电子式互感器及其在智能变电站中的应用

为保证电力系统的安全、经济运行,需要对电力系统及其电力设备的相关系数进行测量,以便对其进行必要的计量、监控和保护。互感器的作用便是将高电压或大电流按比例变换成标准低电压或标准小电流,供给测量仪器、仪表和继电保护控制装置。传统的互感器多为电磁式互感器,其由于自身存在绝缘性能差,动态范围小,易发生磁饱和等缺陷, 而电子式互感器已然成为解决这些问题的"钥匙"。近年来,智能电网已逐步成为电力行业的发展趋势, 其核心便是智能变电站。相比于常规变电站,智能变电站是数字化变电站的升级, 而数字化变电站的特点是以电子式互感器取代传统的互感器, 以数字信号取代传统的模拟电量采集,通过光纤、通信线组成数字化网络,实现精确地电压电流数据测量,以便于智能电网的控制、监控与保护。因此, 电子式互感器在智能变电站中的应用将在未来智能电网建设中起到不可估量的作用。

　　1 电子式互感器的定义及分类

　　1 . 1 电子式互感器的定义

　　电子式互感器是具有模拟量电压输出或数字量输出,供频率15～100Hz的电气测量仪器和继电保护装置使用的电流/ 电压互感器。

顾名思义, 电子式互感器分为电子式电流互感器和电子式电压互感器两种,其通用框图如:图1所示。

　　图1 电子式互感器通用框

一次传感器产生与一次端子通过电流或者电压相对应的信号, 经过一次转换器传送给二次转换器, 然后二次转换器将传输系统传来的信号转换为供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置的量。

　　1 . 2 电子式互感器的分类

　　图2 电子式互感器分类示意图

　　图2 中, 若一次转换器是电子部件, 需要一次电源供电, 则称此类电子式互感器为有源电子式互感器; 若一次传感器是光学原理的, 光纤传输系统可以直接将光测量信号送出,无需一次转换器,当然也无需一次电源, 则称此类电子式互感器为无源电子式互感器。

　　2 电子式电流互感器

　　2 . 1 无源式电子式电流互感器

　　无源式电子式电流互感器可分为全光纤式和磁光玻璃式,其主要原理是Faraday效应原理,亦称为磁致旋光效应。LED发出的光近起偏器后为一线偏振光, 线偏振光在电流产生的磁场作用下通过磁光材料时,其偏振面将发生偏转,旋转角q 正比于磁场H 沿着线偏振光通过材料路径的线积分,即

　　V 为Verde常数; N 为光路与电流交链的匝数; i 为导体中流过的电流。

　　由此可见,电流i 与q 角成正比,因此,测出偏振光旋转角q 即可测出电流i 。

　　由于无源式电子式电流互感器采用的是光学材料, 环境因素对其性能的影响很大,主要表现在温度漂移和长期稳定性,所以其能否最终实用化推广的关键就是解决这两方面的问题。

　　2 . 2 有源式电子式电流互感器

　　基于Faraday电磁感应原理的有源式电子式电流互感器可分为Rogowski线圈型和低功率线圈型。低功率线圈型与传统电磁式互感器实现原理基本一致,而Rogowski线圈,亦称为空心线圈,是由漆包线均匀绕制在环形骨架上制成的, 不会出现磁饱和及磁滞等问题。

　　载流导线从线圈中心穿过, 当导线上有电流流过时, 在线圈两端将会产生一个感应电势e ,它与一次电流i 的关系如下:

　　截面积; R 为线圈中心和导电杆中心之间的距离。

　　可见,理想的Rogowski线圈对电流的测量依赖于一个稳定可靠的互感系数,将测得的感应电势进行积分处理, 并结合该空心线圈的互感系数进行计算, 即可得到被测电流的大小,图3。

　　因为Rogowski线圈型电子式电流互感器的基础是Faraday电磁感应定理,所以决定了其不能用于测量恒稳直流, 对于变化比较缓慢的非周期分量的测量也有一定的局限性, 即存在测量信号频带的限制。

　　3 电子式电压互感器

　　3 . 1 无源式电子式电压互感器

　　无源式电子式电压互感器分为Pockels效应型和逆压电效应型, 由于基于逆压电效应的无源式电子式电压互感器需要特种光纤且信号解调较为复杂, 现在研究的大多数为Pockels效应型。

　　根据Pockels效应,某些晶体在外电场作用下将导致其入射光折射率改变, 这将使沿某一方向入射晶体偏振光产生电光相位延迟, 且延迟量与外加电场成正比, 因此,可将被测电压加在晶体上,测其入射晶体偏振光产生电光相位延迟(相位差),可得被测电压值,其公式如下:

　　Pockels效应型电子式电压互感器由于同样采用了光学材料,所以与基于Faraday效应原理的无源式电子式电流互感器存在着相同的有待解决的问题。

　　3 . 2 有源式电子式电压互感器

有源式电子式电压互感器主要采用阻容分压型,与上述几类互感器不同的是,阻容分压型互感器是最早的测量高电压方式。其中, 电阻分压型电