王志偉，于春來，于東洋，劉 彬，劉 翔

(1.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱 150000;2.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030;3.中國電力科學(xué)研究院，武漢 430074)

低溫環(huán)境對電子式互感器的影響及應(yīng)對措施分析

王志偉1，于春來2，于東洋2，劉 彬3，劉 翔3

(1.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱 150000;2.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030;3.中國電力科學(xué)研究院，武漢 430074)

電子式互感器是智能變電站中的核心元件，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。但相對于傳統(tǒng)電磁式互感器,電子式互感器對溫度的影響較為敏感，在低溫地區(qū)應(yīng)用時容易出現(xiàn)精度和可靠性下降的問題。本文針對電子式互感器在低溫環(huán)境下的應(yīng)用問題，通過實(shí)驗(yàn)測試了典型電子式互感器在低溫環(huán)境下的運(yùn)行規(guī)律，并在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出應(yīng)對低溫電子式互感器性能下降問題的措施及研究方向。

互感器；低溫；電力設(shè)備

隨著智能電網(wǎng)以及智能變電站建設(shè)進(jìn)程的逐步推進(jìn)，電子式互感器由于體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，在電力領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但是，通過近年來電子式互感器在低溫地區(qū)的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)電子式互感器在低溫環(huán)境下會出現(xiàn)精度降低、故障率高、可靠性下降的問題，需要對低溫環(huán)境下電子式互感器的影響機(jī)理進(jìn)行分析，研究低溫環(huán)境下電子式互感器關(guān)鍵元件的性能變化規(guī)律，并從工程運(yùn)行實(shí)際需要角度出發(fā)，提出相應(yīng)的管理措施和技術(shù)措施,提高電子式互感器的抗低溫能力，促進(jìn)低溫地區(qū)電子式互感器的應(yīng)用，推進(jìn)我國智能變電站和智能電網(wǎng)的應(yīng)用和技術(shù)的提升。

1 電子式互感器的種類和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

近幾十年來,隨著光學(xué)傳感技術(shù)、電子技術(shù)、光纖通信技術(shù)等迅猛發(fā)展，電子式電流互感器(Electronic Current Transformer, ECT)和電子式電壓互感器(Electronic Voltage Transformer, EVT)得到了快速發(fā)展。相對于傳統(tǒng)的電磁式互感器，電子式互感器由于具有優(yōu)良的絕緣性能、無飽和特性、抗電磁干擾性能好、動態(tài)范圍大、測量精度高、體積小、質(zhì)量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為智能電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備。

電流互感器通常分為有源式電流互感器和無源式電流互感器，其中有源式電流互感器通常由互感器高壓側(cè)的發(fā)射機(jī)部分、低電壓側(cè)的接收機(jī)部分、絕緣結(jié)構(gòu)及光纖傳輸部分、供能模塊這4個部分組成。高壓側(cè)可采用低功率電流互感器或者羅柯夫斯基線圈采樣,經(jīng)過一系列信號處理(模數(shù)轉(zhuǎn)換或壓頻轉(zhuǎn)換等)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,再通過電光轉(zhuǎn)換經(jīng)由光纖將光信號傳送到與低壓側(cè)相連的接收機(jī),進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理。有源電子式電流互感器需要向高壓側(cè)的有源電子電路供電,高壓側(cè)的電子器件供電成為有源電子式電流互感器測量系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前主要有：線圈從母線采電的供能方式、高壓電容分壓器的供電方式、激光供能方式等[2]。

無源電子式電流互感器多采用法拉第效應(yīng),即所謂的磁光效應(yīng),故稱為磁光式電流互感器(Magneto-Optic Current Transformer, MOCT)。磁光式電流互感器有二大類:一類是全光纖式的,其光纖本身就是傳感元件;另一類是混合式的,它的傳感頭是一塊玻璃晶體,光纖只起傳輸光信號的作用[3- 5]。

2 無源電子式互感器環(huán)境適應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法

由上述分析可知，電子式互感器受溫度影響的環(huán)節(jié)比較多，在設(shè)計(jì)過程中需要充分考慮各方面的因素，在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程中更要全面考核其溫度特性。根據(jù) GB/T 20840.8-2007《電子式電流互感器》標(biāo)準(zhǔn)要求，電子式電流互感器的溫度循環(huán)測試方法如圖1所示。

圖1 GB/T 20840.8-2007 所規(guī)定的電子式電流互感器溫度循環(huán)試驗(yàn)Fig.1 Temperature cycling test of electroniccurrent transformer specified in GB/T 20840.8-2007

而在國家電網(wǎng)公司組織制定的《電子式互感器性能檢測方案》中，規(guī)定的溫度循環(huán)試驗(yàn)如圖2所示。由圖2可知：國家電網(wǎng)公司制定的方案在國標(biāo)的基礎(chǔ)上提高試驗(yàn)要求，在溫度升溫和降溫過程中增加一個測量點(diǎn)，即測量點(diǎn)2、6、8、12，由國標(biāo)規(guī)定的11個測量點(diǎn)增加至15個測量點(diǎn)。溫度的變化速率規(guī)定為10 K/h，時間常數(shù)規(guī)定為 2 h。

