丁 寧，劉志雄，仲 偉

（江蘇金智科技股份有限公司，江蘇 南京 211100）

隨著數(shù)字化變電站的陸續(xù)投運(yùn)[1，2]，光電互感器、電子式互感器的優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越被大家所認(rèn)識(shí)，特別是應(yīng)用在35kV/10kV電壓等級(jí)的電子式互感器，其體積小、價(jià)格低、抗飽和、替換方便等優(yōu)點(diǎn)，大有取代傳統(tǒng)互感器之勢(shì)。

1 發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)現(xiàn)狀

發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)（ECMS）即發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)[3]一般由間隔層裝置、通信層通信管理機(jī)、站控層后臺(tái)系統(tǒng)三部分組成。間隔層主要包含10kV/6kV高壓保護(hù)測(cè)控裝置、400 V低壓保護(hù)測(cè)控裝置以及快切、低壓備自投等設(shè)備，間隔層保護(hù)測(cè)控裝置一般通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線如CAN，ProfiBus和通信層通信管理機(jī)連接。通信層通過(guò)以太網(wǎng)和站控層后臺(tái)系統(tǒng)連接，從而形成三層網(wǎng)結(jié)構(gòu)。保護(hù)測(cè)控裝置一般安裝在開關(guān)柜中，和一次互感器、開關(guān)等構(gòu)成基本單元間隔。

作為保護(hù)測(cè)控裝置、儀表等設(shè)備基礎(chǔ)的一次互感器，在其中起著重要的作用，是保證數(shù)據(jù)正確的源泉。傳統(tǒng)的電磁式互感器在使用過(guò)程中，逐步顯現(xiàn)出一些不足和待改進(jìn)之處[4]。

（1）傳統(tǒng)的電磁式互感器需進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換，將一次大電流高電壓轉(zhuǎn)換成二次小電流低電壓，再通過(guò)裝置的互感器轉(zhuǎn)換成小信號(hào)供裝置數(shù)據(jù)處理使用。由于增加了轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低，同時(shí)增大了系統(tǒng)采樣誤差。

（2）傳統(tǒng)的電磁式電流互感器二次回路不能開路、電壓互感器二次回路不能短路，否則會(huì)給電力系統(tǒng)設(shè)備和人身安全帶來(lái)故障隱患。

（3）傳統(tǒng)電流互感器容易出現(xiàn)飽和情況，影響保護(hù)動(dòng)作的正確性。隨著電力系統(tǒng)容量越來(lái)越大，相應(yīng)故障時(shí)短路電流也越來(lái)越大；同樣，廠用電系統(tǒng)的短路電流越來(lái)越大,容易出現(xiàn)電流互感器飽和，導(dǎo)致保護(hù)出現(xiàn)誤動(dòng)、拒動(dòng)的情況，影響保護(hù)的正確動(dòng)作。

（4）為保證大短路電流下電流互感器不出現(xiàn)飽和的情況，廠用電保護(hù)電流互感器不應(yīng)根據(jù)所保護(hù)設(shè)備（如電動(dòng)機(jī)、變壓器）的額定電流來(lái)選擇，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際短路電流水平，選擇足夠大變比、短路電流倍數(shù)、容量，以保證保護(hù)在各種短路情況下保護(hù)的可靠動(dòng)作（國(guó)內(nèi)已多次發(fā)生高、低壓廠用電系統(tǒng)出口短路時(shí)因電流互感器嚴(yán)重飽和，造成保護(hù)拒動(dòng)的實(shí)例[5]）。由于所選電流互感器變比很大，保護(hù)設(shè)備的額定電流可能會(huì)處于相對(duì)比較小的水平，過(guò)小的運(yùn)行電流可能導(dǎo)致相關(guān)保護(hù)精度得不到滿足，甚至也造成誤動(dòng)、拒動(dòng)的可能。

