數(shù)字化變電站電子式互感器的應(yīng)用

數(shù)字化變電站是由智能化一次設(shè)備(電子式互感器、智能化開關(guān)等)和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層(過程層、間隔層、站控層)構(gòu)建，建立在IEC61850通信規(guī)范基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。

IEC61850將數(shù)字化變電站分為過程層、間隔層和站控層3層，各層內(nèi)部及各層之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信。與常規(guī)變電站相比，數(shù)字化變電站間隔層和站控層的設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)連接只是接口和通信模型發(fā)生了變化，而過程層卻要進(jìn)行較大的改變。由傳統(tǒng)的電流、電壓互感器、一次設(shè)備以及一次設(shè)備與二次設(shè)備之間的電纜連接，逐步改變?yōu)殡娮邮交ジ衅?、智能化一次設(shè)備、合并單元(MU)、光纖連接等內(nèi)容，過程層各設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換遵循IEC61850-9-1/2或IEC60044-8標(biāo)準(zhǔn)的要求。而電子式互感器是數(shù)字化變電站中的關(guān)鍵設(shè)備。

1傳統(tǒng)互感器的不足

電流電壓互感器(簡(jiǎn)稱CT,PT)是廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的重要電氣設(shè)備。傳統(tǒng)的電磁式電流電壓互感器己在電力系統(tǒng)中使用多年，是一種很成熟的產(chǎn)品。隨著電力生產(chǎn)和制造技術(shù)的發(fā)展，電流電壓互感器已形成多種類型，多種參數(shù)的系列產(chǎn)品，完全能夠滿足電力系統(tǒng)的使用需求。但是，傳統(tǒng)的CT，PT因其傳感機(jī)理而呈現(xiàn)出自身不可克服的一些問題，例如：隨著電壓等級(jí)的提高，絕緣困難急劇增加;潛在著突然失效，如爆炸等危險(xiǎn);易受電磁干擾;CT在故障狀態(tài)下易飽和，對(duì)過渡過程中的非周期分量難以正確反映;如果CT輸出端開路，會(huì)出現(xiàn)高電壓;PT易產(chǎn)生鐵磁諧振;體積大，重量重等。采用電容分壓式的電壓互感器(CVT)由于中間變壓器等非線性電感元件的存在，仍有諧振的可能;電容分壓的準(zhǔn)確度易受外界因素影響，往往在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)需重新校正。雖然已經(jīng)采取了許多技術(shù)上的措施對(duì)其加以改進(jìn)，但仍不能從根本上克服上述問題。

電子式互感器作為傳統(tǒng)電流電壓互感器理想的換代產(chǎn)品，就沒有傳統(tǒng)互感器的這些問題。另外，現(xiàn)代化的微機(jī)綜合測(cè)量保護(hù)裝置及儀器儀表不再需要互感器提供能量來工作，而僅需互感器將一次電流電壓信息完整、及時(shí)、準(zhǔn)確的采集并傳送過來即可，僅需幾伏的電壓信號(hào)和極小的功率就能滿足其接口需求，而電子式電流電壓互感器能很好滿足這一要求。

2電子式互感器

電子式互感器是一種由連接到傳輸系統(tǒng)和二次轉(zhuǎn)換器的一個(gè)或多個(gè)電流或電壓傳感器組成的裝置，用以傳輸正比于被測(cè)量的量，供給測(cè)量?jī)x器;儀表和繼電保護(hù)或控制裝置。在數(shù)字接口的情況下，由一組電子式互感器共用一臺(tái)合并單元完成此功能。

電子式互感器可分為兩種型式。一種是用磁光效應(yīng)和電光效應(yīng)直接將電流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，一般稱無源式;另一種是用電磁感應(yīng)或分壓原理將電流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樾‰妷盒盘?hào)，再將小電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)傳輸給二次設(shè)備，一般稱有源式。

