電子式互感器及其在智能變電站中的應(yīng)用

摘 要:詳細(xì)介紹了關(guān)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(shù)特征進(jìn)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(guān)鍵的作用以及未來電子式互感器的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞:智能電網(wǎng) 智能變電站 電子式互感器 有源式 無源式 發(fā)展趨勢

中圖分類號:TM76文獻(xiàn)標(biāo)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，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 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(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，需要對電力系統(tǒng)及其電力設(shè)備的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行測量，以便對其進(jìn)行必要的計量、監(jiān)控和保護(hù)?；ジ衅鞯淖饔帽闶菍⒏唠妷夯虼箅娏靼幢壤儞Q成標(biāo)準(zhǔn)低電壓或標(biāo)準(zhǔn)小電流，供給測量儀器、儀表和繼電保護(hù)控制裝置。傳統(tǒng)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(tài)范圍小，易發(fā)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(wǎng)已逐步成為電力行業(yè)的發(fā)展趨勢，其核心便是智能變電站。相比于常規(guī)變電站，智能變電站是數(shù)字化變電站的升級，而數(shù)字化變電站的特點(diǎn)是以電子式互感器取代傳統(tǒng)的互感器，以數(shù)字信號取代傳統(tǒng)的模擬電量采集，通過光纖、通信線組成數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)精確地電壓電流數(shù)據(jù)測量，以便于智能電網(wǎng)的控制、監(jiān)控與保護(hù)。因此，電子式互感器在智能變電站中的應(yīng)用將在未來智能電網(wǎng)建設(shè)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(shù)字量輸出，供頻率15～100Hz的電氣測量儀器和繼電保護(hù)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(chǎn)生與一次端子通過電流或者電壓相對應(yīng)的信號，經(jīng)過一次轉(zhuǎn)換器傳送給二次轉(zhuǎn)換器，然后二次轉(zhuǎn)換器將傳輸系統(tǒng)傳來的信號轉(zhuǎn)換為供給測量儀器、儀表和繼電保護(hù)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(zhuǎn)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(xué)原理的，光纖傳輸系統(tǒng)可以直接將光測量信號送出，無需一次轉(zhuǎn)換器，當(dāng)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(yīng)原理，亦稱為磁致旋光效應(yīng)。LED發(fā)出的光近起偏器后為一線偏振光，線偏振光在電流產(chǎn)生的磁場作用下通過磁光材料時，其偏振面將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)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(shè)計成圍繞電流道題繞圈得閉合回路，則上式是閉合環(huán)路的線積分，根據(jù)全電流定律可得

為Verde常數(shù);為光路與電流交鏈的匝數(shù);為導(dǎo)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(zhuǎn)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(xué)材料，環(huán)境因素對其性能的影響很大，主要表現(xiàn)在溫度漂移和長期穩(wěn)定性，所以其能否最終實(shí)用化推廣的關(guān)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(yīng)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(tǒng)電磁式互感器實(shí)現(xiàn)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(huán)形骨架上制成的，不會出現(xiàn)磁飽和及磁滯等問題。

載流導(dǎo)線從線圈中心穿過，當(dāng)導(dǎo)線上有電流流過時，在線圈兩端將會產(chǎn)生一個感應(yīng)電勢，它與一次電流的關(guān)系如下:

為空心線圈的互感系數(shù);為真空磁導(dǎo)率;為線圈匝數(shù);為每匝線圈的橫截面積;為線圈中心和導(dǎo)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(wěn)定可靠的互感系數(shù)，將測得的感應(yīng)電勢進(jìn)行積分處理，并結(jié)合該空心線圈的互感系數(shù)進(jìn)行計算，即可得到被測電流的大小，圖3。

因?yàn)镽ogowski線圈型電子式電流互感器的基礎(chǔ)是Faraday電磁感應(yīng)定理，所以決定了其不能用于測量恒穩(wěn)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(yīng)型和逆壓電效應(yīng)型，由于基于逆壓電效應(yīng)的無源式電子式電壓互感器需要特種光纖且信號解調(diào)較為復(fù)雜，現(xiàn)在研究的大多數(shù)為Pockels效應(yīng)型。