（5）傳統(tǒng)電流互感器選型復(fù)雜。由于廠用電電動(dòng)機(jī)等級(jí)較多，需要考慮精度、量程、最大短路電流之間的平衡，故選型復(fù)雜，所選互感器規(guī)格型號(hào)較多，增加設(shè)計(jì)選型的難度。

2 電子式互感器技術(shù)

傳統(tǒng)電磁式互感器的不足可以通過(guò)選用電子式互感器加以改進(jìn)。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展以及保護(hù)測(cè)控裝置的數(shù)字化，對(duì)電流電壓等模擬量數(shù)據(jù)獲取的要求越來(lái)越高，從而對(duì)一次電流電壓互感器提出了更高的要求。

電子式電流電壓互感器，二次輸出為小電壓信號(hào)，無(wú)需二次轉(zhuǎn)換，可直接滿足裝置對(duì)電流電壓完整信息進(jìn)行數(shù)字化處理的要求，且消除了傳統(tǒng)電磁式電流互感器因二次開路、電壓互感器二次短路給電力系統(tǒng)設(shè)備和人身安全帶來(lái)的故障隱患。

2.1 電子式互感器原理

電子式電流互感器采用羅哥夫斯基（Rogowski）線圈和輕載線圈的基本原理[6]。Rogowski線圈，由于采用非磁性的骨架，不存在磁飽和現(xiàn)象，其原理如圖1所示。一次電流通過(guò)Rogowski線圈得到了與一次電流I1的時(shí)間微分成比例的二次電壓E，將該二次電壓E進(jìn)行積分處理，獲得與一次電流成比例的電壓信號(hào)，通過(guò)微處理器將該信號(hào)進(jìn)行變換、處理，即可將一次電流信息變成模擬量和數(shù)字量輸出。

輕載線圈，代表著經(jīng)典感應(yīng)電流互感器的發(fā)展方向。它是由一次繞阻、小鐵心和損耗最小化的二次繞組組成，其原理如圖2所示。二次繞組上連接著分流電阻Ra，二次電流I2在分流電組Ra兩端的電壓降U2與一次電流I1成比例，電子式電流互感器比傳統(tǒng)的電磁式電流互感器擁有著更大的電流測(cè)量范圍。

電子式電壓互感器采用電阻分壓原理，如圖3所示。

電子式互感器由高壓臂電阻、低壓臂電阻、屏蔽電極、過(guò)電壓保護(hù)裝置組成。通過(guò)分壓器將一次電壓轉(zhuǎn)換成與一次電壓和相位成比例的小電壓信號(hào)。采用屏蔽電極的方法改善電場(chǎng)分布狀況和雜散電容的影響，在二次輸出端并聯(lián)一個(gè)過(guò)電壓保護(hù)裝置，防止在二次輸出端開路時(shí)將二次側(cè)電壓提高。

2.2 電子式互感器優(yōu)點(diǎn)

（1）集測(cè)量信號(hào)輸出和保護(hù)信號(hào)輸出于一體，能快速、完整、準(zhǔn)確地將一次信息傳送給數(shù)字化儀表等測(cè)量、保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)計(jì)量、測(cè)量、保護(hù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。

（2）電流互感器不含鐵心（或含小鐵心），不會(huì)飽和，可解決傳統(tǒng)電流互感器因?yàn)轱柡蛯?dǎo)致的保護(hù)誤動(dòng)、拒動(dòng)等問(wèn)題。

（3）電流互感器二次開路時(shí)不會(huì)產(chǎn)生高電壓，保證了人身及設(shè)備的安全。

（4）二次輸出為小電壓信號(hào)，可方便地與數(shù)字式儀表、微機(jī)測(cè)控保護(hù)設(shè)備接口，無(wú)需進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換（將5 A或1 A轉(zhuǎn)換為小電壓），簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了誤差源，提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。

