電子式高壓電力互感器的發(fā)展現(xiàn)狀

郭小燕 胡旭喆 朱波濤

【摘要】隨著電力系統(tǒng)自動化、智能化和數(shù)字化的發(fā)展，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器由于其自身傳感機理限制很難滿足電力系統(tǒng)發(fā)展要求。電子式高壓電力互感器取代傳統(tǒng)的電磁式互感器已成為發(fā)展的必然趨勢。本文論述了電子式高壓電力互感器的特點，介紹了電子式高壓電力互感器的分類，以及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。

【關(guān)鍵詞】智能化;數(shù)字化;電子式高壓電力互感器

引言

互感器是為電力系統(tǒng)進行電能計量、測量、控制、保護等提供電流電壓信號的重要設(shè)備，其精度及可靠性與電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行密切相關(guān)。隨著電力工業(yè)發(fā)展，電力傳輸系統(tǒng)容量不斷增大，電網(wǎng)運行電壓等級不斷增高。高電壓、大電流的測量對于電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟地運行具有重要的意義。準確地測量各種電壓、電流值是電能測量、繼電保護、系統(tǒng)監(jiān)測診斷以及電力系統(tǒng)分析的前提條件。電子式互感器的諸多優(yōu)點決定了其在數(shù)字化變電站的建設(shè)中發(fā)揮重要作用。

1.電子式高壓電力互感器的特點

國際電工委員會（IEC）制定了電子式電壓互感器標準IEC60044-7、電子式電流互感器標準IEC60044-8，按照標準，電子式互感器的含義包括所有的光電互感器及其他使用電子設(shè)備的互感器。根據(jù)IEC標準[1]，新型互感器統(tǒng)稱為電子式互感器。與傳統(tǒng)電力互感器相比，具有以下特點：

（1）絕緣結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕。因無鐵心、絕緣油等，一般電子式互感器的重量只有電磁式互感器重量的1/10，便于運輸和安裝。

（2）不存在磁飽和與鐵磁諧振問題，能在很大的電流與電壓變化范圍內(nèi)，以高速動作、準確、抗干擾的寬頻帶性能來測量電流、電壓。

（3）由于傳感和信號處理部分外形小和重量輕，可以裝入成套電器或成套配電裝置中，適應(yīng)電力設(shè)備向集成化方向發(fā)展的趨勢。

（4）采用光纖或其它加強絕緣方式實現(xiàn)高電壓回路與二次低壓回路在電氣上的完全隔離，消除這些回路不希望有的相互影響，保護了二次設(shè)備和工作人員的安全。

（5）適應(yīng)了繼電保護裝置（包括微機保護）的發(fā)展。利用故障時的暫態(tài)信號量作為保護判斷，是微機保護的發(fā)展方向，對互感器的線性度、動態(tài)特性等都有較高的要求，電子式互感器的出現(xiàn)滿足了這一要求。

（6）有利于實現(xiàn)變電站數(shù)字化、光纖化和智能化。電子式互感器的信號和傳輸形式都可以采用光纜（光纖）實現(xiàn)，而光信號的突出優(yōu)點和光纖通信技術(shù)的廣泛采用使得變電站內(nèi)部以及和上級站之間的數(shù)據(jù)傳輸更加可靠和迅速。

2.電子式高壓電力互感器的類別

電子式高壓電力互感器有兩個主要類別：光學(xué)電子式互感器和混合電子式互感器。

2.1 光學(xué)電子式互感器

光學(xué)電子式互感器的電流測量原理包括磁致伸縮效應(yīng)、Faraday效應(yīng)、Kerr效應(yīng)和逆壓磁效應(yīng)等，電壓測量原理包括Pockels效應(yīng)、Kerr效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)等。其中利用Faraday效應(yīng)測量電流和Pockels效應(yīng)測量電壓的方法最直接，裝置最簡單、精度高，所以應(yīng)用范圍最廣[2]。

我國對光學(xué)互感器的研究，沈陽變壓器研究所從上世紀70年代開始研究，以后在清華大學(xué)協(xié)助下于1979年研制出第一臺樣機，并先后研制出三臺樣機，在220KV線路上試運行，后來于1984年退出運行。國家對光學(xué)電子式互感器的研究工作非常重視，將其列為“七五”、“八五”重點研究項目。先后有清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等多家科研院校相繼從事過光學(xué)電子式互感器方面的研究。其中華中理工大學(xué)研制的計量用光學(xué)電流互感器于1993年在廣東新會110kV電網(wǎng)試運行，盡管未達到計量目標，但標志著我國的光學(xué)互感器研究已向?qū)嵱没~進[3]。

2.2 混合電子式互感器

混合電子式互感器是指采用Rogowski線圈、帶鐵心的低功率電流互感器、霍爾器件以及分壓器等作為傳感器，利用光纖完成從高壓端到低壓端的數(shù)據(jù)傳輸，通常高壓傳感部分需要電源供能的各類電子式互感器。從上世紀九十年代開始，混合電子式互感器作為傳統(tǒng)互感器的一種替代產(chǎn)品，受到人們關(guān)注[2]。

