電子式互感器及其在智能變電站中的應用

摘 要:詳細介紹了關于電子式互感器的定義、分類及原理，分析了有源式和無源式電子式互感器的類型、原理及其存在的主要問題，并就其技術特征進行對比，討論了電子式互感器是如何在智能變電站中起到關鍵的作用以及未來電子式互感器的發展趨勢。

關鍵詞:智能電網 智能變電站 電子式互感器 有源式 無源式 發展趨勢

中圖分類號:TM76文獻標識碼:A文章編號:1674-098x(2012)04(a)-0087-02

Application of Electronic Transformer in Smart Substation

Feng Yi-Xin

(College of Electrical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China)

Abstract:Introduction is made to the concepts，classifications of electronic transformer，while analyse is made to the comparison between active type and passive type due to the classifications，axioms and the main problems.The development trend of electronic transformers in the future will play a vital part in the construction of smart substation，even in the Smart Grid.

Key words:Smart Grid;Smart Substation;Electronic Transformer;Development Trend

為保證電力系統的安全、經濟運行，需要對電力系統及其電力設備的相關系數進行測量，以便對其進行必要的計量、監控和保護。互感器的作用便是將高電壓或大電流按比例變換成標準低電壓或標準小電流，供給測量儀器、儀表和繼電保護控制裝置。傳統的互感器多為電磁式互感器，其由于自身存在絕緣性能差，動態范圍小，易發生磁飽和等缺陷，而電子式互感器已然成為解決這些問題的“鑰匙”。近年來，智能電網已逐步成為電力行業的發展趨勢，其核心便是智能變電站。相比于常規變電站，智能變電站是數字化變電站的升級，而數字化變電站的特點是以電子式互感器取代傳統的互感器，以數字信號取代傳統的模擬電量采集，通過光纖、通信線組成數字化網絡，實現精確地電壓電流數據測量，以便于智能電網的控制、監控與保護。因此，電子式互感器在智能變電站中的應用將在未來智能電網建設中起到不可估量的作用。

1 電子式互感器的定義及分類

1.1 電子式互感器的定義

電子式互感器是具有模擬量電壓輸出或數字量輸出，供頻率15～100Hz的電氣測量儀器和繼電保護裝置使用的電流/電壓互感器。

顧名思義，電子式互感器分為電子式電流互感器和電子式電壓互感器兩種，其通用框圖如:圖1所示。

在圖1中，一次傳感器產生與一次端子通過電流或者電壓相對應的信號，經過一次轉換器傳送給二次轉換器，然后二次轉換器將傳輸系統傳來的信號轉換為供給測量儀器、儀表和繼電保護或控制裝置的量。

1.2 電子式互感器的分類

圖2中，若一次轉換器是電子部件，需要一次電源供電，則稱此類電子式互感器為有源電子式互感器;若一次傳感器是光學原理的，光纖傳輸系統可以直接將光測量信號送出，無需一次轉換器，當然也無需一次電源，則稱此類電子式互感器為無源電子式互感器。

2 電子式電流互感器

2.1 無源式電子式電流互感器

無源式電子式電流互感器可分為全光纖式和磁光玻璃式，其主要原理是Faraday效應原理，亦稱為磁致旋光效應。LED發出的光近起偏器后為一線偏振光，線偏振光在電流產生的磁場作用下通過磁光材料時，其偏振面將發生偏轉，旋轉角正比于磁場沿著線偏振光通過材料路徑的線積分，即

若將光路設計成圍繞電流道題繞圈得閉合回路，則上式是閉合環路的線積分，根據全電流定律可得

為Verde常數;為光路與電流交鏈的匝數;為導體中流過的電流。

由此可見，電流與角成正比，因此，測出偏振光旋轉角即可測出電流。

由于無源式電子式電流互感器采用的是光學材料，環境因素對其性能的影響很大，主要表現在溫度漂移和長期穩定性，所以其能否最終實用化推廣的關鍵就是解決這兩方面的問題。

2.2 有源式電子式電流互感器

基于Faraday電磁感應原理的有源式電子式電流互感器可分為Rogowski線圈型和低功率線圈型。低功率線圈型與傳統電磁式互感器實現原理基本一致，而Rogowski線圈，亦稱為空心線圈，是由漆包線均勻繞制在環形骨架上制成的，不會出現磁飽和及磁滯等問題。

載流導線從線圈中心穿過，當導線上有電流流過時，在線圈兩端將會產生一個感應電勢，它與一次電流的關系如下:

為空心線圈的互感系數;為真空磁導率;為線圈匝數;為每匝線圈的橫截面積;為線圈中心和導電桿中心之間的距離。

可見，理想的Rogowski線圈對電流的測量依賴于一個穩定可靠的互感系數，將測得的感應電勢進行積分處理，并結合該空心線圈的互感系數進行計算，即可得到被測電流的大小，圖3。

