電子式互感器在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用及前景研究

馬同新++畢欣

摘 要：隨著近年來人們的用電量逐漸地增加，小型化、智能化、可靠性高的新型電子式互感器在今后的電力系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。文章首先對電子式互感器的工作原理、分類及其與常規(guī)互感器的比較進(jìn)行了概述，然后對電子式互感器在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，最后對電子式互感器的應(yīng)用現(xiàn)狀以及今后的發(fā)展前景進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：電子式互感器；數(shù)字化變電站；無源電子式互感器；有源電子式互感器

電子式互感器具有體積質(zhì)量小、絕緣體結(jié)構(gòu)簡單、無鐵芯、線性度好等優(yōu)點，同時可直接與微機(jī)化計量及保護(hù)設(shè)備的接口相連接，這些優(yōu)點促使了新型的電子互感器在不就的將來必將會取代傳統(tǒng)常規(guī)的電子互感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 電子式互感器的基本概述

1.1 電子式互感器的基本簡介

常規(guī)電子式互感器輸出為小電壓模擬信號和數(shù)字信號的電流，這類互感器仍存在常規(guī)互感器所存在的一些缺點，所以在新型電子互感器中，都是采用光纖輸出數(shù)字信號，文章主要對光纖輸出的電子互感器進(jìn)行研究和討論。

1.2 電子式互感器的類別

1.2.1 有源電子式互感器

在IEC規(guī)定的電子式互感器的通用結(jié)構(gòu)中主要包括三部分：一次部分、二次部分和傳輸系統(tǒng)。在有源電子式互感器中，電流互感器采用的Rogowski線圈，電壓互感器采用的是電容、電阻、電感的分壓，這些裝置可以利用電磁感應(yīng)原理來感應(yīng)被測信號。有源電子式互感器的高壓平臺傳感頭的部分電子電路需要電源供電，模擬量的數(shù)值采樣在一次平臺上完成，然后通過光纖將數(shù)字信號傳輸?shù)蕉蜗到y(tǒng)，包括保護(hù)系統(tǒng)、計量系統(tǒng)、測控系統(tǒng)等等。

有源電子式互感器可以分為獨立式和封閉式氣體絕緣組合電器（GIS）式。獨立式電子互器由于絕緣的要求，采集單元安裝在絕緣瓷柱上，在實際的電力系統(tǒng)中，采集單元所使用的供電電源主要有激光、小電流互感器、分壓器、光電池等等。GIS電子式互感器的絕緣問題可以由GIS解決，采集模塊安裝在了遠(yuǎn)端的接地外殼上，因此可以實現(xiàn)直接使用變電站的220V＼110V電壓進(jìn)行供電。

1.2.2 無源電子式互感器

無源電子式互感器又稱為光學(xué)互感器，其傳感頭部分有塊狀玻璃和全光纖兩種材質(zhì)。無源電子式互感器實現(xiàn)信號的測量主要是基于Pockels電光效應(yīng)，其傳感頭部分不需要安裝電源裝置。無源電子式互感器通過光纖將電流和電業(yè)的信號傳輸?shù)街骺厥疫M(jìn)行調(diào)制解調(diào)，然后再將數(shù)字信號輸出到合并單元（MU）。無源電子式互感器的傳感頭部分的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)比較復(fù)雜，同時很容易受到溫度、震動等外界因素的影響，使得無源電子式互感器在實際的推廣和應(yīng)用具有一定的困難。

2 電子式互感器在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用

2.1 電子式互感器在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用

現(xiàn)代的數(shù)字化變電站主要是用來實現(xiàn)智能設(shè)備之間的信息共享和互相操作。數(shù)字化變電站主要可以分為三層：一次電力裝備的過程層、間隔層以及變電站的站控層。數(shù)字化變電站在工作過程中的第一步就是要在過程層實現(xiàn)測量輸出數(shù)字化，而因此在數(shù)字化變電站中使用電子式互感器輸出數(shù)字信號最合適不過了。

通過查閱電子式互感器在數(shù)字化變電站中的結(jié)構(gòu)分布圖可以得知：分布于過程層的電流互感（ECT）和電壓互感器（EVT）可以向分布于間隔層的合并單元（MU）傳輸電流和電壓測量所得的數(shù)據(jù)，然后合并單元（MU）再將測量所得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖Ｗo(hù)控制裝置，最后傳輸?shù)秸究貙印８鶕?jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，在數(shù)字化變電站中，每個間隔之間要包含七路電流測量和5路電壓測量。電子式互感器與合并單元（MU）在進(jìn)行光纖通信時可以根據(jù)實際情況采用過程總線的傳輸方式或者點對點的傳輸方式。

