電子式電流互感器在罐式斷路器中的組合應(yīng)用

周 星，陳 曉

（國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100032）

電子式電流互感器在罐式斷路器中的組合應(yīng)用

周 星，陳 曉

（國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100032）

0 引言

國(guó)家電網(wǎng)公司現(xiàn)已提出建設(shè)具有“信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化”特征的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)[1-3]，作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，智能變電站的設(shè)計(jì)和建設(shè)應(yīng)充分體現(xiàn)智能電網(wǎng)的特征。

智能變電站是以數(shù)字化變電站為依托，通過采用先進(jìn)的傳感器、電子、信息、通信、控制、智能分析軟件等技術(shù)，建立全站所有信息采集、傳輸、分析、處理的數(shù)字化統(tǒng)一應(yīng)用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)變電站的自動(dòng)運(yùn)行控制、設(shè)備狀態(tài)檢修、運(yùn)行狀態(tài)自適應(yīng)、分布協(xié)同控制、智能分析決策等高級(jí)應(yīng)用功能，提高管理和運(yùn)行維護(hù)水平[4-5]。

電子式互感器是電力系統(tǒng)中用于電能計(jì)量和繼電保護(hù)的重要設(shè)備之一，是智能變電站建設(shè)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)“信息化”的關(guān)鍵技術(shù)，其測(cè)量準(zhǔn)確度及可靠性對(duì)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行有著重要的影響[6-9]。

電子式互感器與一次設(shè)備有多種安裝方式，包括與GIS組合方式，與隔離開關(guān)組合方式等，本文針對(duì)智能變電站中電子式電流互感器與罐式斷路器的組合應(yīng)用，首先分析了罐式斷路器的運(yùn)行特點(diǎn)，并比較了有源、無源電子式電流互感器的原理與構(gòu)造，重點(diǎn)分析了在罐式斷路器特殊的運(yùn)行和操作環(huán)境下，振動(dòng)和電磁干擾對(duì)有源和無源電子式互感器測(cè)量精度的影響，為智能變電站中罐式斷路器與電子式電流互感器的組合應(yīng)用提供參考[10-13]。

1 組合方案

根據(jù)電子式互感器傳感頭測(cè)量元件有無供電電源，可將電子式互感器分為有源式和無源式2種。有源式主要基于電磁感應(yīng)原理，主要包括羅氏線圈和低功率線圈組合型互感器；無源式主要基于法拉第磁旋光原理，主要包括磁光玻璃式互感器和全光纖型互感器[14]。

現(xiàn)階段，羅氏線圈和低功率線圈組合型互感器已經(jīng)大量應(yīng)用于工程，穩(wěn)定性和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較高，但同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中也出現(xiàn)了一些問題；基于法拉第磁光效應(yīng)原理的光學(xué)電流互感器在國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研制和開發(fā),但是其性能受菲爾德(Verdet)常數(shù)和光纖的固有雙折射的影響,始終沒能在國(guó)內(nèi)實(shí)際工程中大量使用[15]。全光纖電子式電流互感器采用全光纖光路加閉環(huán)控制技術(shù)，克服了有源電子式互感器的缺點(diǎn)，使得產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性、安全性和免維護(hù)壽命得到很大提高，但有待現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況的檢驗(yàn)。

罐式斷路器可選用與磁光玻璃、全光纖型或者羅氏線圈和低功率線圈組合型電子式電流互感器組合安裝，形成組合電器。常用的方法是將其安裝于罐式斷路器進(jìn)出線套管升高座外側(cè)，如圖1所示，主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）電子式電流互感器裝在罐體外側(cè)，處于低電位，所以數(shù)字轉(zhuǎn)換部分可以采用就地電源（220V直流供電），無需激光或母線取能；

2）可以充分利用罐式斷路器自身固有的絕緣系統(tǒng)；

3）組合后的電子式電流互感器的傳感部分置于低壓側(cè)，大大增強(qiáng)了安全性和運(yùn)行的可靠性；

4）與獨(dú)立式互感器相比，節(jié)約了占地，同時(shí)降低了互感器造價(jià)。

圖1 電子式互感器與罐式斷路器組合示意

2 罐式斷路器運(yùn)行環(huán)境特點(diǎn)

