淺談數字化變電站中電子式互感器原理

邵培從

安順電力設計研究院 貴州安順 561000

摘要：數字化變電站是指按照DL/T860標準分為站控層、間隔層、過程層構建，采用DL/T860數據建模和通信服務協議，過程層采用電子式互感器等具有數字化接口的智能一次設備，以網絡通信平臺為基礎，實現了變電站監測信號、控制命令、保護跳閘命令的數字化采集、傳輸、處理和數據共享，可實現網絡化二次功能、程序化操作、智能化功能等的變電站。數字化變電站的實現，就一次設備而言主要是將以往傳統的互感器更改為電子式互感器，本文將對電子式互感器的功能做其介紹。

關鍵詞：數字化變電站；電子式互感器

前言

智能電網是當今電力系統發展變革的最新方向，而數字化電網是其重要的組成部分。數字化變電站簡言之就是一次設備智能化，二次設備網絡化且符合IEC61850標準。國內從21世紀初開始對數字化變電站的技術研究和探索，經過近幾年的發展已從數字化變電站的試驗研究階段進入實際工程應用階段。目前已建成投運了一批新建工程或技改工程的數字化變電站示范站，涵蓋從110kV-500kV電壓等級，還有大量數字化變電站正在建設當中。而數字化變電站的實現離不開負責采集、調理一次側電壓電流并轉換成數字信號的電子式互感器，電子式互感器較傳統互感器的主要優勢：（1）高低壓完全隔離，絕緣簡單，安全性高；沒有因漏油而潛在的易燃、易爆等危險；（2）不存在磁飽和、鐵磁諧振等問題；（3）頻率響應寬，動態范圍大，精度高，可同時滿足測量和繼電保護的需要；（4）體積小，重量輕，節約占地面積；無污染，無噪聲，具有優越的環保性能；（5）不存在CT二次輸出開路及PT二次輸出短路的危害；（6）數字信號分享更為容易，帶負載能力強；（7）成本與電壓等級的關系不大，因此電壓等級越高，經濟性越明顯；（8）方便地實現電壓電流組合式；（9）適應電力系統數字化、智能化和網絡化的需要。電子式互感器分為有源電子式互感器和無源電子式互感器，

1、有源電子式互感器

利用電磁感應等原理感應被測信號，CT：空心線圈、低功率CT（LPCT）、分流器；PT：電容分壓、電感分壓、電阻分壓；傳感頭部分具有需用電源的電子電路利用光纖傳輸數字信號。

有源電子式電流互感器工作原理如下：利用空芯線圈及低功率線圈傳感被測一次電流。低功率CT（LPCT）的工作原理與常規CT的原理相同，只是LPCT的輸出功率要求很小，因此其鐵芯截面就較小。空芯線圈是一種密繞于非磁性骨架上的螺線管，如圖所示。空芯線圈不含鐵芯，具有很好的線性度。

空芯線圈的輸出信號e與被測電流i有如下關系：

其結構如下：

有源電子式互感器的關鍵技術：a.絕緣技術特別是高壓獨立式互感器的絕緣；b.空芯線圈及電容分壓器的穩定性及抗干擾技術；c.遠端電子模塊的穩定性和可靠性（安置在室外時溫度、電磁干擾等）；d.獨立型電子式互感器的遠端模塊取電技術；e.積分技術、與保護的通訊配合

2、無源電子式互感器

無源電子式互感器（光CT、光PT）利用光學原理感應被測信號，CT：Faraday磁光效應；PT：Pockels電光效應；傳感頭部分不需電子電路及電源 利用光纖傳輸傳感信號。

無源電子式互感器的關鍵技術：a.傳感材料（低雙折射）；b.傳感頭的組裝工藝技術（減小雙折射）；c.信號處理技術；d.溫度對精度的影響、振動對精度的影響、長期工作的穩定性

無源電子式電流互感器的工作原理：

無源電子式電流互感器機構如下：

3、有源電子式互感器與無源電子式互感器的比較

有源電子式互感器的技術相對較為成熟，其技術性能已基本可以滿足實用化要求，國內目前建設的數字化變電站使用的互感器絕大部分均為有源電子式互感器。

無源電子式互感器的技術難度較大，其溫度穩定性一直是阻礙其實用化的關鍵問題，但由于其不需要遠端電子模塊，可靠性較高，具有很好的應用前景，多年來國內外有關單位一直在從事技術攻關。近年來，無源電子式互感器的研究取得了較大的進展，特別是基于Faraday磁光效應的全光纖電流互感器的性能指標已基本可以滿足實用化要求，取得了較好的試驗及試運行效果，但目前還處于初期應用階段。

有源電子式互感器的關鍵技術在于電源供電技術、遠端電子模塊的可靠性、采集單元的可維護性。基于傳統互感器的運行經驗，可不考慮Rogowski線圈和分壓器（電阻、電容或電感）故障的維護。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，更換維護方便，采集單元異常處理不需要一次系統停電。而對于獨立式電子式互感器，在高壓平臺上的電源及遠端模塊長期工作在高低溫頻繁交替的惡劣環境中，其使用壽命遠不如安裝在主控室或保護小室的保護測控裝置，還需要積累實際工程經驗；另外，當電源或遠端模塊發生異常、需要維護或更換時，需要一次系統停電處理。

無源式電子式互感器的關鍵技術在于光學傳感材料的穩定性、傳感頭的組裝技術、微弱信號調制解調、溫度對精度的影響、震動對精度的影響、長期運行的穩定性。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小室，運行條件優越，更換維護方便。有源或無源電子式互感器的應用，均大大降低了占地面積，減少了傳統互感器的二次電纜連線，是互感器的發展方向。無源電子式互感器可靠性高、維護方便，是獨立安裝的互感器的理想解決方案

結語

數字化變電站技術先進成熟，可靠性高，利于降低建設成本，節約綜合費用。數字化變電站作為數字電網的重要單元，應用于工程實踐對促進電網的數字化、信息化和網絡化具有重大意義。采用電子式電流互感器和電子式電壓互感器，取代常規電磁型互感器用少量光纜取代了大量二次電纜，不僅使變電站的信息采集、傳輸、處理、輸出過程全部數字化，而且具有體積小、重量輕、頻帶響應寬、無飽和現象、抗電磁干擾性能佳、無油化結構、絕緣可靠、便于向數字化、微機化發展等諸多優點，將在數字化變電站中廣泛應用。

參考文獻：

[1]GB_T 20840.7-2007 互感器 第7部分：電子式電壓互感器

[2]GB_T 20840.8-2007 互感器 第8部分：電子式電流互感器

[3]貴州電網數字化變電站技術規范