電子式互感器在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用

姜立憲 劉慶剛

摘要：變電站的數(shù)字化是一種發(fā)展趨勢，數(shù)字化變電站指信息采集、傳輸、處理、輸出過程完全數(shù)字化的變電站，數(shù)字信號可以用光纖傳輸，從根本上解決抗干擾問題。電子式互感器的優(yōu)越性在于能夠直接提供數(shù)字信號給計(jì)量保護(hù)裝置，可簡化二次設(shè)備，提高整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和可靠性。隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，新一代電子式互感器逐漸取代了傳統(tǒng)CT，使得電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)更穩(wěn)定、更高效。本文重點(diǎn)介紹了電子式互感器的原理、特點(diǎn)及其在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化變電站 ?電子互感器 ?羅氏線圈

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人們對電能的需求越來越多，輸電系統(tǒng)不斷擴(kuò)容，同時(shí)不斷提升運(yùn)行電壓等級，以往電磁式電流、電壓互感器或電容式電壓互感器，暴露出如絕緣要求高、磁飽和、鐵磁諧振、動態(tài)范圍小、頻帶窄以及有油易燃、易爆炸等一系列缺點(diǎn)。電子式互感器是采用磁光、電光變換原理或由無鐵芯線圈構(gòu)成的新型互感器，能夠向計(jì)量保護(hù)裝置直接傳輸數(shù)字信號，在保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行的同時(shí)精簡了二次設(shè)備[1]。目前，數(shù)字化和信息化已延伸到了電力系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)升級改造勢在

必行。而當(dāng)前，各種自動化變電站和各個(gè)市區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的電

網(wǎng)系統(tǒng)改造已開始使用電子式互感器這種先進(jìn)的數(shù)字系統(tǒng)。[2][3]。

1 電子式互感器的基本原理

1.1 電子式電流互感器原理

當(dāng)前，中壓領(lǐng)域（40.5kV及以下）的電子式電流互感器原理主要有兩種：羅氏線圈[4]互感器和低功率線圈互感器。

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圖1 ?羅氏線圈電流互感器原理

圖1為羅氏線圈電子式電流互感器原理，它由羅氏線圈、積分器、A/D轉(zhuǎn)換等單元構(gòu)成，把一次側(cè)大電流轉(zhuǎn)換為二次的低電壓模擬量輸出或數(shù)字量輸出。由沒有磁飽和的羅氏線圈得到與一次電流I1的時(shí)間微分成比例的二次電壓E2，將該二次電壓E2進(jìn)行積分處理，得到與一次電流成比例的電壓信號。

將模擬積分和數(shù)字積分技術(shù)應(yīng)用在二次回路中，輔以去除直流偏置回路及不完全積分器技術(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)計(jì)算，攻克了因直流偏置造成積分值急劇增大的技術(shù)難題，同時(shí)保證了作為疊加值DC分量的電流信號客觀可靠， 在電流互感器的控制下，不完全積分器始終在合理的數(shù)值范圍內(nèi)浮動。二次回路也應(yīng)用了抑制雷電過電壓及操作過電壓的技術(shù)措施，使互感器更加耐沖擊。采用電磁兼容設(shè)計(jì)技術(shù)供給電源，并輸送主訊號，有效改進(jìn)新型互感器抗干擾性能，從而使之高效、穩(wěn)定的完成運(yùn)行工作。

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圖2 ?低功率線圈電流互感器原理圖

由低功率線圈組成的電子式電流互感器原理詳見圖2。圖中，Ra表示分流電阻，I1表示一次電流，I2表示二次電流，U2表示二次電流I2在分流電阻Ra兩端的電壓降。

從該裝置的構(gòu)造和應(yīng)用特點(diǎn)可預(yù)見經(jīng)典感應(yīng)電流互感器的未來發(fā)展趨勢。它的主體構(gòu)造包括一次繞組、小鐵芯、損耗最小化的二次繞。二次繞組與Ra相連。在電流互感器主體構(gòu)造中，Ra采用一體化設(shè)計(jì)，能使互感器的功率效率近似零值。U2與I1成比例，按照運(yùn)行要求，U2的取值范圍要求在0～5V之間。與以往所用的互感器裝置相比，新型互感器的電流測量范圍更大，并且具有測量功能和保護(hù)功能，功能較以往而言有所改進(jìn)。

1.2 電子式電壓互感器原理

目前中壓領(lǐng)域（40.5kV及以下）的電子式電壓互感器主要采用了電阻分壓原理的電壓互感器，如圖3所示。

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圖3 ?電子式電壓互感器分壓原理

新型電子互感器的高、低壓電阻均經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且應(yīng)用了高性能分壓器，兼具測量與保護(hù)功能，測量精度0.2級，保護(hù)級3P級。電子式電壓互感器的二次電壓與一次電壓成正比關(guān)系，二次電壓取值范圍為0-5V，基于與二次智能化設(shè)備接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化的測量保護(hù)功能。并且該裝置內(nèi)部無鐵芯，因而不會引起鐵磁諧振。

2 電子式互感器的特點(diǎn)