圖2 《電子式互感器性能檢測方案》規(guī)定的溫度循環(huán)試驗(yàn)Fig.2 Temperature cycling test prescribed by ElectronicTransformer Performance Test Program

為了提出能夠考核電子式互感器溫度可靠性的試驗(yàn)方法，必須充分研究電子式電流互感器在全溫度范圍內(nèi)的誤差特性，為此制定了實(shí)施方案如下：

1)選取為通過型式試驗(yàn)或性能檢測溫度循環(huán)項(xiàng)目的110 kV有源電子式電流互感器、無源電子式電流互感器，測量誤差在長時間(至少10 min)內(nèi)波動不超過相應(yīng)誤差限值的一半。

2)在-40～+70℃溫度范圍內(nèi)，以20 K/h的溫度變化速率，從環(huán)境溫度升溫開始，每隔20 min 對電子式互感器測量一次誤差，測量點(diǎn)包括100%與5%額定電流，每個點(diǎn)測量時間為2 min。直到電子式互感器測量誤差穩(wěn)定。

3)對整個溫度循環(huán)過程所有測量點(diǎn)誤差數(shù)據(jù)的平均值、最大值、最小值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，全面分析、掌握電子式互感器的溫度特性。

3 溫度適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)研究

選取了110 kV額定電流為600 A戶外支柱式結(jié)構(gòu)的有源電子式電流互感器和無源電子式電流互感器各1臺，按上述實(shí)施方案進(jìn)行試驗(yàn)測試。

3.1 有源電子式互感器

在各種溫度變化速率下共進(jìn)行了5次溫度循環(huán)測試，溫度變化速率為：5、10、20、30 K/h。測試部分結(jié)果如圖3、圖4和表1所示，其中測量通道為低功耗線圈，保護(hù)通道為空心線圈，通過測量溫度對誤差值進(jìn)行補(bǔ)償。

根據(jù)測試結(jié)果，不同電流的影響趨勢基本一致，在100%額定電流下測量通道比差值受溫度影響最大，相差受溫度變化影響較小； 5%額定電流下比差、 相差均受溫度影響， 但由于本身的波動性較大，表現(xiàn)不明顯；在100%額定電流下保護(hù)通道比差值在低溫下有變化，相差受溫度變化影響比較明顯，但相對誤差限值要求來說，變化量均非常小。

圖3 溫度變化速率為 5K/h 時誤差曲線Fig.3 Error curves at temperature change rate of 5 K/h

圖4 溫度變化速率為 30K/h 時誤差曲線Fig.4 Error curves at temperature change rate of 30 K/h

不同溫度速率對誤差的影響首先表現(xiàn)在：在以 5 K/h 的溫度變化速率進(jìn)行測試時，測試溫度升到+80 ℃，測試無異常；當(dāng)測試溫度降至-50 ℃過程中，測量的數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的抖動，經(jīng)過一段時間后仍無法穩(wěn)定。分析原因是由于目前電子式互感器采用是的是工業(yè)級的電子器件，器件普遍工作溫度在-40～+70 ℃范圍內(nèi)，當(dāng)達(dá)到+80 ℃和-50 ℃時已超出器件的的正常工作范圍。另外，在30 K/h時最大值出現(xiàn)較大的變化，可見不同溫度變化速率對溫度循環(huán)的測量結(jié)果有影響。經(jīng)過試驗(yàn)后分析是由于在大變化速率下溫度補(bǔ)償系統(tǒng)工作不穩(wěn)定所致。

3.2 無源電子式互感器

根據(jù)第2節(jié)中的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6和表1所示。

由溫度循環(huán)誤差曲線可知，在各種溫度變化速率下的溫度趨勢基本一致，在100 %額定電流下測量通道和保護(hù)通道比差值一致，是由于采用的是同一傳感器的信號，受溫度影響比較明顯，但保護(hù)通道相差受溫度變化影響大于測量通道；5 %額定電流下比差、相差均受溫度影響，但由于本身的波動性較大，除高溫區(qū)保護(hù)通道誤差較高外，通道之間的區(qū)別表現(xiàn)不明顯。

圖5 溫度變化速率為 5 K/h 時誤差曲線Fig.5 Error curves at temperature change rate of 5 K/h

圖6 溫度變化速率為 305 K/h 時誤差曲線Fig 6 Error curves at temperature change rate of 305 K/h

3.3 測試結(jié)果分析

測試結(jié)果如表1所示。

表1電子式互感器的誤差極限

Table1Electronictransformererrorlimits

溫度變化誤差變化范圍無源式電子式互感器有源式電子式互感器比差/%相差/(')比差/%相差/(')5K/h最大值0.1040.10.1085.2最小值-0.094-0.70.032-7.210K/h最大值0.0890.20.1264.5最小值-0.107-0.80.023-11.820K/h最大值0.0820.40.0874.2最小值-0.092-0.80.021-8.730K/h最大值0.0620.80.0975.3最小值-0.098-0.50.037-11.8