2.1有源電子式互感器

2.1.1空心電流互感器

采用空芯線圈感應(yīng)被測(cè)大電流，位于高壓側(cè)的電子模塊將線圈的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字光信號(hào)由光纖按規(guī)定的協(xié)議下傳至低壓側(cè)?；诳招揪€圈(Rogowski線圈)的有源光電流互感器是目前應(yīng)用較多的電子式電流互感器。Rogowski線圈是將線圈均勻地繞在一個(gè)非磁性環(huán)形骨架上，被測(cè)電流從線圈中心穿過，當(dāng)被測(cè)電流從線圈中心通過時(shí)，在線圈兩端將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電壓?？招揪€圈的感應(yīng)信號(hào)與被測(cè)電流的微分成正比，經(jīng)積分變換等信號(hào)處理便可獲知被測(cè)電流的大小。有源光電流互感器高壓側(cè)有電子電路構(gòu)成的電子模塊，電子模塊采集線圈的輸出信號(hào)，經(jīng)濾波、積分變換及A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，通過電光轉(zhuǎn)換(LED)電路將數(shù)字信號(hào)變?yōu)楣庑盘?hào)，然后通過光纖將數(shù)字光信號(hào)送至二次側(cè)供繼電保護(hù)和電能計(jì)量等設(shè)備用。

2.1.2低功率電流互感器

LPCT仍然是基干電磁感應(yīng)原理的CT。原理圖見下圖，它由一個(gè)一次繞組，一個(gè)很小的鐵心和與取樣電阻Rsh相連的具有最小損耗的二次繞組組成。Rsh是二次繞組的一個(gè)組成部分，起著將電流輸出轉(zhuǎn)換成電壓輸出的作用。

與傳統(tǒng)CT相比.LPCT的特別之處在于所用的鐵心材料是微晶合金鐵心，而不是硅鋼片。這種鐵心是用鐵鎳合金鋼片制成，采用了特殊的退火工藝。LPCT的鐵心在弱磁路時(shí)具有高磁導(dǎo)率，可使其在較小的截面下互感器測(cè)量繞組即可滿足精度要求。因此，LPCT的尺寸較傳統(tǒng)CT大大減小，即使是與玻莫合金相比，密度和疊片系數(shù)均低于玻莫合金鐵心.在滿足同樣技術(shù)條件情況下，制造成本可以低1/3左右，重量輕1/4以上，但比玻莫合金鐵心具有更寬的線性范圍。由于LPCT損耗小，使得在測(cè)量很大的電流時(shí)(即使是短路電流時(shí))也有較高的準(zhǔn)確度而不會(huì)飽和，因此LPCT具有較寬的測(cè)量范圍，在一定的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)(例如一次電流從幾十安到幾千安)，一個(gè)鐵心即可同時(shí)滿足0.2級(jí)測(cè)量及5P20保護(hù)的要求。LPCT的尺寸較傳統(tǒng)CT大為縮小，同時(shí)由于二次繞組集成了取樣電阻，也不存在開路的危險(xiǎn)。

2.1.3有源電子式電壓互感器

有源光電壓互感器采用電容分壓、電阻分壓或電容電阻分壓等原理，利用與有源電流互感器類似的電子模塊處理信號(hào)，并利用光纖傳輸信號(hào)。

2.2無源電子式電流互感器

2.2.1光學(xué)電流互感器

無源光互感器采用了Faraday磁光效應(yīng)。Faraday磁光效應(yīng)原理由于待測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用，當(dāng)一束線性偏振光通過放置在磁場(chǎng)中的Faraday材料(如磁光玻璃)時(shí)，若磁場(chǎng)方向與光的傳播方向相同，則光的偏振面將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度，沿偏振光通過材料路徑的線積分。角度與被測(cè)電流成正比，利用檢偏器將角度的變化轉(zhuǎn)換為輸出光強(qiáng)的變化，經(jīng)光電變換及相應(yīng)的信號(hào)處理便可求得被測(cè)電流。

2.2.2光學(xué)電壓互感器

無源光互感器采用了Pockels電光效應(yīng)。發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)起偏器后為一線性偏振光，在外加電壓作用下，線偏振光經(jīng)電光晶體后發(fā)生雙折射，雙折射兩光束的相位差與外加電壓有確定關(guān)系。相位差與外加電壓成正比，利用撿偏器將相位差的變化轉(zhuǎn)換為輸出光強(qiáng)的變化，經(jīng)光電變換及相應(yīng)的信號(hào)處理便可求得被測(cè)電壓。

