電子式互感器的原理與比較

　　隨著光纖傳感技術(shù)、光纖通信技術(shù)的飛速發(fā)展，光電技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。電子式互感器就是其中之一。電子式互感器具有體積小、重量輕、頻帶響應(yīng)寬、無(wú)飽和現(xiàn)象、抗電磁干擾性能佳、無(wú)油化結(jié)構(gòu)、絕緣可靠、便于向數(shù)字化、微機(jī)化發(fā)展等諸多優(yōu)點(diǎn)，將在數(shù)字化變電站中廣泛應(yīng)用。

　　電子式互感器的誕生是互感器傳感準(zhǔn)確化、傳輸光纖化和輸出數(shù)字化發(fā)展趨勢(shì)的必然結(jié)果。電子式互感器是數(shù)字變電站的關(guān)鍵裝備之一。傳感方法對(duì)電子式互感器的結(jié)構(gòu)體系有很大影響。光學(xué)原理的電子式互感器結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)單，是無(wú)源的電子式互感器。電磁測(cè)量原理的電子式互感器是有源電子式互感器。?

　　1電子互感器的優(yōu)點(diǎn)?

　　1.1高低壓完全隔離，安全性高，具有優(yōu)良的絕緣性能，不含鐵芯，消除了磁飽和及鐵磁諧振等問(wèn)題?

　　電磁式互感器的被測(cè)信號(hào)與二次線圈之間通過(guò)鐵芯耦合，絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其造價(jià)隨電壓等級(jí)呈指數(shù)關(guān)系上升。非常規(guī)互感器將高壓側(cè)信號(hào)通過(guò)絕緣性能很好的光纖傳輸?shù)蕉卧O(shè)備，這使得其絕緣結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，電壓等級(jí)越高其性價(jià)比優(yōu)勢(shì)越明顯。非常規(guī)互感器利用光纜而不是電纜作為信號(hào)傳輸工具，實(shí)現(xiàn)了高低壓的徹底隔離，不存在電壓互感器二次回路短路或電流互感器二次回路開(kāi)路給設(shè)備和人身造成的危害，安全性和可靠性大大提高。?

　　電磁式互感器由于使用了鐵芯，不可避免地存在磁飽和及鐵磁諧振等問(wèn)題。非常規(guī)互感器在原理上與傳統(tǒng)互感器有著本質(zhì)的區(qū)別，一般不用鐵芯做磁耦合，因此消除了磁飽和及鐵磁諧振現(xiàn)象，從而使互感器運(yùn)行暫態(tài)響應(yīng)好、穩(wěn)定性好，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的高可靠性。?

　　1.2抗電磁干擾性能好，低壓側(cè)無(wú)開(kāi)路高壓危險(xiǎn)?

　　電磁式電流互感器二次回路不能開(kāi)路，低壓側(cè)存在開(kāi)路危險(xiǎn)。非常規(guī)互感器的高壓側(cè)和低壓側(cè)之間只存在光纖聯(lián)系，信號(hào)通過(guò)光纖傳輸，高壓回路與二次回路在電氣上完全隔離，互感器具有較好的抗電磁干擾能力，低壓側(cè)無(wú)開(kāi)路引起的高電壓危險(xiǎn)。

　　1.3動(dòng)態(tài)范圍大，測(cè)量精度高，頻率響應(yīng)范圍寬?

　　電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)電流互感器流過(guò)的電流不大，但短路電流一般很大，而且隨著電網(wǎng)容量的增加，短路電流越來(lái)越大。電磁式電流互感器因存在磁飽和問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)大范圍測(cè)量，同一互感器很難同時(shí)滿足測(cè)量和繼電保護(hù)的需要。非常規(guī)互感器有很寬的動(dòng)態(tài)范圍，可同時(shí)滿足測(cè)量和繼電保護(hù)的需要。?

　　非常規(guī)互感器的頻率范圍主要取決于相關(guān)的電子線路部分，頻率響應(yīng)范圍較寬。非常規(guī)互感器可以測(cè)出高壓電力線上的諧波，還可以進(jìn)行電網(wǎng)電流暫態(tài)、高頻大電流與直流的測(cè)量，而電磁式互感器是難以進(jìn)行這方面工作的。?

　　1.4數(shù)據(jù)傳輸抗干擾能力強(qiáng)?