（5）頻響范圍寬、測(cè)量范圍大、線性度好，在有效量程內(nèi)，電流互感器準(zhǔn)確級(jí)達(dá)到0.2S/5P級(jí)；對(duì)于發(fā)電廠10kV/6kV廠用電系統(tǒng)，僅需兩個(gè)規(guī)格即可覆蓋電流互感器20～5000 A的全部量程，從而大大降低電流互感器設(shè)計(jì)選型的復(fù)雜度。

（6）體積小、重量輕，能有效地節(jié)省空間，功耗極小，且具有環(huán)保產(chǎn)品的特征。

（7）安裝使用簡(jiǎn)單方便，運(yùn)行無(wú)需維護(hù)，使用壽命大于30年[7]。

3 數(shù)字化發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)

3.1 數(shù)字化發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對(duì)發(fā)電廠廠用電傳統(tǒng)互感器存在的不足以及電子式互感器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)綜合考慮成本、維護(hù)等因素，對(duì)10kV/6kV高壓部分互感器采用電子式互感器，線路、變壓器、電動(dòng)機(jī)等保護(hù)裝置相應(yīng)采用數(shù)字式保護(hù)測(cè)控裝置，低壓廠用電400 V部分暫不采用電子式互感器。即對(duì)10kV/6kV間隔層部分設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化。

基于此高壓間隔層數(shù)字化的發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)如圖4所示。系統(tǒng)采用站控層、通信層、間隔層三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于電廠廠用電設(shè)備數(shù)目多，分布較廣泛，間隔層網(wǎng)絡(luò)推薦使用現(xiàn)場(chǎng)總線，保護(hù)測(cè)控裝置一般通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線如CAN，ProfiBus和通信層通信管理機(jī)連接，通信層通過(guò)以太網(wǎng)和站控層后臺(tái)系統(tǒng)連接；通信層、站控層和常規(guī)ECMS系統(tǒng)保持一致。間隔層使用數(shù)字式保護(hù)測(cè)控裝置和電子式電流互感器。

3.2 間隔層裝置配置

間隔層裝置采用數(shù)字式保護(hù)測(cè)控裝置，且包括線路保護(hù)測(cè)控、線路差動(dòng)、電動(dòng)機(jī)保護(hù)測(cè)控、電動(dòng)機(jī)差動(dòng)、變壓器保護(hù)測(cè)控、變壓器差動(dòng)、分布式單元等裝置。間隔層采用電子式電流互感器和常規(guī)電壓互感器相結(jié)合的方式將電流（相電流和零序電流）和電壓信號(hào)傳送至數(shù)字式保護(hù)測(cè)控裝置。

電子式電流互感器、數(shù)字式保護(hù)測(cè)控裝置安裝于開關(guān)柜，電子式電流互感器輸出直接接入數(shù)字式保護(hù)測(cè)控裝置，裝置對(duì)其進(jìn)行采樣；母線電壓通過(guò)電壓互感器柜電壓小母線輸出到裝置電壓采集端子；裝置的開入、開出保持不變，采用二次電纜直接連接；斷路器開關(guān)保持不變。由于電子式電流互感器帶負(fù)載能力弱，裝置一般需要在電子式電流互感器旁就近安裝，對(duì)于包含差動(dòng)保護(hù)裝置的配置如圖5所示。圖5以電動(dòng)機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置為例，且變壓器、線路保護(hù)測(cè)控裝置類似。

圖5中電動(dòng)機(jī)中性側(cè)電子式電流互感器將電流信號(hào)送至就近安裝的電流采集裝置，電流采集裝置通過(guò)光纖將電流數(shù)據(jù)傳送至開關(guān)柜中的數(shù)字式電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)裝置，和開關(guān)柜中的電動(dòng)機(jī)機(jī)端電流組成電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)。