罐式斷路器采用了箱式斷路器的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)緊湊，抗地震和防污能力強(qiáng)，但系列性較差[16]。此種斷路器為三相分裝式，單相由基座、絕緣瓷套管、電流互感器和裝有雙（單）斷口滅弧室的殼體組成。每相配有液壓機(jī)構(gòu)和一臺(tái)控制柜，可以單獨(dú)操作，并能通過電氣控制進(jìn)行三相操作。斷路器采用雙向縱吹式滅弧室，分閘時(shí)，通過拐臂箱傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)氣缸及動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)。

罐式斷路器在運(yùn)行過程中的開關(guān)操作、短路故障等暫態(tài)過程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾，磁場(chǎng)主波形的頻率范圍為150～800kHz，地面上2m處的磁場(chǎng)幅值(峰-峰值)在數(shù)十至數(shù)百A/m,而相應(yīng)的地面處磁場(chǎng)幅值降低約一個(gè)數(shù)量級(jí)；于此同時(shí)，罐式斷路器操作時(shí)會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，這些因素都會(huì)對(duì)電子式電流互感器的測(cè)量精度產(chǎn)生影響。

3 電磁干擾對(duì)互感器的影響

操作斷路器時(shí)在電流互感器二次側(cè)產(chǎn)生的干擾暫態(tài)電流的波形為阻尼衰減振蕩波,電流波形頻率在1.5kHz～1.5MHz之間,幅值從幾十到幾百A，此時(shí)對(duì)電子式電流互感器的測(cè)量影響較大，如果不加以控制，精度會(huì)受很大影響[17-18]。

對(duì)于有源電子式互感器而言，由于有常規(guī)互感器的抗電磁干擾的經(jīng)驗(yàn)，此方面的進(jìn)展較快。部分有源電子式電流互感器用電路盒已進(jìn)行了電快速瞬變脈沖群抗繞度、浪涌沖擊抗擾度、振蕩波抗擾度、電壓波動(dòng)和電壓跌落等項(xiàng)目的測(cè)試，均可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)于磁光玻璃式電子互感器而言，光信號(hào)輸入端和輸出端不在同一點(diǎn)，走的路徑是一個(gè)單向路徑，當(dāng)受到來自外界的溫度變化，振動(dòng)以及電磁場(chǎng)輻射等因素的干擾，單向路徑受干擾源的影響就可能會(huì)產(chǎn)生同向誤差，使得產(chǎn)品的精度出現(xiàn)不穩(wěn)定性，也影響了產(chǎn)品的實(shí)際使用效果。而對(duì)于全光纖電子互感器而言，光信號(hào)輸入輸出端在同一點(diǎn)，采用同一個(gè)光路，即使來自外界的溫度變化，振動(dòng)以及電磁場(chǎng)輻射等因素的干擾，同一光路路徑受干擾源的影響出現(xiàn)的誤差也會(huì)互相抵消，從而提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。表1列出了磁光玻璃式和全光纖式電子互感器在抗干擾能力上的不同。

同時(shí)，為了滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行要求，互感器的電子線路部分應(yīng)有4級(jí)以上的電磁兼容(EMC)防護(hù)措施,在互感器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求之外，還需附加高壓拉弧干擾試驗(yàn)。為了更好的滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行要求，電子式互感器現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)的電源、信號(hào)引線還應(yīng)采用抑制高頻過壓的波阻抗引線，殼體須有充分的接地措施。

表1 磁光玻璃式和全光纖電子互感器在抗干擾能力上的比較

4 振動(dòng)對(duì)互感器的影響

當(dāng)斷路器操作時(shí)會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，加速度約為20g/0.3mm?；诜ɡ诖殴庑?yīng)原理的無源電子式互感器的性能主要受菲爾德(Verdet)常數(shù)和光纖的固有雙折射的影響，其光學(xué)元件內(nèi)部的殘余應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生隨溫度變化的線性雙折射，從而影響電流互感器的測(cè)量精度。當(dāng)光學(xué)玻璃和光纖受到振動(dòng)和其它機(jī)械擾動(dòng)時(shí)，等效于引入應(yīng)力，同樣引起線性雙折射。線性雙折射的存在降低了傳感頭的靈敏度，且使靈敏度隨振動(dòng)和溫度而變化，影響了整個(gè)系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性。各國(guó)研究人員針對(duì)存在的這些問題做了大量深入的研究工作并多次掛網(wǎng)運(yùn)行，但設(shè)計(jì)與加工難度以及長(zhǎng)期運(yùn)行中的穩(wěn)定性問題仍是阻礙無源式電子互感器的實(shí)用化進(jìn)程。國(guó)內(nèi)的研究項(xiàng)目最終也在光纖固有雙折射或溫度影響等問題上受阻，未能實(shí)現(xiàn)無源式電子互感器的實(shí)用化，由此可見振動(dòng)對(duì)無源電子式互感器影響較大[19]。

