金世鑫，李 華，戴曉宇

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

電子式互感器的分類(lèi)和原理綜述

金世鑫1，李 華2，戴曉宇2

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

為了減小變電站的建筑空間和占地面積，提高電力系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，滿(mǎn)足“智能化、數(shù)字化、一體化、光纖化”的要求，新型的電子式電流互感器將取代傳統(tǒng)的電磁式電流互感器。闡述了電子式電流互感器的分類(lèi)、特點(diǎn)、應(yīng)用情況和存在的問(wèn)題，對(duì)比了幾種電子式電流互感器的優(yōu)缺點(diǎn)，以期能對(duì)電子式電流互感器的發(fā)展有所借鑒。

電子式電流互感器；磁光效應(yīng)；分類(lèi)

1 電子式互感器概述

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，發(fā)電和輸變電的容量不斷增加，為了減小變電站的占地面積和建設(shè)空間，提高電力系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，現(xiàn)階段設(shè)計(jì)的電流互感器需要滿(mǎn)足“智能化、數(shù)字化、一體化、光纖化”的要求［1］。智能化是指增加網(wǎng)絡(luò)和微機(jī)在電氣測(cè)量中的運(yùn)用，賦予互感器一定的自我判斷和識(shí)別能力，主要通過(guò)在外圍的電路上作一些改進(jìn)及在軟件上進(jìn)行優(yōu)化。數(shù)字化是指要盡量減少傳統(tǒng)的模擬信號(hào)指針式讀數(shù)盤(pán)的使用，采用數(shù)字式的儀表，減小測(cè)量中因讀數(shù)不準(zhǔn)而引起的人為誤差。一體化是指將多相電流互感器甚至是多相電流互感器和電壓互感器做成成套設(shè)備，這樣可以減少一次設(shè)備的體積，節(jié)約大量的人力、物力。光纖化是指在測(cè)量系統(tǒng)中，采用光纖傳輸信息，消除電磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。針對(duì)目前電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)可以預(yù)測(cè)，在不久的將來(lái)，新型實(shí)用電子式互感器將取代傳統(tǒng)的電磁式互感器，電子式電流互感器就是其中的代表，它完全可滿(mǎn)足上述的要求。

2 電子式電流互感器分類(lèi)

基于磁光效應(yīng)的電子式電流互感器發(fā)展到現(xiàn)在，按其原理與結(jié)構(gòu)可分為無(wú)源型、有源型及全光纖型3類(lèi)。

2.1 有源型

有源型電子式電流互感器的原理是將高壓側(cè)電流信號(hào)，通過(guò)采樣繞組將電信號(hào)傳遞給發(fā)光元件變成光信號(hào)，再通過(guò)光纖傳遞到低壓側(cè)，進(jìn)行逆變，變換成電信號(hào)后放大輸出。高壓側(cè)電子器件的電源來(lái)源于母線(xiàn)電流供電方式、超聲電源供電方式以及光供電方式［2］。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。有源型電子式互感器是較早期的結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高。其缺點(diǎn)是采樣信號(hào)的頂部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

圖1 有源型電子式電流互感器結(jié)構(gòu)

2.2 無(wú)源型

無(wú)源型電子式電流互感器的傳感頭不需要采用供電電源。傳感頭一般采用法拉第電磁感應(yīng)原理制成，位于低電位的光源發(fā)出偏振光通過(guò)光纖傳遞到高壓側(cè)，并通過(guò)處于被測(cè)一次電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)［3］。偏振光的偏振面在磁光玻璃的磁場(chǎng)中發(fā)生旋轉(zhuǎn)，光波被電流信號(hào)通過(guò)偏振調(diào)制。帶電流信號(hào)的光波經(jīng)光纖傳到低電位側(cè)，經(jīng)光－電變換后放大輸出。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。無(wú)源結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且不采用傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)元件，不存在飽和問(wèn)題，充分發(fā)揮了電子式電流互感器的特點(diǎn)，尤其是高壓側(cè)采用的無(wú)源電子器件，不存在溫度穩(wěn)定問(wèn)題，互感器運(yùn)行周期較長(zhǎng)。其缺點(diǎn)是磁光玻璃電子式電流互感器所采用的光學(xué)精密元器件制造難度較大，很難長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，測(cè)量精度難以達(dá)到。

