廣東省輸變電工程公司 凌正茂

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新型非常規(guī)互感器研究

廣東省輸變電工程公司 凌正茂

【摘要】互感器分電流、電壓兩類，是電力系統(tǒng)中的常用設(shè)備，常用于把強(qiáng)電壓或大電流以一定比例轉(zhuǎn)化為安全范圍內(nèi)的小電壓、小電流，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)x表、保護(hù)設(shè)備及自動(dòng)控制設(shè)備的安全使用。傳統(tǒng)的電流和電壓互感器是電磁感應(yīng)式的，但隨著電力系統(tǒng)容量不斷增加，電磁式互感器逐漸暴露出一系列固有的缺點(diǎn)，已經(jīng)慢慢不適應(yīng)當(dāng)今環(huán)境。本文旨在對(duì)新型電子式互感器進(jìn)行原理性闡述，重點(diǎn)介紹非常規(guī)互感器，包括有源、無(wú)源類電子互感器。

【關(guān)鍵詞】電磁式互感器；有源非常規(guī)互感器；無(wú)源非常規(guī)互感器；羅科夫斯基線圈

引言

互感器的安全穩(wěn)定運(yùn)行與電網(wǎng)的安全息息相關(guān)，互感器實(shí)時(shí)采集電流、電壓數(shù)據(jù)，對(duì)各類風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行辨識(shí)，防范可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)互感器均采用電磁感應(yīng)結(jié)構(gòu)，但近年來(lái)，隨著骨干網(wǎng)絡(luò)電壓等級(jí)的不斷提升，傳統(tǒng)電磁式互感器逐漸暴露出一系列缺點(diǎn)。

（1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，絕緣難度大，特別是500kV以上，因絕緣而使互感器的體積、質(zhì)量、價(jià)格提高。

（2）動(dòng)態(tài)范圍小，當(dāng)一次電流較大時(shí)，CT二次側(cè)會(huì)出現(xiàn)過(guò)飽和而發(fā)生畸變，保護(hù)裝置由于不能正確識(shí)別而產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng)。

（3）電磁式互感器輸出的模擬量信號(hào)不能與數(shù)字化設(shè)備接口，需另外敷設(shè)電纜到相關(guān)設(shè)備。

（4）CT開(kāi)路會(huì)產(chǎn)生高壓，危及人身和設(shè)備安全。

圖1　非常規(guī)互感器

隨著現(xiàn)代光電轉(zhuǎn)化技術(shù)、光通訊技術(shù)和信號(hào)交互處理技術(shù)的日益發(fā)展和成熟，電壓、電流等數(shù)字化信號(hào)的采集、傳輸、測(cè)量已經(jīng)具有日益完善的模塊化結(jié)構(gòu)。數(shù)字化采集系統(tǒng)由數(shù)字化互感器、數(shù)字合并單元和數(shù)字化測(cè)控裝置組成，彼此互聯(lián)采用光纜連接。其中用于采集的電壓和電流互感器是數(shù)字化采集系統(tǒng)的關(guān)鍵，圖1概括了目前非常規(guī)互感器的分類，及采用的主要技術(shù)原理。

1 有源非常規(guī)互感器

非常規(guī)類互感器主要采用羅科夫斯基線圈，以電容分壓或者電阻分壓的原理進(jìn)行電壓、電流采集，這類互感器大都采用有源模式，由外置電源向傳感器頭供電。

1.1 羅科夫斯基線圈原理

羅科夫斯基線圈是一種較成熟的測(cè)量元件。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一種空心環(huán)形的線圈，線圈可分為柔性和硬性兩種，將測(cè)量導(dǎo)線均勻的繞在被測(cè)量的導(dǎo)體上，再以非磁性材料做框架即構(gòu)成了羅氏線圈，如下圖2所示。羅氏線圈對(duì)于電流測(cè)量具有很好的快速性，可以應(yīng)用于傳統(tǒng)的電流測(cè)量裝置無(wú)法使用的場(chǎng)合。

圖2　羅科夫斯基線圈原理圖

羅氏線圈在被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)有電流流過(guò)時(shí)，根據(jù)其變化量在線圈中感應(yīng)出一個(gè)變化的電流量i（t）。羅氏線圈不含鐵磁性材料，無(wú)磁滯效應(yīng)，也沒(méi)有磁飽和拐點(diǎn)，被測(cè)電流范圍可從數(shù)安培到數(shù)百千安的電流；并且測(cè)試延時(shí)小，甚至可以捕捉及其短暫的納米級(jí)電流，幾乎為零的相位誤差；羅氏線圈在大電流的捕捉上，也是一種較敏感元件，由于它與被測(cè)電流直接沒(méi)有直接接觸，具有較寬的響應(yīng)頻寬：0.1Hz-1MHz，可方便的對(duì)高壓回路進(jìn)行隔離測(cè)量。在測(cè)量感應(yīng)電壓時(shí)，根據(jù)線圈中流過(guò)的電流，線圈兩端即感應(yīng)出電壓，若線圈匝數(shù)為n，線圈截面積為S，則線圈出的電壓大小為：

