《電子技術(shù)應(yīng)用》
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淺談電子式互感器的原理及比較
摘要: 隨著傳統(tǒng)變電所向數(shù)字化變電站轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)越來(lái)越明顯,在數(shù)字化變電站一次設(shè)備中占據(jù)重要地位的電子式互感器越來(lái)越引起重視。本文介紹了電子式互感器的優(yōu)點(diǎn)、分類(lèi)、比較以及目前在工程應(yīng)用中存在的問(wèn)題。
Abstract:
Key words :

  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(xiàn)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?xún)r(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(mǎn)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(mǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn),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(xiàn)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)

  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(xiàn)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(xiàn)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(chēng)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn),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。

表1,有源電流互感器與無(wú)源電流互感器的比較

表1,有源電流互感器與無(wú)源電流互感器的比較

表2 有源電壓互感器與無(wú)源電壓互感器比較

表2 有源電壓互感器與無(wú)源電壓互感器比較

  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(xiàn)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(xiàn)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?。另外還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(xiàn)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)。

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