根據(jù)測試結(jié)果可知，在相同的溫度范圍內(nèi)，不同的溫度變化速率對電子互感器誤差帶寬曲線影響不大，因此溫度的變化速率可選擇典型的速率進(jìn)行即可，要求不低于5 K/h?？紤]到由于目前電子式互感器均采用了較多的補(bǔ)償手段，典型的如采用溫度傳感器測溫進(jìn)行修正，溫度變化速率越快，對補(bǔ)償?shù)囊蟾鼑?yán)苛，因此推薦采用20 K/h或更高的溫變速率進(jìn)行試驗(yàn)。

熱時間常數(shù)由制造方根據(jù)不同的電子式互感器結(jié)構(gòu)原理所計(jì)算或測試所得，并根據(jù)其進(jìn)行試驗(yàn)，如本項(xiàng)目選取的支柱式電子式互感器時間常數(shù)約為1.5 h，因此在試驗(yàn)最高與最低溫保持時間約4.5 h即可，這樣可以得到較穩(wěn)定的低溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4 電子式互感器應(yīng)對低溫措施

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總體上電子式互感器對低溫的耐受能力是較弱的。因此建議從以下幾個方面采取措施提高電子式互感器的耐低溫能力。

4.1 提高電子器件的耐候能力

根據(jù)目前電子式互感器采用工業(yè)級芯片的情況，建議選擇的最大溫度范圍為-40～+70 ℃,當(dāng)需要應(yīng)用在更寬的溫度范圍時，應(yīng)重新設(shè)計(jì)與器件選型。

4.2 提高電子式互感器溫度補(bǔ)償能力

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，溫度補(bǔ)償功能能夠部分校正溫度對互感器的影響、補(bǔ)償溫度變化造成的測試精度下降問題，但在大溫差變化情況下，補(bǔ)償?shù)男Ч^差。需要在設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償和進(jìn)行溫度補(bǔ)償過程中，不僅要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)下的溫度補(bǔ)償，還要滿足在動態(tài)情況下的溫度補(bǔ)償。

4.3 提高電子式互感器溫度環(huán)境控制能力

如果能夠?qū)﹄娮邮交ジ衅鲗?shí)現(xiàn)溫度保持控制，實(shí)現(xiàn)主要元件的恒溫工作條件就能夠從根本上隔絕戶外環(huán)境與溫度敏感元件之間的作用。其本質(zhì)就是要提高高壓側(cè)電子式互感器的供電能力，以此實(shí)現(xiàn)制冷或者制熱來實(shí)現(xiàn)主要原件的恒溫工作。但目前傳統(tǒng)的供電方式無法滿足需要，目前黑龍江電科院正在開展無線輸電技術(shù)的研究，預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)較大功率的電子式互感器的供電。

4.4 提高電子式互感器檢測能力

通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，不同的實(shí)驗(yàn)條件對電子式互感器的影響是不同的，因此需要進(jìn)一步細(xì)化和明確實(shí)驗(yàn)條件，把好入網(wǎng)檢測關(guān)，保證在低溫地區(qū)使用的電子式互感器都經(jīng)過嚴(yán)格而科學(xué)的檢驗(yàn)。

5 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)表明，溫度變化速率的不同，對電子式互感器在全溫度范圍內(nèi)的誤差曲線有較大的影響，尤其是通過測溫對誤差特性進(jìn)行修正的產(chǎn)品。需要在電子器件的抗低溫能力、溫度補(bǔ)償系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、溫度環(huán)境控制能力等方面開展相關(guān)研究，提高低溫環(huán)境下電子式互感器的運(yùn)行準(zhǔn)確性和可靠性，推進(jìn)智能電網(wǎng)在低溫地區(qū)的應(yīng)用。

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Analysis of the influence of low temperature environment on electronic transformer and its countermeasures

WANG Zhiwei1，YU Chunlai2，YU Dongyang2，LIU Bin3，LIU Xiang3

(1. State Grid Heilongjiang Electric Power Co., Ltd., Harbin 150000, China; 2. Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co. Ltd., Harbin 150030, China;3. China Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, China)

Electronic transformers are the key components in smart substation and play a crucial role. However, compared with traditional electromagnetic transformers, electronic transformers are more sensitive to temperature. When used in low-temperature regions, accuracy and reliability are liable to drop. In this paper, in terms of the application of electronic transformers in low temperature environment, the typical electronic transformer’s operating law is tested in low-temperature environment through experiment, and measures to deal with performance degradation for low-temperature electronic transformer are put forward as well as the research direction on the basis of the experiment.

transformer; low-temperature; power equipment

2017-03-13；

2017-11-09。

王志偉(1970—)，男，高級工程師，現(xiàn)從事電力管理和輸變電設(shè)備運(yùn)行工作。

TM451

A

2095-6843(2017)06-0511-05

(編輯陳銀娥)