μ0為自由空間的導(dǎo)磁率。

式（1）表明羅氏線圈的感應(yīng)電流與信號(hào)電流的微分成正比，經(jīng)積分變換可計(jì)算出被測(cè)電流的大小。

1.2 有源電子式電壓互感器

有源電子式電壓互感器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，一般采用電容分壓或電阻分壓技術(shù)，利用電子模塊處理信號(hào)，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)，使用光纖傳輸信號(hào)。電阻分壓器分壓后得到的小電壓與被測(cè)高電壓呈比例關(guān)系，直接輸出則可。由于技術(shù)成熟、體積小、造價(jià)低、可同時(shí)滿足測(cè)量和保護(hù)需求。進(jìn)行電纜或開(kāi)關(guān)設(shè)備試驗(yàn)時(shí)不必?cái)嚅_(kāi)隔離，故廣泛應(yīng)用與中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備。

圖3　電阻/電容型電壓變換器原理圖

2 無(wú)源非常規(guī)互感器

無(wú)源非常規(guī)互感器大都具有光電式結(jié)構(gòu)，故又叫做光電式電壓／電流互感器，因?yàn)闊o(wú)需外置電源向光電電流互感器的傳感器頭供電，測(cè)量依靠光電轉(zhuǎn)換進(jìn)行，被測(cè)信號(hào)在測(cè)量過(guò)程中發(fā)生法拉第磁光效應(yīng)和塞格奈克效應(yīng)，法拉第效應(yīng)是光線在通過(guò)磁場(chǎng)等介質(zhì)時(shí)，光的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，我們?nèi)绻軌驕y(cè)量出法拉第旋轉(zhuǎn)角，進(jìn)而就可求出磁場(chǎng)強(qiáng)度。

法拉第效應(yīng)原理：

當(dāng)線偏振光在帶有磁光材料的介質(zhì)中傳播時(shí)，若在平行于光的傳播方向上加一強(qiáng)磁場(chǎng)，則光振動(dòng)方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖4所示。偏轉(zhuǎn)角度θ與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和光穿越介質(zhì)的長(zhǎng)度l的乘積成正比，即θ=VBl，比例系數(shù)V稱為費(fèi)爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。偏轉(zhuǎn)方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場(chǎng)方向，稱為法拉第效應(yīng)。

式中：V為費(fèi)爾德常數(shù)，是光學(xué)材料特有屬性，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，L為磁光材料的介質(zhì)內(nèi)穿越長(zhǎng)度。

圖4　法拉第磁光效應(yīng)

電流i通過(guò)載流導(dǎo)體時(shí)，通電導(dǎo)體周圍存在磁場(chǎng)，同時(shí)光傳播路徑環(huán)繞著載流導(dǎo)體形成閉合回路。由安培環(huán)路定律可知：

其中，N是交鏈的磁鏈匝數(shù)；i為載流體的電流。θ為光路閉合后的旋轉(zhuǎn)角，與閉環(huán)內(nèi)的電流大小有關(guān)。因此，由旋轉(zhuǎn)角θ可以反求出電流i。

3 無(wú)源互感器特點(diǎn)

與傳統(tǒng)電壓/電流互感器相比，無(wú)源非常規(guī)互感器具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

（1）互感器是滿足電網(wǎng)動(dòng)態(tài)可觀測(cè)性、提高繼電保護(hù)可靠性和數(shù)字電力系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)備。它與測(cè)量?jī)x表配合，對(duì)線路的電壓進(jìn)行測(cè)量。與繼電保護(hù)配合對(duì)電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

（2）電子式互感器的電壓測(cè)量通常采用電容分壓器、電流測(cè)量通常采用羅氏線圈。羅氏線圈用于測(cè)量不同頻率信號(hào)或諧波含量較大的信號(hào)時(shí)，需要配合積分器使用。電子式互感器由于不含鐵芯，不會(huì)發(fā)生磁飽和，短時(shí)過(guò)載

能力很強(qiáng)。無(wú)源電子式互感器一般不含積分器，只能用于固定頻率的正弦波電流測(cè)量。

無(wú)源非常規(guī)互感器又具有以下缺點(diǎn)：

（1）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。

（2）傳感頭部分有復(fù)雜而不穩(wěn)定的光學(xué)系統(tǒng)，容易受到多種環(huán)境因素的影響，影響了實(shí)用化的進(jìn)程，雖然各國(guó)學(xué)者不斷的提出新方法以提高測(cè)量準(zhǔn)確度，備種方法都在實(shí)驗(yàn)室條件下取得了一定成果，但現(xiàn)階段不同程度存在長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性難以保證等影響，其研究還有待進(jìn)一步深入。

近年來(lái)，隨著電網(wǎng)增容及變電站自動(dòng)化改造的需求，在未來(lái)的幾年內(nèi)，數(shù)字化互感器會(huì)在各種等級(jí)電網(wǎng)中大量安裝和使用。鑒于電子式互感器所具有的優(yōu)勢(shì)，電子式互感器全面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的互感器是不可避免的。

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凌正茂（1988—），本科，助理工程師，現(xiàn)就職于廣東省輸變電工程公司，主要研究方向?yàn)樽冸娬窘ㄔO(shè)、測(cè)控保護(hù)、智能電網(wǎng)。

作者簡(jiǎn)介：