2.3有源、無源電子式互感器的比較

有源電子式互感器的關(guān)鍵技術(shù)在于電源供電技術(shù)、遠(yuǎn)端電子模塊的可靠性、采集單元的可維護(hù)性?；趥鹘y(tǒng)互感器的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可不考慮Rogowski線圈和分壓器(電阻、電容或電感)故障的維護(hù)。GIS式電子式互感器直接接人變電站直流電源，不需要額外供電，采集單元安裝在與大地緊密相連的接地殼上。這種方式抗干擾能力強(qiáng).更換維護(hù)方便，采集單元異常處理不需要一次系統(tǒng)停電。而對(duì)于獨(dú)立式電子式互感器，在高壓平臺(tái)上的電源及遠(yuǎn)端模塊長(zhǎng)期工作在高低溫頻繁交替的惡劣環(huán)境中，其使用壽命遠(yuǎn)不如安裝在主控室或保護(hù)小室的保護(hù)測(cè)控裝置，還需要積累實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn);另外，當(dāng)電源或遠(yuǎn)端模塊發(fā)生異常、需要維護(hù)或更換時(shí)，需要一次系統(tǒng)停電處理無源式電子式互感器的關(guān)鍵技術(shù)在于光學(xué)傳感材料的穩(wěn)定性、傳感頭的組裝技術(shù)、微弱信號(hào)調(diào)制解調(diào)、溫度對(duì)精度的影響、震動(dòng)對(duì)精度的影響、長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性。但由于無源電子式互感器的電子電路部分均安裝在主控室或保護(hù)小室，運(yùn)行條件優(yōu)越，更換維護(hù)方便。有源或無源電子式互感器的應(yīng)用，均大大降低了占地面積，減少了傳統(tǒng)互感器的二次電纜連線，是互感器的發(fā)展方向。無源電子式互感器可靠性高、維護(hù)方便，是獨(dú)立安裝的互感器的理想解決方案。

3電子式互感器的優(yōu)點(diǎn)

3.1不含鐵心，消除了磁飽和

電子式互感器一般沒有鐵心，不存在飽和問題，因此暫態(tài)性能比傳統(tǒng)互感器好。大大提高了各類保護(hù)故障測(cè)量的準(zhǔn)確性，從而可提高保護(hù)裝置的正確動(dòng)作率，保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

3.2對(duì)電力系統(tǒng)故障響應(yīng)快速

現(xiàn)有保護(hù)裝置(包括微機(jī)保護(hù))由干受傳統(tǒng)互感器性能的限制，基本上是基于工頻量進(jìn)行保護(hù)判斷的，易受系統(tǒng)振蕩、磁飽和等因素的影響，保護(hù)性能難以滿足當(dāng)今電力系統(tǒng)超高壓、大容量、遠(yuǎn)距離發(fā)展的要求。利用故障時(shí)的暫態(tài)信號(hào)量作為保護(hù)判斷參量是微機(jī)保護(hù)的發(fā)展方向。它對(duì)互感器的線性度、動(dòng)態(tài)特性都有很高的要求，電子式互感器能滿足這一要求，而傳統(tǒng)互感器則不能。

3.3消除了鐵磁諧振，抗干擾能力強(qiáng)

電子式互感器，沒有構(gòu)成鐵磁諧振的條件，其抗電磁干擾力強(qiáng)。二次電壓完全與一次側(cè)電壓呈線性變化。在電力系統(tǒng)中運(yùn)行不產(chǎn)生鐵磁諧振，防止了設(shè)備損壞，保證了系統(tǒng)運(yùn)行安全。

3.4優(yōu)良的絕緣性能

隨著電壓等級(jí)的提高CT,PT,CVT絕緣困難急劇增加，用油等絕緣材料有爆炸危險(xiǎn)，且體積大、重量重。電子式互感器絕緣相對(duì)簡(jiǎn)單，高壓側(cè)與地電位側(cè)之間的信號(hào)傳輸采用絕緣材料制造的玻璃纖維.體積小、重量輕、絕緣性能好。

電子式互感器由于本身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，以電子式電流互感器在二次回路開路時(shí)不會(huì)產(chǎn)生危及設(shè)備及人身安全的高電壓，電子式電壓互感器二次側(cè)短路時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生大電流，保證了人身和設(shè)備的安全。