3.3 ECMS系統(tǒng)對(duì)時(shí)

目前ECMS系統(tǒng)對(duì)時(shí)方案一般采用GPS對(duì)時(shí)裝置，通過(guò)以太網(wǎng)對(duì)站控層設(shè)備進(jìn)行對(duì)時(shí)，通信層設(shè)備采用網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)加硬件對(duì)時(shí)相結(jié)合的對(duì)時(shí)方式，間隔層設(shè)備采用總線軟對(duì)時(shí)加硬件對(duì)時(shí)相結(jié)合的對(duì)時(shí)方式，硬件對(duì)時(shí)采用IRIG-B對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)或秒/分秒對(duì)時(shí)脈沖網(wǎng)絡(luò)。

如果間隔層網(wǎng)絡(luò)采用ProfiBus現(xiàn)場(chǎng)總線，可以取消間隔層專用硬件對(duì)時(shí)方式。通信管理機(jī)采用ProfiBus DP V2對(duì)時(shí)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)間隔層各個(gè)裝置對(duì)時(shí)，保證裝置對(duì)時(shí)精確到毫秒[8]。

3.4 電壓互感器選擇

電廠一般均設(shè)有專門的電壓互感器柜以采集電壓，通過(guò)電壓小母線供該段母線上多個(gè)裝置以及自動(dòng)裝置使用。如采用電子式電壓互感器，需要將電子式電壓互感器的信號(hào)接入專用電壓采集單元，通過(guò)IEC 60044專用接口將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)字式保護(hù)測(cè)控裝置；數(shù)字式保護(hù)測(cè)控裝置需要有IEC 60044接口以接受電壓數(shù)字信號(hào)[9]。

電廠一段母線下多個(gè)保護(hù)測(cè)控裝置共用同一電壓信號(hào)，因此電壓采集單元需要多個(gè)IEC 60044專用接口，以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式將數(shù)據(jù)傳送至該母線下每一臺(tái)數(shù)字式保護(hù)測(cè)控裝置，這樣將導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜性大大增加，成本增加，維護(hù)工作量加大。同時(shí)，由于電壓互感器不存在選型的問(wèn)題，也不存在類似于電流互感器飽和影響保護(hù)正確動(dòng)作的情況，故電壓互感器可以不采用電子式，仍然為傳統(tǒng)的互感器。

3.5 間隔層測(cè)量計(jì)量

由于電子式電流互感器電流采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸方式至數(shù)字式保護(hù)測(cè)控裝置，不同于傳統(tǒng)電流互感器二次電流可通過(guò)電纜串接于多個(gè)設(shè)備，因此，一次設(shè)備所需的測(cè)量、計(jì)量功能需由數(shù)字式保護(hù)測(cè)控裝置提供，而無(wú)法通過(guò)加裝其他測(cè)量、計(jì)量?jī)x表來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，數(shù)字式保護(hù)測(cè)控裝置須具備電流電壓功率測(cè)量、4～20 mA直流模擬量輸出、電能計(jì)量等功能，以滿足發(fā)電廠電氣運(yùn)行的需要。

3.6 電子式電流互感器配置

LZC-12型電子式電流互感器，用于12kV及以下高壓開關(guān)柜中，與電子式儀表、微機(jī)測(cè)量保護(hù)設(shè)備配套使用，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)測(cè)量信號(hào)、保護(hù)小信號(hào)輸出等功能，二次開路時(shí)不會(huì)產(chǎn)生高電壓。

4 結(jié)束語(yǔ)

電子式電流互感器可有效解決傳統(tǒng)電流互感器在發(fā)電廠廠用電使用中出現(xiàn)的易飽和、選型復(fù)雜的問(wèn)題，替換方便；于此配合的數(shù)字式保護(hù)測(cè)控裝置集保護(hù)、控制、測(cè)量、計(jì)量等于一體，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了保護(hù)動(dòng)作的可靠性。結(jié)合通信層和站控層組成的數(shù)字化發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)，可大大提高發(fā)電廠廠用電電氣科技含量和運(yùn)行水平。

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