2.3 全光纖型

全光纖型電子式電流互感器實(shí)際上也屬于無(wú)源型電子式互感器，只是傳感頭是由光纖本身制成，其余組成部分與無(wú)源型完全相同。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。全光纖型電子式電流互感器的優(yōu)點(diǎn)是傳感頭結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，比磁光玻璃更容易制造，其精度、壽命、可靠性都比磁光玻璃電子式電流互感器要高。缺點(diǎn)是這種互感器所采用的傳感光纖為保偏光纖，比無(wú)源型和有源型2種電子式電流互感器采用的普通光纖品質(zhì)要求都高，造價(jià)較為昂貴，且生產(chǎn)工藝要求高，因此制造穩(wěn)定性和可靠性高的保偏光纖非常困難。

圖2 無(wú)源型電子式電流互感器結(jié)構(gòu)

圖3 全光纖型電流互感器結(jié)構(gòu)

3 電子式電流互感器優(yōu)點(diǎn)

電子式電流互感器不采用鐵芯，不存在磁耦合，因此消除了磁飽和和鐵磁諧振的現(xiàn)象，互感器運(yùn)行穩(wěn)定性高、暫態(tài)特性好，從而保證了其在電網(wǎng)中運(yùn)行的可靠性。

電磁感應(yīng)式電流互感器的二次回路不能開(kāi)路，如果在一次系統(tǒng)帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)電流互感器二次測(cè)開(kāi)路，會(huì)在二次側(cè)產(chǎn)生過(guò)電壓，危及設(shè)備和人員的安全。因此低壓側(cè)存在因開(kāi)路而引起的過(guò)電壓隱患［4］。由于電子式電流互感器的低壓側(cè)和高壓側(cè)之間只有光纖聯(lián)系，沒(méi)有磁耦合，消除了電磁干擾對(duì)互感器性能的影響，且光纖具有良好的絕緣性能，因此可以保證二次回路與一次回路在電氣上完全隔離，二次側(cè)不存在因開(kāi)路而產(chǎn)生過(guò)電壓的危險(xiǎn)。

電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，電流互感器流過(guò)的電流并不大，因此互感器二次側(cè)輸出的采樣值滿(mǎn)足測(cè)量精度要求，但在發(fā)生短路時(shí)，由于短路電流非常大。電磁式電流互感器因存在磁飽和問(wèn)題，二次輸出的電流會(huì)因互感器飽和而失真，當(dāng)產(chǎn)生的飽和二次波形失真較嚴(yán)重、線(xiàn)性度較低時(shí)，甚至?xí)斐蓞^(qū)外故障發(fā)生時(shí)保護(hù)裝置誤動(dòng)作，因此難以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)通道同時(shí)滿(mǎn)足繼電保護(hù)計(jì)算和高精度測(cè)量的需要，無(wú)法進(jìn)行大范圍測(cè)量［5］。而電子式電流互感器有的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍很寬，過(guò)電流達(dá)到幾萬(wàn)A時(shí)測(cè)量電流仍不會(huì)失真；電子式電流互感器可以精確測(cè)量出高壓電力網(wǎng)和電力線(xiàn)路上的諧波，而電磁式電流互感器難以進(jìn)行這方面的工作；電子式互感器不再用油絕緣介質(zhì)，不存在因充油而產(chǎn)生的易爆、易燃等危險(xiǎn)，其采用的玻璃和光纖由絕緣材料做成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、絕緣性能高、造價(jià)較低，電磁式電流互感器絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電壓等級(jí)越高，造價(jià)越高；電子式電流互感器重量輕，體積小，便于運(yùn)輸和安裝，適應(yīng)了保護(hù)自動(dòng)化、微機(jī)化、數(shù)字化的發(fā)展潮流。