2.2 電子式互感器在數(shù)字化變電站中應(yīng)用的優(yōu)勢

2.2.1 測量精度高

傳統(tǒng)的電磁式互感器在測量時產(chǎn)生的誤差會根據(jù)二次回路負(fù)荷的改變而改變，因此會產(chǎn)生不可預(yù)計的誤差。而電子式互感器所傳輸?shù)男盘枮閿?shù)字信號，在信號的傳輸過程中不會有其他的誤差產(chǎn)生，因此測量精度會比較高。

2.2.2 二次設(shè)備結(jié)構(gòu)簡化

現(xiàn)代數(shù)字化變電站使用的大部分都是數(shù)字設(shè)備，而傳統(tǒng)的電磁式互感器只能輸出模擬信號，模擬信號要傳送到這些數(shù)字設(shè)備需要經(jīng)過小電流互感器、小電壓互感器、采樣保持、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)，二次設(shè)備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。而電子式互感器傳輸?shù)臑閿?shù)字信號，不需要經(jīng)過上述的環(huán)節(jié)，可以直接傳輸?shù)綌?shù)字設(shè)備，從而大大的簡化了二次設(shè)備結(jié)構(gòu)。

2.2.3 提高了間隔層和過程層連接的靈活性

傳統(tǒng)的電磁式互感器傳輸?shù)氖悄M信號，并且信號是通過同軸電纜傳輸?shù)?。如果遇到多個裝置需要同一個互感器傳輸信號的情況，就需要進(jìn)行二次接線，過程比較復(fù)雜，同時還會受到電磁場的干擾作用。在電力系統(tǒng)中可以首先構(gòu)造一個總線網(wǎng)絡(luò)，總線網(wǎng)絡(luò)主要由電子式互感器和使用電子式互感器傳輸信號的裝置構(gòu)成，這樣就可以使得數(shù)據(jù)的傳輸變得很方便，輕松地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。

2.2.4 保護(hù)裝置的性能得到明顯提高

作為科技研究前沿的電子式互感器，它為基于高頻暫態(tài)信號的保護(hù)創(chuàng)造了可行的條件，這樣一來就明顯地提高了保護(hù)裝置的快速性、靈敏度以及準(zhǔn)確性。

2.2.5 實現(xiàn)有效的故障錄波

在現(xiàn)實生活中，故障錄波最難解決的問題就是由于內(nèi)部分量電流使得小電流互感器飽和，進(jìn)而使記錄的數(shù)據(jù)失去準(zhǔn)確性。電子式的互感器它的本身就是不飽和的，而且它所輸出的是數(shù)字信號，在結(jié)構(gòu)上就省去了小電流互感器這一裝置，從而使故障錄波的高保真成為了可能。

3 電子式互感器的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景分析

3.1 電子式互感器的生產(chǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀

國際上開始對電子式互感器進(jìn)行研究開始于30多年前，許多公司已經(jīng)逐步實現(xiàn)了電子式互感器的產(chǎn)品化和市場化。

ABB公司是世界上標(biāo)準(zhǔn)化光學(xué)電流和電壓傳感器設(shè)備生產(chǎn)的領(lǐng)先者，該公司已經(jīng)研制和生產(chǎn)出了多種有源電子式互感器和無源電子式互感器，主要應(yīng)用于插接式智能組合電器、高壓直流以及中低壓開關(guān)柜中等等。法國的AREVA公司是一家主要研究和生產(chǎn)無源電子式互感器的公司，該公司生產(chǎn)的無源電子式互感器像CTO、VTO和CMO等，已經(jīng)被美國、法國、英國、加拿大等多個國家的變電站所使用。除此之外，日本的三菱公司、美國的Photonic Power Systems公司、加拿大的NxtPhase公司、德國的RITZ互感器公司都在進(jìn)行一系列的關(guān)于電子式互感器方面的研究。

在我國，研究電子式互感器的主要有清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等高等院校以及武漢高壓研究所、電力科學(xué)研究院等研究機(jī)構(gòu)和沈陽變壓器制造有限公司、上?；ジ衅鲝S等互感器生產(chǎn)公司，這些單位已經(jīng)研制出了多種樣機(jī)，并進(jìn)行了試運(yùn)行。

3.2 電子式互感器的發(fā)展前景

兩種電子互感器相比，無源電子式互感器一次側(cè)不需供電電源，比較具有優(yōu)勢，但是其光學(xué)裝置的制作過程比較復(fù)雜，并且并能不太穩(wěn)定。而目前在有源電子式互感器的研究上已經(jīng)具有了比較成熟的技術(shù)，隨著大量的研制成果被運(yùn)用于實際，有源電子式互感器會得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。

4 結(jié)語

電子式互感器特有的技術(shù)優(yōu)勢和價格優(yōu)勢促使其在未來的電力系統(tǒng)中必將發(fā)揮著重要的作用，電子式互感器的推廣和應(yīng)用會促進(jìn)電力系統(tǒng)朝著數(shù)字化和自動化的方向全面發(fā)展，為經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供可靠的基礎(chǔ)，為人們的生活帶來巨大的便利。

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