电子式互感器的应用研究

微电子技术和网络通信技术的飞速发展推动 了数字化变电站技术的工程应用 , 作为数字化变 电站技术体系中重要的一个环节 , 电子式互感器 在实际工程中也具有越来越多的应用需求。数字 化变电站内新一代的二次装置支持电压电流值的 小功率 信 号 输 入 及 数 字 信 号 输 入, 以 及 基 于 I E C61850 标准的过程总线通信技术的发展, 这都 使得电子式互感器在技术上有了应用的可能性。 许多发达国家已经把眼光投向新型电子式电 流互感器和电子式电压互感器的研发 , 国际电工 委员会 也发布了 电子式电 压互感 器 ( IEC60044 7) 、 电子式电 流互感器 ( IEC60044 8) 的标准 , 国 内已经将这两部标准等同采用并转化为相应的国 标 : GB 20840 . 7 2007( 电子式电压互感器 ) 和 GB 20840 . 8 2007( 电子式电流互感器 ) 。
R esearch on the app lication of electronic voltage transform er
CH EN W en sheng, GU L i x in ( Shangha i E lec tric P o w er D esign Institute Co . L td . Shangha i 200025) Abstrac t : E lec tron ic vo ltag e transfor m er is one of the research inte rests o f electr ic pow er industry , and it is key tech nology fo r the dig italized substa tions. Based on diffe rent operating princ ip les o f var ious e lectron ic voltage transfor m e rs, the techn ica l features and applica tion prospec ts o f the e lectron ic vo ltage transforme r are ana ly sed . The proble ms o f the co m bined units are d iscussed and conc lusions are dra w n in ter m s o f the eng ineering app lication. K ey word s : d ig italized substa tion , IEC61850 ; e lec tron ic vo ltag e transfor m er ; comb ined un it ; IEC60044
i为载流导体中流过的交流电流。因而测得 线偏振光的旋转角度 就可以求出导体中的电流 i( t) 。 OCT 就是基于这一原理工作的。线偏振光 的载体可以是光纤, 也可以是光学玻璃。 OCT 具有不受电 磁干扰、 不饱和、 测量 范围 大、 有效频带宽、 体积小、 质量轻及便于数字传输 等优点 , OCT 同 时适合于各种 电压等级, 特别是 超高压电网中。但 OCT 的测量精度易受到外界 环境 ( 稳定、 震动 ) 的影响 , 增加了 OCT 的研发难 度 , 也限制了其应用。 2. 4 不同原理的电子式电流互感器技术对比 不同原理的电子式电流互感器技术对比见表 1 。
N 为匝数密度 , 匝数 /m;
) , Lm 为等效电感 ( H ) , R C u为二次绕组总电阻 (
V s = R sh (N p /N s ) Ip Rogow sk i线圈传感器没有铁心, 因此没有非 线性影响, 如饱和等问题。它允许隔离的电流测 量 , 并具有直达兆赫的带宽。它不需要消耗一次 回路的能量并且尺寸很小 , 重量很轻。因为没有 饱和, 可以测量从数安培到数十 kA 的电流 , 且具 有良好的线性特性。 但从式 ( 1) 中可以看出 , Rogow ski线圈 的输 出电压正比于电流的时间导数 , 必须积分后才可 以使用。而且二次输出是 非常微弱的电 压信号 ( mV 级 ), 必须在高压侧数字化后才能送到二次 设备, 见图 3 。 次电流且同相位。
微分 /积 分的处理环节 , 使得故障电流中的直 流分量测量变得困难; 高压侧存在采样回路和积 分器, 使得高压侧电子电路的供电成为工程难题; 高压侧电子电路的工作寿命影响了互感器的整体 设计寿命; 另外, Rogow ski线圈的测量精度很难满
陈文升 , 等
电子式互感器的应用研究
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从表 1 可以看出 , 光学原理的电流互感器在 各项技术指标中均优于空心线圈和低功率线圈, 但其成本较高、 产品实现难度大、 运行经验少。
2 电子式电流互感器原理及技术分析
2. 1 罗氏线圈电流互感器 如图 2 所示 , Rogow sk i线圈为一空心环形线 圈 , 二次绕组缠绕在非磁性骨架上, 被测电流垂直 穿过线圈中心, 根据电磁感应原理可以得到线圈 输出电压: e= 式中 A H