　　電磁式互感器傳送的是模擬信號(hào)，電站中的測(cè)量、控制和繼電保護(hù)傳統(tǒng)上都是通過(guò)同軸電纜將電氣傳感器測(cè)量的電信號(hào)傳輸?shù)娇刂剖?。?dāng)多個(gè)不同的裝置需要同一個(gè)互感器的信號(hào)時(shí)，就需要進(jìn)行復(fù)雜的二次接線，這種傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)受到電磁場(chǎng)的干擾。而光電式互感器輸出的數(shù)字信號(hào)可以很方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可以將光電式互感器以及需要取用互感器信號(hào)的裝置構(gòu)成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，從而節(jié)省大量的二次電纜;同時(shí)光纖傳感器和光纖通信網(wǎng)固有的抗電磁干擾性能，在惡劣的電站環(huán)境中更是顯示出了無(wú)與倫比的優(yōu)越性，光纖系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)是未來(lái)電站建設(shè)與改造的必然趨勢(shì)?

　　1.5沒(méi)有因充油而潛在的易燃、易爆炸等危險(xiǎn)?信非常規(guī)互感器的絕緣結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，一般不采用油作為絕緣介質(zhì)，不會(huì)引起火災(zāi)和爆炸等危險(xiǎn)。?

　　1.6體積小、重量輕?

　　非常規(guī)互感器無(wú)鐵芯，其重量較相同電壓等級(jí)的電磁式互感器小很多。?

　　綜上所述，非常規(guī)互感器以其優(yōu)越的性能、適應(yīng)了電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的需要，并具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)于保證日益龐大和復(fù)雜的電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行并提高其自動(dòng)化程度具有深遠(yuǎn)的意義。?

　　2電子互感器分類(lèi)?

　　2.1有源電子式互感器?

　　有源電子式互感器利用電磁感應(yīng)等原理感應(yīng)被測(cè)信號(hào)，對(duì)于電流互感器采用Rogowski線圈，對(duì)于電壓互感器采用電阻、電容或電感分壓等方式。有源電子式互感器的高壓平臺(tái)傳感頭部分具有需電源供電的電子電路，在一次平臺(tái)上完成模擬量的數(shù)值采樣(即遠(yuǎn)端模塊)，利用光纖傳輸將數(shù)字信號(hào)傳送到二次的保護(hù)、測(cè)控和計(jì)量系統(tǒng)。?

　　有源電子式互感器又可分為封閉式氣體絕緣組合電器(GIS)式和獨(dú)立式，GIS式電子式互感器一般為電流、電壓組合式，其采集模塊安裝在GIS的接地外殼上，由于絕緣由GIS解決，遠(yuǎn)端采集模塊在地電位上，可直接采用變電站220?V/110?V?直流電源供電。獨(dú)立式電子式互感器的采集單元安裝在絕緣瓷柱上，因絕緣要求，采集單元的供電電源有激光、小電流互感器、分壓器、光電池供電等多種方式，實(shí)際工程應(yīng)用一般采取激光供電，或激光與小電流互感器協(xié)同配合供電，即線路有流時(shí)由小電流互感器供電，無(wú)流時(shí)由激光供電。對(duì)于獨(dú)立式電子式互感器，為了降低成本、減少占地面積，一般采用組合式，即將電流互感器、電壓互感器安裝在同一個(gè)復(fù)合絕緣子上，遠(yuǎn)端模塊同時(shí)采集電流、電壓信號(hào)，可合用電源供電回路

　　2.2無(wú)源電子式互感器?

　　無(wú)源電子式互感器又稱為光學(xué)互感器。無(wú)源電子式電流互感器利用法拉第(Faraday)磁光效應(yīng)感應(yīng)被測(cè)信號(hào)，傳感頭部分分為塊狀玻璃和全光纖2種方式?。無(wú)源電子式電壓互感器利用Pockels電光效應(yīng)或基于逆壓電效應(yīng)或電致仲縮效應(yīng)感應(yīng)被測(cè)信號(hào)，現(xiàn)在研究的光學(xué)電壓互感器大多是基于Pockels效應(yīng)?。無(wú)源電子式互感器傳感頭部分不需要復(fù)雜的供電裝置，整個(gè)系統(tǒng)的線性度比較好。無(wú)源電子式互感器利用光纖傳輸一次電流、電壓的傳感信號(hào)，至主控室或保護(hù)小室進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，輸出數(shù)字信號(hào)至MU，供保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量使用。無(wú)源電子式互感器的傳感頭部分是較復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，容易受到多種環(huán)境因素的影響，例如溫度、震動(dòng)等，影響其實(shí)用化的進(jìn)程。

　　3有源式互感器與無(wú)源式互感器的比較?