當(dāng)采用有源電子式互感器時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)電磁結(jié)構(gòu)，其抗振動(dòng)性能也等同于傳統(tǒng)互感器,總體上抗振動(dòng)性能優(yōu)于光學(xué)傳感器。750kV有源電子式電流互感器振動(dòng)前后的準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2、表3[20]。

沖擊振動(dòng)試驗(yàn)后電子式電流互感器的誤差與試驗(yàn)前的差異，應(yīng)不超過其準(zhǔn)確級(jí)相應(yīng)誤差限值的一半，從以上實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果表明：沖擊振動(dòng)試驗(yàn)前后的誤差差值未超過0.2S級(jí)誤差限值的一半，振動(dòng)試驗(yàn)通過。

表2 產(chǎn)品沖擊振動(dòng)前的準(zhǔn)確度試驗(yàn)

表3 產(chǎn)品沖擊振動(dòng)后的準(zhǔn)確度試驗(yàn)

5 結(jié)論

在使用罐式斷路器的智能變電站中，電子式電流互感器一般安裝于罐式斷路器進(jìn)出線套管升高座外側(cè)，這種情況下斷路器特殊的運(yùn)行和操作環(huán)境會(huì)對(duì)互感器測(cè)量精度產(chǎn)生一定的影響，本文介紹了幾種可以和罐式斷路器組合的電子式電流互感器，通過對(duì)其抗振性和抗干擾能力比較和分析結(jié)果可以看出：

1 )對(duì)于采用Rogowski線圈和磁光玻璃等電子式互感器而言，大部分采用開環(huán)控制技術(shù)，這在準(zhǔn)確度和動(dòng)態(tài)范圍的穩(wěn)定性方面從原理上來說就有一定的局限性，所以要達(dá)到高性能的要求比較困難。

2 )在抗干擾方面，有源電子式互感器可以借鑒常規(guī)互感器多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，磁光玻璃式由于從原理和技術(shù)上存在缺陷，抗電磁干擾能力還有待加強(qiáng)；而全光纖型電子式互感器從原理上來講抗干擾能力較強(qiáng)。

3 )在抗振動(dòng)方面，有源型電子互感器在傳感頭部分沒有使用特殊的功能性光纖或其它光學(xué)元件，而是采用了傳統(tǒng)的電流、電壓傳感器件，如小功率電流互感器、線圈、感應(yīng)分壓器、電容分壓器、電阻分壓器等，實(shí)現(xiàn)起來比較容易，并具有良好的可靠性。當(dāng)采用有源式電子式互感器時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)電磁結(jié)構(gòu)，其抗振動(dòng)性能也等同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),總體上抗振動(dòng)性能優(yōu)于光學(xué)傳感器。

有源電子式互感器結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)電磁式互感器，并且已有多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，抗振性和抗干擾能力較強(qiáng)；從技術(shù)角度看，全光纖型電流互感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，不僅能夠準(zhǔn)確測(cè)量故障的基波，且能夠準(zhǔn)確測(cè)量非周期分量和各次諧波，能為二次設(shè)備提供更為準(zhǔn)確全面的故障數(shù)據(jù)，其良好的測(cè)量品質(zhì)及供電可靠性都是有源式無法比擬的，雖然由于其技術(shù)門檻、制造工藝均高于有源式電流互感器，且現(xiàn)階段應(yīng)用規(guī)模小，造價(jià)約為同電壓等級(jí)有源式互感器的1.5～2倍左右，但長(zhǎng)期看來，隨著應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，其成本有望下降，并且隨著技術(shù)進(jìn)步，以及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性的檢驗(yàn)，全光纖型電流互感器應(yīng)會(huì)成為未來智能變電站中的主流產(chǎn)品。

[1]王永干.推進(jìn)信息化領(lǐng)域的行業(yè)融合促進(jìn)智能電網(wǎng)發(fā)展[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(3):1-2.

[2]李乃湖,倪以信,孫舒捷.智能電網(wǎng)及其關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2010，4(3):1-7.

