電子式互感器在發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中的應用

丁 寧，劉志雄，仲 偉

（江蘇金智科技股份有限公司，江蘇 南京 211100）

隨著數(shù)字化變電站的陸續(xù)投運[1，2]，光電互感器、電子式互感器的優(yōu)點越來越被大家所認識，特別是應用在35kV/10kV電壓等級的電子式互感器，其體積小、價格低、抗飽和、替換方便等優(yōu)點，大有取代傳統(tǒng)互感器之勢。

1 發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)現(xiàn)狀

發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)（ECMS）即發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)[3]一般由間隔層裝置、通信層通信管理機、站控層后臺系統(tǒng)三部分組成。間隔層主要包含10kV/6kV高壓保護測控裝置、400 V低壓保護測控裝置以及快切、低壓備自投等設備，間隔層保護測控裝置一般通過現(xiàn)場總線如CAN，ProfiBus和通信層通信管理機連接。通信層通過以太網(wǎng)和站控層后臺系統(tǒng)連接，從而形成三層網(wǎng)結(jié)構(gòu)。保護測控裝置一般安裝在開關柜中，和一次互感器、開關等構(gòu)成基本單元間隔。

作為保護測控裝置、儀表等設備基礎的一次互感器，在其中起著重要的作用，是保證數(shù)據(jù)正確的源泉。傳統(tǒng)的電磁式互感器在使用過程中，逐步顯現(xiàn)出一些不足和待改進之處[4]。

（1）傳統(tǒng)的電磁式互感器需進行二次轉(zhuǎn)換，將一次大電流高電壓轉(zhuǎn)換成二次小電流低電壓，再通過裝置的互感器轉(zhuǎn)換成小信號供裝置數(shù)據(jù)處理使用。由于增加了轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，導致系統(tǒng)可靠性降低，同時增大了系統(tǒng)采樣誤差。

（2）傳統(tǒng)的電磁式電流互感器二次回路不能開路、電壓互感器二次回路不能短路，否則會給電力系統(tǒng)設備和人身安全帶來故障隱患。

（3）傳統(tǒng)電流互感器容易出現(xiàn)飽和情況，影響保護動作的正確性。隨著電力系統(tǒng)容量越來越大，相應故障時短路電流也越來越大；同樣，廠用電系統(tǒng)的短路電流越來越大,容易出現(xiàn)電流互感器飽和，導致保護出現(xiàn)誤動、拒動的情況，影響保護的正確動作。

（4）為保證大短路電流下電流互感器不出現(xiàn)飽和的情況，廠用電保護電流互感器不應根據(jù)所保護設備（如電動機、變壓器）的額定電流來選擇，而應根據(jù)實際短路電流水平，選擇足夠大變比、短路電流倍數(shù)、容量，以保證保護在各種短路情況下保護的可靠動作（國內(nèi)已多次發(fā)生高、低壓廠用電系統(tǒng)出口短路時因電流互感器嚴重飽和，造成保護拒動的實例[5]）。由于所選電流互感器變比很大，保護設備的額定電流可能會處于相對比較小的水平，過小的運行電流可能導致相關保護精度得不到滿足，甚至也造成誤動、拒動的可能。

（5）傳統(tǒng)電流互感器選型復雜。由于廠用電電動機等級較多，需要考慮精度、量程、最大短路電流之間的平衡，故選型復雜，所選互感器規(guī)格型號較多，增加設計選型的難度。

2 電子式互感器技術(shù)

傳統(tǒng)電磁式互感器的不足可以通過選用電子式互感器加以改進。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展以及保護測控裝置的數(shù)字化，對電流電壓等模擬量數(shù)據(jù)獲取的要求越來越高，從而對一次電流電壓互感器提出了更高的要求。

電子式電流電壓互感器，二次輸出為小電壓信號，無需二次轉(zhuǎn)換，可直接滿足裝置對電流電壓完整信息進行數(shù)字化處理的要求，且消除了傳統(tǒng)電磁式電流互感器因二次開路、電壓互感器二次短路給電力系統(tǒng)設備和人身安全帶來的故障隱患。