因為Rogowski線圈型電子式電流互感器的基礎是Faraday電磁感應定理，所以決定了其不能用于測量恒穩直流，對于變化比較緩慢的非周期分量的測量也有一定的局限性，即存在測量信號頻帶的限制。

3 電子式電壓互感器

3.1 無源式電子式電壓互感器

無源式電子式電壓互感器分為Pockels效應型和逆壓電效應型，由于基于逆壓電效應的無源式電子式電壓互感器需要特種光纖且信號解調較為復雜，現在研究的大多數為Pockels效應型。

根據Pockels效應，某些晶體在外電場作用下將導致其入射光折射率改變，這將使沿某一方向入射晶體偏振光產生電光相位延遲，且延遲量與外加電場成正比，因此，可將被測電壓加在晶體上，測其入射晶體偏振光產生電光相位延遲(相位差)，可得被測電壓值，其公式如下:

為相位差;為晶體所處的外加電場強度;為晶體上外加電壓的大小;為晶體的半波電壓(即由Pockels效應引起的雙折射兩光束產生180°相差所需外加電壓大小)。

Pockels效應型電子式電壓互感器由于同樣采用了光學材料，所以與基于Faraday效應原理的無源式電子式電流互感器存在著相同的有待解決的問題。

3.2 有源式電子式電壓互感器

有源式電子式電壓互感器主要采用阻容分壓型，與上述幾類互感器不同的是，阻容分壓型互感器是最早的測量高電壓方式。其中，電阻分壓型電壓互感器多用于10kV和35kV電壓互感器，而電容分壓多用于中高壓電壓互感器。其工作原理示意圖(見:圖4)與Rogowski線圈式互感器極為相似，區別在于在經過電阻電容分壓后，需要經過信號預處理之后進入A/D轉換。對于分壓型互感器，對二次回路阻抗的要求十分苛刻，特別是母線電壓互感器，如何將二次輸出分給多個二次設備，而且保證信號傳輸的抗干擾性和可靠性，是亟需解決的一個技術難題。

4 在智能變電站中的應用

智能變電站是指采用先進、可靠、集成、低碳、環保的智能設備，以全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求。自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監測等基本功能，并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策、協同互動等高級功能的變電站。

智能變電站自動化系統可以劃分為站控層、間隔層和過程層三層。其中，過程層包括變壓器、斷路器、隔離開關、電流\\電壓互感器等一次設備及其所屬的智能組件以及獨立的智能電子設備。

智能電網中的智能變電站主要是要實現測量數字化、控制網絡化、狀態可視化、功能一體化、信息互動化。而這些目標的基礎全部基于對電壓電流的精確測量。

電子式互感器是實現變電站運行實時信息數字化的主要設備之一，在電網動態觀測、提高繼電保護可靠性等方面具有重要作用，是提高電力系統運行控制得整體水平的基礎。

一方面，電子式互感器信號采用數字輸出、接口方便、通信能力強，其應用將直接改變變電站通訊系統的通信方式。采用電子式互感器輸出的數字信號后，可以實現點對點/多個點對點或過程總線通信方式，完全取代二次電纜線，解決二次接線復雜的問題，同時能夠大大簡化測量或保護的系統結構，降低對絕緣水平的要求，從根本上減少誤差源，簡化了智能電子裝置的結構，實現真正意義上的信息共享。

另一方面，電子式互感器的輸出均采用電纜傳輸，光纜的數量很少，因此，相比于常規變電站的電纜，敷設工作量遠遠減少。傳統電流/電壓互感器每1～3個月例行檢查一次，1～3年進行一次小修，30年壽命周期內大修兩次。電子式互感器巨大的優勢，使得其在全壽命周期內基本“免維護”。因此，其維護工作主要是對遠端模塊或電氣單元中的電子器件進行維護或更換，一般每5年維護一次，相比較而言，運行維護工作量大為減少。

由此可見，電子式互感器應用在智能變電站中可以促進其智能化、自動化、精確化，將極大地促進智能電網輸配電模塊的建設和發展。

5 結語

電子式互感器的誕生是互感器傳感準確化、傳感光纖化和輸出數字化發展趨勢的必然結果。有源式電子式互感器技術已經趨于成熟，基本達到實用化要求，故目前國內大部分數字化變電站使用的均為有源式電子式互感器。但有源式電子式互感器存在著自身的缺陷和不足，無法完全滿足智能電網中智能變電站的智能化要求，此時無源式電子式互感器投入使用即為最佳解決方案。無源式互感器由于利用光學原理克服了有源式互感器的一些缺點，但卻存在溫度影響以及穩定性運行問題，阻礙著無源式電子式互感器的實用化。

近年來，無源式電子式互感器的研究取得了較大的進展，特別是基于Faraday效應的全光纖電子式電流互感器的性能指標已接近實用化要求。由此可見，無源式電子式互感器才是未來電子式互感器的發展方向，其在智能變電站中的應用也將推動著智能電網的發展與建設。

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