　　有源電子式互感器的關(guān)鍵技術(shù)在于電源供電技術(shù)、遠(yuǎn)端電子模塊的可靠性、采集單元的可維護(hù)性?；趥鹘y(tǒng)互感器的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可不考慮Rogowski線圈和分壓器(電阻、電容或電感)故障的維護(hù)。GIS式電子式互感器直接接人變電站直流電源，不需要額外供電，采集單元安裝在與大地緊密相連的接地殼上。這種方式抗干擾能力強(qiáng)，更換維護(hù)方便，采集單元異常處理不需要一次系統(tǒng)停電。而對(duì)于獨(dú)立式電子式互感器，在高壓平臺(tái)上的電源及遠(yuǎn)端模塊長(zhǎng)期工作在高低溫頻繁交替的惡劣環(huán)境中，其使用壽命遠(yuǎn)不如安裝在主控室或保護(hù)小室的保護(hù)測(cè)控裝置，還需要積累實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn);另外，當(dāng)電源或遠(yuǎn)端模塊發(fā)生異常、需要維護(hù)或更換時(shí)，需要一次系統(tǒng)停電處理。?

　　無(wú)源式電子式互感器的關(guān)鍵技術(shù)在于光學(xué)傳感材料的穩(wěn)定性、傳感頭的組裝技術(shù)、微弱信號(hào)調(diào)制解調(diào)、溫度對(duì)精度的影響、震動(dòng)對(duì)精度的影響、長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性。但由于無(wú)源電子式互感器的電子電路部分均安裝在主控室或保護(hù)小室，運(yùn)行條件優(yōu)越，更換維護(hù)方便。有源或無(wú)源電子式互感器的應(yīng)用，均大大降低了占地面積，減少了傳統(tǒng)互感器的二次電纜連線，是互感器的發(fā)展方向。無(wú)源電子式互感器可靠性高、維護(hù)方便，是獨(dú)立安裝的互感器的理想解決方案。?

　　4電子式互感器存在的主要問(wèn)題?

　　電子互感器在工程應(yīng)用上存在的主要問(wèn)題是：由于需要對(duì)傳感器進(jìn)行供能，長(zhǎng)期大功率的激光供能會(huì)影響光器件的使用壽命，羅氏線圈輸出信號(hào)與其結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的相關(guān)性，溫度變化會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變化，影響電子線路測(cè)量準(zhǔn)確度。?

　　光電式互感器在工程應(yīng)用上存在的主要問(wèn)題是：溫度的變化會(huì)引起光路系統(tǒng)的變化引起晶體除具有電光效應(yīng)外的彈光效應(yīng)、熱光效應(yīng)等干擾效應(yīng)，導(dǎo)致絕緣子內(nèi)光學(xué)電壓傳感器的工作穩(wěn)定性減弱。溫度對(duì)光電式互感器測(cè)量誤差的影響，一直是人們討論的熱點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于溫度變化所產(chǎn)生的測(cè)量誤差的影響，應(yīng)提高光路系統(tǒng)(如光電二極管)的抗干擾能力。如使用溫度穩(wěn)定性好，且波長(zhǎng)漂移小的發(fā)光光源、純凈且經(jīng)過(guò)多次提拉的電光晶體等，在提高溫度穩(wěn)定性的研究中，近年來(lái)倍受?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的有溫控法、雙光路溫度補(bǔ)償法，雙晶體溫度補(bǔ)償、硬件電路補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償?shù)确椒āＡ硗膺€有磁光材料的雙折射效應(yīng)對(duì)光電電流互感器測(cè)量精度的影響由于磁光材料的雙折射效應(yīng)，使射人磁光介質(zhì)的線性偏振光變成橢圓偏振光，其結(jié)果是：從檢偏器輸出的光強(qiáng)度變化與被測(cè)電流不成正比，使光電式電流互感器的靈敏度不穩(wěn)定，從而降低了光電式電流互感器的測(cè)量精度。?

　　上述兩種不同類(lèi)型的互感器存在的共同問(wèn)題：?

　　(1)常規(guī)電流互感器的接口兼容問(wèn)題，其輸出接口沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)尚未規(guī)范化，頻率響應(yīng)、動(dòng)態(tài)范圍、信噪比、波形畸變、穩(wěn)定性的檢驗(yàn)需有特殊規(guī)范;

　　(2)非常規(guī)互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)問(wèn)題，輸出為弱電信號(hào)且包括數(shù)字量，必須探索新的校驗(yàn)方法;?

　　(3)設(shè)備的可靠性問(wèn)題，包括電磁兼容、系統(tǒng)熱穩(wěn)定性以及電子元件的可靠性問(wèn)題需進(jìn)一步在工程應(yīng)用中檢驗(yàn)。