根據(jù)Pockels效應(yīng)，某些晶體在外電場作用下將導(dǎo)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(chǎn)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(chǎn)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(qiáng)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(yīng)引起的雙折射兩光束產(chǎn)生180°相差所需外加電壓大小)。

Pockels效應(yīng)型電子式電壓互感器由于同樣采用了光學(xué)材料，所以與基于Faraday效應(yīng)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(qū)別在于在經(jīng)過電阻電容分壓后，需要經(jīng)過信號預(yù)處理之后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)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(shè)備，而且保證信號傳輸?shù)目垢蓴_性和可靠性，是亟需解決的一個技術(shù)難題。

4 在智能變電站中的應(yīng)用

智能變電站是指采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求。自動完成信息采集、測量、控制、保護(hù)、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能的變電站。

智能變電站自動化系統(tǒng)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(guān)、電流\\電壓互感器等一次設(shè)備及其所屬的智能組件以及獨(dú)立的智能電子設(shè)備。

智能電網(wǎng)中的智能變電站主要是要實(shí)現(xiàn)測量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化、信息互動化。而這些目標(biāo)的基礎(chǔ)全部基于對電壓電流的精確測量。

電子式互感器是實(shí)現(xiàn)變電站運(yùn)行實(shí)時信息數(shù)字化的主要設(shè)備之一，在電網(wǎng)動態(tài)觀測、提高繼電保護(hù)可靠性等方面具有重要作用，是提高電力系統(tǒng)運(yùn)行控制得整體水平的基礎(chǔ)。

一方面，電子式互感器信號采用數(shù)字輸出、接口方便、通信能力強(qiáng)，其應(yīng)用將直接改變變電站通訊系統(tǒng)的通信方式。采用電子式互感器輸出的數(shù)字信號后，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)/多個點(diǎn)對點(diǎn)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(fù)雜的問題，同時能夠大大簡化測量或保護(hù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)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(shù)量很少，因此，相比于常規(guī)變電站的電纜，敷設(shè)工作量遠(yuǎn)遠(yuǎn)減少。傳統(tǒng)電流/電壓互感器每1～3個月例行檢查一次，1～3年進(jìn)行一次小修，30年壽命周期內(nèi)大修兩次。電子式互感器巨大的優(yōu)勢，使得其在全壽命周期內(nèi)基本“免維護(hù)”。因此，其維護(hù)工作主要是對遠(yuǎn)端模塊或電氣單元中的電子器件進(jìn)行維護(hù)或更換，一般每5年維護(hù)一次，相比較而言，運(yùn)行維護(hù)工作量大為減少。

由此可見，電子式互感器應(yīng)用在智能變電站中可以促進(jìn)其智能化、自動化、精確化，將極大地促進(jìn)智能電網(wǎng)輸配電模塊的建設(shè)和發(fā)展。

5 結(jié)語

電子式互感器的誕生是互感器傳感準(zhǔn)確化、傳感光纖化和輸出數(shù)字化發(fā)展趨勢的必然結(jié)果。有源式電子式互感器技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，基本達(dá)到實(shí)用化要求，故目前國內(nèi)大部分?jǐn)?shù)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(wǎng)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(xué)原理克服了有源式互感器的一些缺點(diǎn)，但卻存在溫度影響以及穩(wěn)定性運(yùn)行問題，阻礙著無源式電子式互感器的實(shí)用化。

近年來，無源式電子式互感器的研究取得了較大的進(jìn)展，特別是基于Faraday效應(yīng)的全光纖電子式電流互感器的性能指標(biāo)已接近實(shí)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(fā)展方向，其在智能變電站中的應(yīng)用也將推動著智能電網(wǎng)的發(fā)展與建設(shè)。

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