较多的电子式电流互感器。Rogowski线圈是将线圈均匀地绕在一个非磁性环形骨架上，被测电流从线圈中心穿过，当被测电流从线圈中心通过时，在线圈两端将会产生一个感应电压。空芯线圈的感应信号与被测电流的微分成正比，经积分变换等信号处理便可获知被测电流的大小。有源光电流互感器高压侧有电子电路构成的电子模块，电子模块采集线圈的输出信号，经滤波、积分变换及A/D转换后变为数字信号，通过电光转换(LED)电路将数字信号变为光信号，然后通过光纤将数字光信号送至二次侧供继电保护和电能计量等设备用。

　　2.1.2低功率电流互感器

　　LPCT仍然是基干电磁感应原理的CT。原理图见下图，它由一个一次绕组，一个很小的铁心和与取样电阻Rsh相连的具有最小损耗的二次绕组组成。Rsh是二次绕组的一个组成部分，起着将电流输出转换成电压输出的作用。

　　与传统CT相比.LPCT的特别之处在于所用的铁心材料是微晶合金铁心，而不是硅钢片。这种铁心是用铁镍合金钢片制成，采用了特殊的退火工艺。LPCT的铁心在弱磁路时具有高磁导率，可使其在较小的截面下互感器测量绕组即可满足精度要求。因此，LPCT的尺寸较传统CT大大减小，即使是与玻莫合金相比，密度和叠片系数均低于玻莫合金铁心.在满足同样技术条件情况下，制造成本可以低1/3左右，重量轻1/4以上，但比玻莫合金铁心具有更宽的线性范围。由于LPCT损耗小，使得在测量很大的电流时(即使是短路电流时)也有较高的准确度而不会饱和，因此LPCT具有较宽的测量范围，在一定的应用领域内(例如一次电流从几十安到几千安)，一个铁心即可同时满足0.2级测量及5P20保护的要求。LPCT的尺寸较传统CT大为缩小，同时由于二次绕组集成了取样电阻，也不存在开路的危险。
        2.1.3有源电子式电压互感器

　　有源光电压互感器采用电容分压、电阻分压或电容电阻分压等原理，利用与有源电流互感器类似的电子模块处理信号，并利用光纤传输信号。

　　2.2无源电子式电流互感器

　　2.2.1光学电流互感器

　　无源光互感器采用了Faraday磁光效应。Faraday磁光效应原理由于待测电流产生的磁场的作用，当一束线性偏振光通过放置在磁场中的Faraday材料(如磁光玻璃)时，若磁场方向与光的传播方向相同，则光的偏振面将产生旋转，旋转角正比于磁场强度，沿偏振光通过材料路径的线积分。角度与被测电流成正比，利用检偏器将角度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。

　　2.2.2光学电压互感器

　　无源光互感器采用了Pockels电光效应。发光二极管发出的光经起偏器后为一线性偏振光，在外加电压作用下，线偏振光经电光晶体后发生双折射，双折射两光束的相位差与外加电压有确定关系。相位差与外加电压成正比，利用捡偏器将相位差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。

　　2.3有源、无源电子式互感器的比较

　　有源电子式互感器的关键技术在于电源供电技术、远端电子模块的可靠性、采集单元的可维护性。基于传统互感器的运行经验，可不考虑Rogowski线圈和分压器(电阻、电容或电感)故障的维护。GIS式电子式互感器直接接人变电站直流电源，不需要额外供电，采集单元安装在与大地紧密相连的接地壳上。这种方式抗干扰能力强.更换维护方便，采集单元异常处理不需要一次系统停电。而对于独立式电子式互感器，在高压平台上的电源及远端模块长期工作在高低温频繁交替的恶劣环境中，其使用寿命远不如安装在主控室或保护小室的保护测控装置，还需要积累实际工程经验;另外，当电源或远端模块发生异常、需要维护或更换时，需要一次系统停电处理无源式电子式互感器的关键技术在于光学传感材料的稳定性、传感头的组装技术、微弱信号调制解调、温度对精度的影响、震动对精度的影响、长期运行的稳定性。但由于无源电子式互感器的电子电路部分均安装在主控室或保护小室，运行条件优越，更换维护方便。有源或无源电子式互感器的应用，均大大降低了占地面积，减少了传统互感器的二次电缆连线，是互感器的发展方向。无源电子式互感器可靠性高、维护方便，是独立安装的互感器的理想解决方案。