2.1 電子式互感器原理

電子式電流互感器采用羅哥夫斯基（Rogowski）線圈和輕載線圈的基本原理[6]。Rogowski線圈，由于采用非磁性的骨架，不存在磁飽和現(xiàn)象，其原理如圖1所示。一次電流通過Rogowski線圈得到了與一次電流I1的時間微分成比例的二次電壓E，將該二次電壓E進行積分處理，獲得與一次電流成比例的電壓信號，通過微處理器將該信號進行變換、處理，即可將一次電流信息變成模擬量和數(shù)字量輸出。

輕載線圈，代表著經(jīng)典感應電流互感器的發(fā)展方向。它是由一次繞阻、小鐵心和損耗最小化的二次繞組組成，其原理如圖2所示。二次繞組上連接著分流電阻Ra，二次電流I2在分流電組Ra兩端的電壓降U2與一次電流I1成比例，電子式電流互感器比傳統(tǒng)的電磁式電流互感器擁有著更大的電流測量范圍。

電子式電壓互感器采用電阻分壓原理，如圖3所示。

電子式互感器由高壓臂電阻、低壓臂電阻、屏蔽電極、過電壓保護裝置組成。通過分壓器將一次電壓轉(zhuǎn)換成與一次電壓和相位成比例的小電壓信號。采用屏蔽電極的方法改善電場分布狀況和雜散電容的影響，在二次輸出端并聯(lián)一個過電壓保護裝置，防止在二次輸出端開路時將二次側(cè)電壓提高。

2.2 電子式互感器優(yōu)點

（1）集測量信號輸出和保護信號輸出于一體，能快速、完整、準確地將一次信息傳送給數(shù)字化儀表等測量、保護裝置，實現(xiàn)計量、測量、保護、狀態(tài)監(jiān)測等功能。

（2）電流互感器不含鐵心（或含小鐵心），不會飽和，可解決傳統(tǒng)電流互感器因為飽和導致的保護誤動、拒動等問題。

（3）電流互感器二次開路時不會產(chǎn)生高電壓，保證了人身及設備的安全。

（4）二次輸出為小電壓信號，可方便地與數(shù)字式儀表、微機測控保護設備接口，無需進行二次轉(zhuǎn)換（將5 A或1 A轉(zhuǎn)換為小電壓），簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了誤差源，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確度。

（5）頻響范圍寬、測量范圍大、線性度好，在有效量程內(nèi)，電流互感器準確級達到0.2S/5P級；對于發(fā)電廠10kV/6kV廠用電系統(tǒng)，僅需兩個規(guī)格即可覆蓋電流互感器20～5000 A的全部量程，從而大大降低電流互感器設計選型的復雜度。

（6）體積小、重量輕，能有效地節(jié)省空間，功耗極小，且具有環(huán)保產(chǎn)品的特征。

（7）安裝使用簡單方便，運行無需維護，使用壽命大于30年[7]。

3 數(shù)字化發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)

3.1 數(shù)字化發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對發(fā)電廠廠用電傳統(tǒng)互感器存在的不足以及電子式互感器的優(yōu)點，同時綜合考慮成本、維護等因素，對10kV/6kV高壓部分互感器采用電子式互感器，線路、變壓器、電動機等保護裝置相應采用數(shù)字式保護測控裝置，低壓廠用電400 V部分暫不采用電子式互感器。即對10kV/6kV間隔層部分設備進行數(shù)字化。

基于此高壓間隔層數(shù)字化的發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)如圖4所示。系統(tǒng)采用站控層、通信層、間隔層三層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。由于電廠廠用電設備數(shù)目多，分布較廣泛，間隔層網(wǎng)絡推薦使用現(xiàn)場總線，保護測控裝置一般通過現(xiàn)場總線如CAN，ProfiBus和通信層通信管理機連接，通信層通過以太網(wǎng)和站控層后臺系統(tǒng)連接；通信層、站控層和常規(guī)ECMS系統(tǒng)保持一致。間隔層使用數(shù)字式保護測控裝置和電子式電流互感器。

3.2 間隔層裝置配置

間隔層裝置采用數(shù)字式保護測控裝置，且包括線路保護測控、線路差動、電動機保護測控、電動機差動、變壓器保護測控、變壓器差動、分布式單元等裝置。間隔層采用電子式電流互感器和常規(guī)電壓互感器相結(jié)合的方式將電流（相電流和零序電流）和電壓信號傳送至數(shù)字式保護測控裝置。