①與傳統(tǒng)互感器相比較，電子式互感器的測量范圍更廣， 并且不存在電磁飽和的問題。

②無油，不存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

③體積小，重量輕，所需空間小，安裝流程簡單。尤其是光電互感器，它的重量通常只有電磁式電流/電壓互感器重量的1/10。

④不存在電磁輻射的問題。運(yùn)行時(shí)，能源利用率高，消耗小，迎合了當(dāng)前綠色發(fā)展的主題。

⑤具有良好的絕緣性能，補(bǔ)漏電;高低壓完全隔離，具有優(yōu)良的絕緣性能和優(yōu)越的性價(jià)比，安全性高。

⑥信號傳輸系統(tǒng)具有高強(qiáng)抗輻射干擾、抗電磁干擾性能，受地電位影響小，頻帶寬，并且在提高傳輸速率的前提下進(jìn)行了擴(kuò)容，通訊質(zhì)量良好，有利于實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)自動化改造標(biāo)準(zhǔn)。

⑦便于組網(wǎng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)迎合了數(shù)字電網(wǎng)的發(fā)展要求。

⑧不存在二次保護(hù)電抗信號輸入干擾的問題，能保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，對實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)自動化改造目標(biāo)有積極的意義。

⑨二次設(shè)備的安全性、可靠性基本達(dá)標(biāo)，因而可省去儀表保安系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

⑩二次設(shè)備不用承受動熱穩(wěn)定電流，設(shè)備運(yùn)行成本大幅縮減。

■不必大量施作二次電纜，省材又省工。

■電子式電壓互感器、電子式電流互感器不存在開路和短路問題，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

3 電子式互感器的應(yīng)用

電子式電流電壓互感器是一種可計(jì)量電壓電流參量，兼具測量、保護(hù)功能的新型電力設(shè)備。電子式電流互感器可達(dá)到測量級0.2或0.2S級，保護(hù)級5P級;電子式電壓互感器可達(dá)到測量級0.2級，保護(hù)級3P級。電子式互感器輸出數(shù)字信號，信號輸送與二次設(shè)備處理都不會產(chǎn)生附加誤差，進(jìn)一步提高了測量精度，保護(hù)功能也有所改進(jìn)。數(shù)字智能電網(wǎng)改造與建設(shè)已是大勢所趨，并且電子式互感器的應(yīng)用也將成為智能電網(wǎng)一個(gè)未來發(fā)展趨勢。

在電網(wǎng)自動化升級改造中，智能開關(guān)設(shè)備與光電式互感器機(jī)電一體化設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用，使智能電網(wǎng)迎來了數(shù)字時(shí)代。在高壓和超高壓變電站中，電力數(shù)據(jù)的測控與保護(hù)、故障錄波，以及A/D變換、光隔離器件、控制操作回路等其他自動裝置的I/O單元，都將成為智能一次設(shè)備的主題架構(gòu)。智能一次設(shè)備中的控制回路和傳感器均采用數(shù)字化設(shè)計(jì)。而在中低壓變電站則將保護(hù)、監(jiān)控裝置小型化、緊湊化，完整地安裝在開關(guān)柜上，實(shí)現(xiàn)了變電站機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。

從物理角度來分析，數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)主要由智能化的一次設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備組成。以一個(gè)間隔為例，其結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖4。

在電子式互感器下邊采用光電采集部分。采用的是TI公司生產(chǎn)的高性能數(shù)字處理芯片[5]DSP2407，該芯片可提供40MHz的處理速度，同時(shí)采用128點(diǎn)采樣，這樣提高了系統(tǒng)的精確度。經(jīng)過數(shù)字處理芯片的邏輯控制后，通過光纖將電流和電壓的數(shù)字信號傳輸?shù)街骺厥业谋Ｗo(hù)屏上。采用雙看門狗的結(jié)構(gòu)方式，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)通過對電源回路進(jìn)行檢測，提高系統(tǒng)的可靠性。采用光纖的傳輸方式后，提高了系統(tǒng)運(yùn)行過程中的抗干擾能力。簡化了系統(tǒng)的接線方式，同時(shí)節(jié)省了投運(yùn)成本。工作電源部分采用可靠性極高的寬溫高容量穩(wěn)壓電源，提高了電源部分的穩(wěn)定性，也就提高了系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性。

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圖4 ?數(shù)字化變電站拓?fù)鋱D

4 結(jié)論

綜上所述，新型電子式互感器在電網(wǎng)系統(tǒng)智能化、數(shù)字化的升級改造中的應(yīng)用，可以說是提高電網(wǎng)服務(wù)與運(yùn)行質(zhì)量的一次大膽嘗試，對改進(jìn)電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量，提高電力數(shù)據(jù)輸送的穩(wěn)定性和安全性有積極的意義，并且這也是國內(nèi)互感器行業(yè)的一次頗具轟動效果得技術(shù)革命。

電子式互感器體積小、重量輕，能很方便地將其置于各種小型化電器成套設(shè)備中，這對減少變電站占地面積、減少設(shè)備制造、運(yùn)輸、包裝成本、減少對資源的占用，降低變電站建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)資源的合理配置都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。

電子式電流電壓互感器的發(fā)展正處于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的初期，它的廣泛使用還將帶動相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，其產(chǎn)業(yè)化前景極為廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，1998.

[2]國家標(biāo)準(zhǔn)互感器第7部分：電子式電壓互感器[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[3]國家標(biāo)準(zhǔn)互感器第8部分：電子式電流互感器[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[4]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 20840.8-2007互感器第八部分：電子式電流互感器[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)化出版社，2007.

[5]李瑋，宋毅.一種基于DSP+FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國集成電路，2010（04）.