4 電子式電流互感器應(yīng)用現(xiàn)狀

1994年ABB公司推出有源型電子式電流互感器，其額定電流為600～6 000 A，電壓等級(jí)為72.5～765 kV。日本除研究500 kV、1 000 kV高壓電網(wǎng)計(jì)量用的電子式電流互感器外，還進(jìn)行500 kV以下直到6.6 kV電壓等級(jí)的GIS用電子式電流互感器研究。近些年，我國(guó)在電子式電流互感器的研究方面也取得了一定進(jìn)展，在吸收國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，已有許多廠家和高校生產(chǎn)出了相關(guān)產(chǎn)品。目前所生產(chǎn)的電子式電流互感器已經(jīng)可以替代體積大且笨重的電磁式電流互感器，并可與斷路器組裝成一體，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化、設(shè)備小型化。

在高壓直流電力網(wǎng)輸電方面，直流測(cè)量用電子式電流互感器較之傳統(tǒng)的電磁式電流互感器有更大的優(yōu)勢(shì)，其重量?jī)H為同電壓等級(jí)直流電流互感器的1／40，無(wú)鐵磁損耗和電磁干擾，可與電力自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)相互兼容。例如我國(guó)常州至三峽的500 kV直流輸電系統(tǒng)就采用了ABB公司生產(chǎn)的電子式電流互感器，用于線(xiàn)路的直流電流及諧波電流，交流側(cè)的橋臂電流、不平衡電流等電氣量的測(cè)量。除了在電網(wǎng)中使用外，電子式電流互感器還可做成鉗形表式的結(jié)構(gòu)，便于移動(dòng)，可用來(lái)測(cè)量電網(wǎng)中不同地點(diǎn)的電流。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)在電子式電流互感器的研究方面，尤其是在高電壓等級(jí)電力系統(tǒng)中的應(yīng)用還面臨一些問(wèn)題，如溫度和應(yīng)力產(chǎn)生的雙折射現(xiàn)象，長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的精度和穩(wěn)定性還需進(jìn)一步試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)考驗(yàn)，另外由于電子式互感器的采集器采樣頻率有限，造成采用電子式互感器的智能化變電站存在行波測(cè)距技術(shù)無(wú)法應(yīng)用的問(wèn)題。本文闡述了電子式電流互感器的分類(lèi)、特點(diǎn)和應(yīng)用情況，對(duì)比了幾種電子式電流互感器的優(yōu)缺點(diǎn)，綜上所述，電子式電流互感器較傳統(tǒng)電磁式電流互感器有許多優(yōu)勢(shì)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，將會(huì)逐漸解決電子式互感器存在的各種問(wèn)題，使得互感器技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)嶄新時(shí)代。

［1］平紹勛，黃仁山.光電式互感器原理和結(jié)構(gòu)［J］.變壓器，2000，37（9）：18－22.

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［3］徐大可，趙建寧，張愛(ài)祥，等.電子式互感器在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用［J］.高電壓技術(shù)，2007，33（1）：78－82.

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Electronic Transformers Overview

JIN Shi?xin1，LI Hua2，DAI Xiao?yu2
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.Economic Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110015，China）

In order to reduce building space and floor area，improve automation level of power system and meet the requirement of＂intelligent，digital，integrated，optical fiber＂，the new electronic current transformer replaces the traditional electromagnetic current transformer.In this paper，the classification，characteristics，application and existing problems of electronic current transformer are de?scribed and the advantages and disadvantages of several electronic current transformers are compared.It has directive significance to the development of electronic current transformer.

Electronic current transformer；Magneto?optical effect；Classification

TM452

A

1004－7913（2016）03－0029－03

金世鑫（1985—），男，碩士，工程師，從事繼電保護(hù)與智能電網(wǎng)研究工作。

2015－11－26）