0
0
N A dI / dt = H dI /d t
3 3
向与光的传播方向平行, 则出射线性偏振光与入 射线性偏振光的偏振面将产生旋转角 = ! LH dL
式中 ! H L 材料的 V erde t常数 , 磁场强 度 , 通过法拉第旋光材料的光程。
为了使实际测量电流时不受载流母线位置变 化及其他相电流产生的磁场影响 , 依安培环路定 律使介质内的光束在被测电流周围取闭环 , 此时 = ! LH dL = !i ( 4)
图 3 罗氏线圈电流互感器高压侧的结构
2. 3 光学电流互感器 ( OCT) OCT 采用 F araday 磁光效应以及安培环路定 律来完成对一次电流的测量, 工作原理见图 5 。 F araday 磁光效应指光的偏 振面因受到外加 磁场的作用而产生旋转的现象。线性偏振光通过 置于磁场中的法拉第旋光材料后 , 如果磁场的方
1 电子式互感器的结构及种类划分
电子式互感器的典型结构如图 1 所示, 主要 包括高压部分的采集器单元、 信号传输部分以及 低压部分的合并单元三个部分。 采集器单元将一次电压电流值变换为二次信
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体纵向电光效应原理 ) 。
足计量需要 , 也易受到环境的干扰。这些制约条 件均限制了罗氏线圈电流互感器的工程应用。 2. 2 低功率线圈电流互感器 ( LPCT) LPCT 是是传统电磁式电流互感器的一种改 良和发展, 基于电磁感应原理, 工作原理如图 4 所 示 , 它包含一次绕组、 小铁心和损耗极小的二次绕 组。它基本原理与传统的 CT 相仿, 不同 之处是 LPCT 输出信号为电压信号 , 由 R SH 取样实现。
( 2)
从式 ( 2) 可以看出, LPCT 二次电压正比于一 LPCT 按照高阻抗设计 , 使得传统电磁式电流 互感器在非常高一次电流下出现饱和的缺点得到 改善, 并因此显著扩大测量范围。而且 LPCT 在 非常宽的范围内有相同的传输特性 , 这样使用一 个线圈可以同时满足测量和保护的需要。 LPCT 的设计主要面向于低电压等级电网 ( 35 k V 及以下 ), 而在这些电压等级间隔内, 二次设备 一般都就地布置在一次电气设备附近, 因此 LPCT 的二次输出大多直接进入二次设备进行采样, 避免 了中间环节, 这也是 LPCT 最为常见的典型应用。 LPCT 也存在一些局限性: 对二次设备的输入 阻抗要求比较苛刻, 二次设备如果增加或减少 , 会 影响测量精度; 二次输出为小模拟信号, 易受到外 界环境干扰 ; 二次设备在电路上为并联模式, 如何 妥善处理小信号的分压, 是工程应用的一个难题。
号输出 , 根据不用工作原理的采集器单元 , 二次信 号可以是数字信号, 也可以是小模拟信号。合并 单元接收各路采集器单元的二次信号 , 并以标准 的通信报文格式传输给二次设备。
图 1 电子式互感器典型结构图
根据采集器单元不同的工作原理, 电子式互 感器可以划分为以下类型 : ( 1) 罗氏线圈电流互感器 ( 采用 Rogow sk i线 圈电流传感器原理 ); ( 2) 低功率线圈电流互感器 ( LPCT ) ; ( 3) 光学电流互感器 ( OCT, 采用 Faraday 磁 光效应原理 ) ; ( 4) 分压原 理电压互感器 ( 采用电容 分压、 电阻分压或阻容分压原理 ) ; ( 5) 光学电压互感器 ( OVT, 采用 Pockels 晶
子式互感器的工作原理 的分析比较 , 论述了各类型电子式 互感器的技 术特点和应 用前景 ; 研究了 合并单元应 用所面临的两个关键问 题并总结了电子式互感器工程应用的相关结论。 关键词 : 数字化变电站 ; IEC 61850; 电 子式互感器 ; 合并单元 ; IEC60044 作者简介 : 陈文升 ( 1976- ), 男 , 硕士 , 从事电网自动化、 电力通信、 继电保护的研究和设计工作。 中图分类号 : TM 45 文献标志码 : B 文章编号 : 1001 9529( 2009) 08 1327 04
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真空磁导率 ; 单匝 面积 , m 2;来自线圈灵 敏度 , V s /A。
P1 、 P 2 为一次 接线端 子, S1、 S 2 为二次 接线端 子 , Ig 为耦 合电 流 ( A ) , IP 为一 次电流 ( A ), N 为 二次绕组 匝数 ( N p 为一 次绕组 匝 数 , N s 为二次绕组匝数 ) , IS 为二次电流 ( A ), IM 为励磁电流 ( A ) , U 2 为二次输出电压 ( V ) , R SH为 取样电阻 ( 效电阻 ( 图 4 图 2 R ogow sk i线圈原理图 LPCT 结构原理图 ) , R Fe为 铁心损耗 等 )。
3 电子式电压互感器原理及技术分析
3. 1 分压原理电压互感器 根据分压回路的结构 , 分压原理电压互感器 分为电阻分压、 电容分压、 阻容分压原理。相对于