電子式電流互感器、數(shù)字式保護測控裝置安裝于開關柜，電子式電流互感器輸出直接接入數(shù)字式保護測控裝置，裝置對其進行采樣；母線電壓通過電壓互感器柜電壓小母線輸出到裝置電壓采集端子；裝置的開入、開出保持不變，采用二次電纜直接連接；斷路器開關保持不變。由于電子式電流互感器帶負載能力弱，裝置一般需要在電子式電流互感器旁就近安裝，對于包含差動保護裝置的配置如圖5所示。圖5以電動機保護測控裝置為例，且變壓器、線路保護測控裝置類似。

圖5中電動機中性側(cè)電子式電流互感器將電流信號送至就近安裝的電流采集裝置，電流采集裝置通過光纖將電流數(shù)據(jù)傳送至開關柜中的數(shù)字式電動機差動保護裝置，和開關柜中的電動機機端電流組成電動機差動保護。

3.3 ECMS系統(tǒng)對時

目前ECMS系統(tǒng)對時方案一般采用GPS對時裝置，通過以太網(wǎng)對站控層設備進行對時，通信層設備采用網(wǎng)絡對時加硬件對時相結(jié)合的對時方式，間隔層設備采用總線軟對時加硬件對時相結(jié)合的對時方式，硬件對時采用IRIG-B對時網(wǎng)絡或秒/分秒對時脈沖網(wǎng)絡。

如果間隔層網(wǎng)絡采用ProfiBus現(xiàn)場總線，可以取消間隔層專用硬件對時方式。通信管理機采用ProfiBus DP V2對時功能，實現(xiàn)對間隔層各個裝置對時，保證裝置對時精確到毫秒[8]。

3.4 電壓互感器選擇

電廠一般均設有專門的電壓互感器柜以采集電壓，通過電壓小母線供該段母線上多個裝置以及自動裝置使用。如采用電子式電壓互感器，需要將電子式電壓互感器的信號接入專用電壓采集單元，通過IEC 60044專用接口將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)字式保護測控裝置；數(shù)字式保護測控裝置需要有IEC 60044接口以接受電壓數(shù)字信號[9]。

電廠一段母線下多個保護測控裝置共用同一電壓信號，因此電壓采集單元需要多個IEC 60044專用接口，以點對點方式將數(shù)據(jù)傳送至該母線下每一臺數(shù)字式保護測控裝置，這樣將導致系統(tǒng)的復雜性大大增加，成本增加，維護工作量加大。同時，由于電壓互感器不存在選型的問題，也不存在類似于電流互感器飽和影響保護正確動作的情況，故電壓互感器可以不采用電子式，仍然為傳統(tǒng)的互感器。

3.5 間隔層測量計量

由于電子式電流互感器電流采用點對點傳輸方式至數(shù)字式保護測控裝置，不同于傳統(tǒng)電流互感器二次電流可通過電纜串接于多個設備，因此，一次設備所需的測量、計量功能需由數(shù)字式保護測控裝置提供，而無法通過加裝其他測量、計量儀表來實現(xiàn)。因此，數(shù)字式保護測控裝置須具備電流電壓功率測量、4～20 mA直流模擬量輸出、電能計量等功能，以滿足發(fā)電廠電氣運行的需要。

3.6 電子式電流互感器配置

LZC-12型電子式電流互感器，用于12kV及以下高壓開關柜中，與電子式儀表、微機測量保護設備配套使用，可同時實現(xiàn)測量信號、保護小信號輸出等功能，二次開路時不會產(chǎn)生高電壓。

4 結(jié)束語

電子式電流互感器可有效解決傳統(tǒng)電流互感器在發(fā)電廠廠用電使用中出現(xiàn)的易飽和、選型復雜的問題，替換方便；于此配合的數(shù)字式保護測控裝置集保護、控制、測量、計量等于一體，簡化了系統(tǒng)設計，提高了保護動作的可靠性。結(jié)合通信層和站控層組成的數(shù)字化發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)，可大大提高發(fā)電廠廠用電電氣科技含量和運行水平。

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