3.5適應(yīng)了電力計(jì)量與保護(hù)數(shù)字化、微機(jī)化和自動(dòng)化的發(fā)展

電子式互感器能夠直接提供數(shù)字信號(hào)給計(jì)量、保護(hù)裝置，有助于二次設(shè)備的系統(tǒng)集成，加速整個(gè)變電站的數(shù)字化和信息化進(jìn)程，并引發(fā)電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置和保護(hù)的重大變革。

3.6動(dòng)態(tài)范圍大，測(cè)量準(zhǔn)確度高

電子式電流互感器二次側(cè)的輸出與一次側(cè)的電流完全呈線性，無鐵磁飽和，無畸變產(chǎn)生，有很寬的動(dòng)態(tài)范圍，光電式和空心線圈電流互感器可以從幾安到幾百千安。低功率電子式電流互感器，其鐵芯也是在加倍額定電流以上才開始出現(xiàn)飽和。由于測(cè)量范圍大。所以，在有效量程內(nèi)，僅需二、三個(gè)電流規(guī)格即可覆蓋CT從20A-5000A的全部量程。

3.7頻率響應(yīng)范圍寬

電子式互感器傳感頭部分的頻率響應(yīng)，取決于光束在傳感頭上的渡越時(shí)間，目前可達(dá)到1MHz,電子式電流互感器已被證明可以測(cè)出高壓電力線上的諧波，還可以進(jìn)行暫態(tài)電流、高頻大電流與直流電流的測(cè)量。而電磁式互感器傳感頭是鐵心，其頻響很窄。

3.8經(jīng)濟(jì)性好

經(jīng)濟(jì)方面，隨著輸電線電壓等級(jí)的增高，傳統(tǒng)互感器的成本(主要是緣絕成本)成倍上升，而電子式互感器在電壓等級(jí)升高時(shí)，成本只是稍有增加。電子式互感器的低成本是吸引人們的關(guān)鍵。此外，由于電子式互感器的體積小，重量輕，可以組合到斷路器或其他高壓設(shè)備中，共用支撐絕緣子，減少變電站占地面積及其基礎(chǔ)工程、單獨(dú)設(shè)備安裝工程等。電子式互感器不采用銅芯電纜作為輸出連接線，準(zhǔn)確等級(jí)不受二次連接回路的影響。所以減少了銅芯電纜消耗量，使工程建設(shè)成本降低。

4.工程實(shí)踐

以某220kV變電站為例：

1)電流互感器配置如下：

220kV間隔、110kV間隔、主變?nèi)齻?cè)采用全光纖型電流互感器;10kV間隔(主變進(jìn)行除外)及主變中心點(diǎn)采用常規(guī)電流互感器。220kV、主變各側(cè)全光纖型電流互感器，每臺(tái)互感器含2個(gè)獨(dú)立的電流傳感/采集光路，精度0.2S(5TPE)，保護(hù)、測(cè)量、計(jì)量合用。110kV全光纖型電流互感器，每臺(tái)互感器含1個(gè)獨(dú)立的電流傳感/采集光路，精度0.2S(5TPE)，保護(hù)、測(cè)量、計(jì)量合用。

2)電壓互感器配置如下：

220kV和110kV電壓互感器采用電容分壓型電子式電壓互感器。同時(shí)配置合并單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)用于保護(hù)、測(cè)控。

10kV母線采用常規(guī)電壓互感器，并采用帶模擬量插件的合并單元進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。

220、110kV三相電子式電壓互感器每臺(tái)含2路獨(dú)立輸出回路，精度0.2(3P)，保護(hù)、測(cè)量、計(jì)量合用。

110kV有源線路A相電子式電壓互感器含1路獨(dú)立輸出回路，精度0.2，同期用。

5總結(jié)

電子式互感器與傳統(tǒng)互感器相比，在絕緣、動(dòng)態(tài)范圍、飽和性能、經(jīng)濟(jì)性等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。電子式互感器目前已在220kV系統(tǒng),110kV系統(tǒng)開始應(yīng)用。例如電子式互感器在無錫供電公司110kV圓石變電站成功投入運(yùn)行，至今運(yùn)行良好。電子式互感器作為變電站的發(fā)展方向，是電力系統(tǒng)智能化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一。它的廣泛應(yīng)用，將給電力系統(tǒng)帶來巨大的變革，將全面提升智能化水平。