　　3电子式互感器的优点

　　3.1不含铁心，消除了磁饱和

　　电子式互感器一般没有铁心，不存在饱和问题，因此暂态性能比传统互感器好。大大提高了各类保护故障测量的准确性，从而可提高保护装置的正确动作率，保证电网的安全运行。

　　3.2对电力系统故障响应快速

　　现有保护装置(包括微机保护)由干受传统互感器性能的限制，基本上是基于工频量进行保护判断的，易受系统振荡、磁饱和等因素的影响，保护性能难以满足当今电力系统超高压、大容量、远距离发展的要求。利用故障时的暂态信号量作为保护判断参量是微机保护的发展方向。它对互感器的线性度、动态特性都有很高的要求，电子式互感器能满足这一要求，而传统互感器则不能。

　　3.3消除了铁磁谐振，抗干扰能力强

　　电子式互感器，没有构成铁磁谐振的条件，其抗电磁干扰力强。二次电压完全与一次侧电压呈线性变化。在电力系统中运行不产生铁磁谐振，防止了设备损坏，保证了系统运行安全。

　　3.4优良的绝缘性能

　　随着电压等级的提高CT,PT,CVT绝缘困难急剧增加，用油等绝缘材料有爆炸危险，且体积大、重量重。电子式互感器绝缘相对简单，高压侧与地电位侧之间的信号传输采用绝缘材料制造的玻璃纤维.体积小、重量轻、绝缘性能好。

　　电子式互感器由于本身结构的特点，以电子式电流互感器在二次回路开路时不会产生危及设备及人身安全的高电压，电子式电压互感器二次侧短路时也不会产生大电流，保证了人身和设备的安全。
        3.5适应了电力计量与保护数字化、微机化和自动化的发展

　　电子式互感器能够直接提供数字信号给计量、保护装置，有助于二次设备的系统集成，加速整个变电站的数字化和信息化进程，并引发电力系统自动化装置和保护的重大变革。

　　3.6动态范围大，测量准确度高

　　电子式电流互感器二次侧的输出与一次侧的电流完全呈线性，无铁磁饱和，无畸变产生，有很宽的动态范围，光电式和空心线圈电流互感器可以从几安到几百千安。低功率电子式电流互感器，其铁芯也是在加倍额定电流以上才开始出现饱和。由于测量范围大。所以，在有效量程内，仅需二、三个电流规格即可覆盖CT从20A-5000A的全部量程。

　　3.7频率响应范围宽

　　电子式互感器传感头部分的频率响应，取决于光束在传感头上的渡越时间，目前可达到1MHz,电子式电流互感器已被证明可以测出高压电力线上的谐波，还可以进行暂态电流、高频大电流与直流电流的测量。而电磁式互感器传感头是铁心，其频响很窄。

　　3.8经济性好

　　经济方面，随着输电线电压等级的增高，传统互感器的成本(主要是缘绝成本)成倍上升，而电子式互感器在电压等级升高时，成本只是稍有增加。电子式互感器的低成本是吸引人们的关键。此外，由于电子式互感器的体积小，重量轻，可以组合到断路器或其他高压设备中，共用支撑绝缘子，减少变电站占地面积及其基础工程、单独设备安装工程等。电子式互感器不采用铜芯电缆作为输出连接线，准确等级不受二次连接回路的影响。所以减少了铜芯电缆消耗量，使工程建设成本降低。

　　4.工程实践

　　以某220kV变电站为例：

　　1)电流互感器配置如下：

　　220kV间隔、110kV间隔、主变三侧采用全光纤型电流互感器;10kV间隔(主变进行除外)及主变中心点采用常规电流互感器。220kV、主变各侧全光纤型电流互感器，每台互感器含2个独立的电流传感/采集光路，精度0.2S(5TPE)，保护、测量、计量合用。110kV全光纤型电流互感器，每台互感器含1个独立的电流传感/采集光路，精度0.2S(5TPE)，保护、测量、计量合用。

　　2)电压互感器配置如下：

　　220kV和110kV电压互感器采用电容分压型电子式电压互感器。同时配置合并单元转换为数字信号用于保护、测控。

　　10kV母线采用常规电压互感器，并采用带模拟量插件的合并单元进行数字转换。

　　220、110kV三相电子式电压互感器每台含2路独立输出回路，精度0.2(3P)，保护、测量、计量合用。

　　110kV有源线路A相电子式电压互感器含1路独立输出回路，精度0.2，同期用。

　　5总结

　　电子式互感器与传统互感器相比，在绝缘、动态范围、饱和性能、经济性等方面具有较大的优势。电子式互感器目前已在220kV系统,110kV系统开始应用。例如电子式互感器在无锡供电公司110kV圆石变电站成功投入运行，至今运行良好。电子式互感器作为变电站的发展方向，是电力系统智能化的关键产品之一。它的广泛应用，将给电力系统带来巨大的变革，将全面提升智能化水平。