[3]劉振亞.建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)支撐又好又快發(fā)展[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(9):1-3.

[4]Steven E,Widergren.智能電網(wǎng)：改造電力系統(tǒng)[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2010,4(1):1-10.

[5]武建東.智能電網(wǎng)與中國(guó)互動(dòng)電網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(4):5-8.

[6]余貽鑫.智能電網(wǎng)的技術(shù)組成和實(shí)現(xiàn)順序[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2009,3(2):1-5.

[7]顧錦汶.就“智能電網(wǎng)與中國(guó)互動(dòng)電網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展”一文與武建東商榷[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(12):6-7.

[8]余貽鑫,欒文鵬.智能電網(wǎng)[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(1):7-11.

[9]張祥全,李云閣,譚衛(wèi)東.智能電網(wǎng)中的一次設(shè)備有關(guān)數(shù)據(jù)分類和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(10):29-33.

[10]孫強(qiáng),尚勇,唐開宇.首批國(guó)產(chǎn)750kV斷路器絕緣拉桿故障分析[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(5):5-7.

[11]韋斌.SF6斷路器異常打壓原因分析及解決方法[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2008,2(6):96-98.

[12]田慶,嚴(yán)宇清,楊愛民.龍政直流最后斷路器保護(hù)邏輯分析[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(4):13-15.

[13]江一,夏擁.深圳換流站最后斷路器及線路保護(hù)的改進(jìn)建議[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2009,3(1):69-71.

[14]Ning Y N,Wang Z P,Palmer A W,et al.Recent Progress in Optical Current Sensing Techniques[J].Review of Science Instruments.1995,66(5):3097-3111.

[15]劉豐,盧啟柱,畢衛(wèi)紅,等.采用激光供能方法的光纖電流互感器[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007(5):5-7.

[16]衣立東，孫強(qiáng)，尚勇.首臺(tái)國(guó)產(chǎn)750kV罐式斷路器故障分析[J].電網(wǎng)與清潔能源，2009.25(3):25-28.

[17]鄔雄,孫竹森,張廣州,等.500kV變電站電磁騷擾測(cè)量研究{J}.高電壓技術(shù),2002.28(11):34-35.

[18]梅志剛.電子式電流互感器可靠性和準(zhǔn)確度的研究[D].北京：清華大學(xué)碩士論文.2004.

[19]梁仕斌.特殊條件下電流互感器及電子式互感器試驗(yàn)研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)碩士論文,2008,

[20]中國(guó)兵器工業(yè)第二O三研究所可靠性與環(huán)境試驗(yàn)中心.環(huán)境實(shí)驗(yàn)報(bào)告[R].2009.

Combination Application of Electronic Current Transformer in Tank Circuit Breaker

ZHOU Xing,CHEN Xiao
(State Nuclear Electric Power Planning Design&Research Institute，Beijing 100032,China)

The electronic current transformer(ECT)is an important part of the smart substation,and plays a critical role in realizing the information automation.The measurement accuracy and reliability of the ECT have an important impact on the security,stability and economy of the power system.This paper introduces the combination of the electronic current transformer and the tank circuit breaker,and analyzes the measurement accuracy of the ECT under both vibration and electromagnetic interferences in the special operation and switching circumstances of the tank circuit breaker.By studying the characteristics and the performances of the ECTs,and of different working principles,the paper provides information with regard to combinations of ECTs and the tank circuit breaker in the smart substation.

EMC;tank circuit breaker;ECT;smart substation

電子式電流互感器是智能變電站建設(shè)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)信息化的關(guān)鍵技術(shù)，其測(cè)量準(zhǔn)確度及可靠性對(duì)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行有著重要的影響。針對(duì)電子式電流互感器在罐式斷路器上的組合應(yīng)用，分析了在罐式斷路器特殊的運(yùn)行和操作環(huán)境下，振動(dòng)和電磁干擾對(duì)有源和無源電子式電流互感器測(cè)量精度的影響，為智能變電站中罐式斷路器與電子式電流互感器的組合應(yīng)用提供參考。

電磁兼容;罐式斷路器;電子式電流互感器;智能變電站

1674-3814（2010）09-0009-04

TM561;TM452

B

2010-04-26。

周 星（1984—），男，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)；

陳 曉（1962—），男，高級(jí)工程師，從事系統(tǒng)繼電保護(hù)工程設(shè)計(jì)工作。

（編輯 董小兵）