电子式互感器及其在智能变电站中的应用

摘 要:详细介绍了关于电子式互感器的定义、分类及原理,分析了有源式和无源式电子式互感器的类型、原理及其存在的主要问题,并就其技术特征进行对比,讨论了电子式互感器是如何在智能变电站中起到关键的作用以及未来电子式互感器的发展趋势。

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图

在图1中,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, 电阻分压型电压互感器多用于10kV和35kV电压互感器,而电容分压多用于中高压电压互感器。其工作原理示意图(见:图4)与Rogowski线圈式互感器极为相似,区别在于在经过电阻电容分压后,需要经过信号预处理之后进入A / D转换。对于分压型互感器, 对二次回路阻抗的要求十分苛刻,特别是母线电压互感器,如何将二次输出分给多个二次设备, 而且保证信号传输的抗干扰性和可靠性, 是亟需解决的一个技术难题。

4 在智能变电站中的应用

智能变电站是指采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备, 以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求。自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能,并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。

智能变电站自动化系统可以划分为站控层、间隔层和过程层三层。其中, 过程层包括变压器、断路器、隔离开关、电流电压互感器等一次设备及其所属的智能组件以及独立的智能电子设备。

智能电网中的智能变电站主要是要实现测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化、信息互动化。而这些目标的基础全部基于对电压电流的精确测量。

电子式互感器是实现变电站运行实时信息数字化的主要设备之一, 在电网动态观测、提高继电保护可靠性等方面具有重要作用, 是提高电力系统运行控制得整体水平的基础。

一方面, 电子式互感器信号采用数字输出、接口方便、通信能力强, 其应用将直接改变变电站通讯系统的通信方式。采用电子式互感器输出的数字信号后, 可以实现点对点/ 多个点对点或过程总线通信方式,完全取代二次电缆线,解决二次接线复杂的问题, 同时能够大大简化测量或保护的系统结构,降低对绝缘水平的要求,从根本上减少误差源, 简化了智能电子装置的结构, 实现真正意义上的信息共享。

另一方面, 电子式互感器的输出均采用电缆传输, 光缆的数量很少, 因此, 相比于常规变电站的电缆, 敷设工作量远远减少。传统电流/电压互感器每1～3个月例行检查一次,1～3年进行一次小修,30年寿命周期内大修两次。电子式互感器巨大的优势,使得其在全寿命周期内基本“免维护”。因此, 其维护工作主要是对远端模块或电气单元中的电子器件进行维护或更换,一般每5 年维护一次, 相比较而言, 运行维护工作量大为减少。

由此可见, 电子式互感器应用在智能变电站中可以促进其智能化、自动化、精确化, 将极大地促进智能电网输配电模块的建设和发展。

5 结语

电子式互感器的诞生是互感器传感准确化、传感光纤化和输出数字化发展趋势的必然结果。有源式电子式互感器技术已经趋于成熟,基本达到实用化要求,故目前国内大部分数字化变电站使用的均为有源式电子式互感器。但有源式电子式互感器存在着自身的缺陷和不足, 无法完全满足智能电网中智能变电站的智能化要求,此时无源式电子式互感器投入使用即为最佳解决方案。无源式互感器由于利用光学原理克服了有源式互感器的一些缺点, 但却存在温度影响以及稳定性运行问题, 阻碍着无源式电子式互感器的实用化。

近年来, 无源式电子式互感器的研究取得了较大的进展,特别是基于Faraday效应的全光纤电子式电流互感器的性能指标已接近实用化要求。由此可见,无源式电子式互感器才是未来电子式互感器的发展方向, 其在智能变电站中的应用也将推动着智能电网的发展与建设。