國內(nèi)對混合電子式互感器的研究開始九十年代中后期，從事研究的單位有：清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、大連理工大學(xué)、西安交通大學(xué)和華北電力大學(xué)等[7]。研究涉及了高壓GIS裝置和戶外高壓互感器等方面的應(yīng)用，經(jīng)過近十年的發(fā)展，積累了一定的試驗和現(xiàn)場運行經(jīng)驗。近年來，隨著傳感頭的工業(yè)化設(shè)計，高壓端電源設(shè)計，數(shù)據(jù)調(diào)制傳輸方案確定，標準化接口設(shè)計、電磁兼容和可靠性設(shè)計以及系統(tǒng)誤差補償?shù)葐栴}的提出和研究的深入，越來越多的混合電子式互感器樣機已進入或準備進入掛網(wǎng)試運行階段，這標志著我國的混合電子式互感器的研究正逐步進入實用化。

3.電子式高壓電力互感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前，在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的以微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字保護裝置、計量測試儀表、運行監(jiān)控系統(tǒng)以及發(fā)電機勵磁控制裝置，都要求采用低功率、緊湊型的電壓和電流互感器代替常規(guī)的電壓和電流互感器，電子式高壓電力互感器對電力系統(tǒng)特別是提高設(shè)備的安全性和可靠性具有重要意義。

3.1 電網(wǎng)動態(tài)觀測

以相量測量單元（ PMU）為基礎(chǔ)的廣域測量系統(tǒng)（WAMS）。PMU的前端是基本的電流和電壓測量，電流互感器和電壓互感器的動態(tài)測量精度是準確觀測電網(wǎng)動態(tài)過程的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的電磁式電流互感器不能很好滿足動態(tài)測量的要求。Faraday磁旋光效應(yīng)電流互感器，具有大范圍的線性測量能力，不存在測量頻帶問題，是理想的動態(tài)測量裝置。

3.2 電子式互感器對繼電保護的影響

高可靠的保護原理依賴高精度測量，特別是故障情況下的動態(tài)測量。傳統(tǒng)的電磁式互感器動態(tài)測量能力差，尤其是電流互感器。具有準確動態(tài)測量能力的電子式互感器，不僅能夠準確測量故障的基波，而且能夠準確測量非周期分量和各次諧波。一方面，在確保可靠性的基礎(chǔ)上，可以簡化現(xiàn)行保護裝置的保護邏輯和判據(jù)，另一方面，在充分利用準確故障動態(tài)信息的基礎(chǔ)上，可以產(chǎn)生實用化價值的保護新原理，比如利用非周期分量和各次諧波分量準確測量的保護方法。目前已經(jīng)有了電子式互感器為測量基礎(chǔ)的保護裝置的掛網(wǎng)運行案例。

以光學(xué)互感器為基礎(chǔ)，未來可能會實現(xiàn)光學(xué)保護的概念：按照保護原理光強信號直接運算和判定。光學(xué)保護將具有更高的可靠性和快速性。

3.3 電子式互感器在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用

準確的電流/電壓動態(tài)測量，可以為提高電力系統(tǒng)錄波、測距和定位的準確性和可靠性奠定測量基礎(chǔ)。電子式互感器是數(shù)字變電站和數(shù)字化電力系統(tǒng)的測量來源。

目前研究較為成熟并投入變電站運行的主要是有源電子式互感器，應(yīng)用場合主要有高壓直流輸電、SF6氣體絕緣開關(guān)（ GIS） 及中低壓開關(guān)柜等。國內(nèi)已有數(shù)十個應(yīng)用了電子式互感器的數(shù)字化變電站成功運行，如：在太行山區(qū)35kV 變電站運行的OCT（光學(xué)電流互感器） 和在黑龍江省黑河市110kV 變電站運行的OCT（光學(xué)電流互感器）等，這將給國內(nèi)乃至國際變電站的自動化運行和管理帶來深遠影響和變革，具有非常重大的技術(shù)和經(jīng)濟意義。

4.結(jié)論與展望

電子式互感器的誕生是互感器傳感準確化、傳輸光纖化和輸出數(shù)字化發(fā)展趨勢的必然結(jié)果。電子式電流互感器是電網(wǎng)動態(tài)觀測、提高繼電保護可靠性和數(shù)字電力系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)裝備，將在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要的基礎(chǔ)測量作用。電子式互感器以其高精度、高可靠性、寬頻帶等特點和在實際應(yīng)用中表現(xiàn)的優(yōu)良特性表明電子式互感器將成為未來互感器發(fā)展的主流方向。

參考文獻

[1]李紅斌，余春雨，葉國雄，等.電子式互感器數(shù)字輸出的研究[J].高電壓技術(shù)，2004，30（2）：10-12.

[2]殷志良，劉萬順，楊奇遜，等.基于IEC 61850標準的采樣值傳輸模型構(gòu)建及映射實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動化，2004，28（21）：38-42.

[3]段雄英，鄒積巖，廖敏夫，等.小波變換在電子式電力互感器誤差校正中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報，2002，17（6）：93-96.