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(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

1 引言

電子式互感器的應(yīng)用作為智能變電站的重要標(biāo)志，其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展一直是影響智能變電站繼電保護(hù)的關(guān)鍵因素之一。電子式互感器本質(zhì)上是一種將模擬量就地?cái)?shù)字化的裝置，其目的是將電壓及電流的模擬量，在盡可能靠近信號源的地方，采用最具有性價(jià)比的可靠方式，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；從電子式互感器的發(fā)展歷史中，存在兩種基本形式，無源式及有源式，它們以不斷競爭的方式向前發(fā)展，各有其突出特點(diǎn)。本文將立足如上兩個(gè)方面，在不同類型的電子式互感器之間進(jìn)行性能比較，闡述電子式互感器的關(guān)鍵技術(shù)及最新研究課題并簡述其發(fā)展趨勢。

2 電子式互感器

2.1 與傳統(tǒng)互感器的對比

國際電工委員會(huì)(IEC)分別在和年發(fā)布針對電子式電壓/電流互感器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)——IEC 60044-7/8[1-2]。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的定義，互感器需提供數(shù)字量的輸出，并滿足智能化及互操作性的特征；同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電子式互感器的整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示，值得一提的是圖中的元件并不都是必須的。

針對傳統(tǒng)互感器暴露出的固有缺陷，電子式互感器則具有諸多優(yōu)勢，可參見表1，這使得電子式互感器在電力測量中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.2 電子式互感器的分類

根據(jù)測量對象的不同，電子式互感器有電流、電壓及組合互感器之分；按照性能和應(yīng)用場合的不同，可以分為測量用或保護(hù)用電子式互感器；按照高壓側(cè)的采集器是否需要提供電源，可分為有源式與無源式；從不同的傳感原理出發(fā)，則有更為細(xì)致的分類方法。

圖1 單相電子式電流互感器整體結(jié)構(gòu)框圖

注1：絕緣問題同時(shí)反映互感器的造價(jià)，電子式互感器的絕緣相比傳統(tǒng)互感器簡單，而絕緣造價(jià)受電壓等級的升高而升高，故造價(jià)差距越明顯。

注2：不存在二次回路開路的問題，同時(shí)電子式互感器利用光纖傳遞采集信息絕緣相對簡單，不填充絕緣油，因此較為安全。

2.2.1 電子式電流互感器

IEC和GB/T國家標(biāo)準(zhǔn)提出了電子式電流互感器典型的三種類別，這樣的分類肯定了下列互感器在線性度、動(dòng)態(tài)范圍、測量精度及抗干擾等方面的性能，有較大的發(fā)展前景：

(1)光學(xué)電流互感器。運(yùn)用光學(xué)原理，同時(shí)利用光導(dǎo)材料作為傳感元件，通過測量光路變化間接測量導(dǎo)體內(nèi)電流的方法研制的互感器；如依據(jù)Faraday效應(yīng)研制的全光纖電子式互感器，其通過測量偏振光通過與電流成正比的磁場后的偏振角(工程上多將角度變化轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)變化)，間接獲得電流值。

(2)Rogowski線圈電流互感器?；ジ衅鞯膫鞲蓄^運(yùn)用不含有磁性材料的Rogowski線圈，線圈的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Rogowski線圈結(jié)構(gòu)示意圖

被測導(dǎo)體豎直貫穿線圈正中心，導(dǎo)體中流過被測的電流i，均勻纏繞在骨架上的線圈其感應(yīng)出的電動(dòng)勢為e(t)，i與e(t)存在如下線性關(guān)系：

(1)

式中φ代表交鏈于線圈的磁鏈；M為線圈的互感；μ0為真空磁導(dǎo)率。

從式(1)可以得出，e(t)正比于與導(dǎo)體中流過的電流i的微分值，通過相應(yīng)的積分處理電路還原e(t)便可獲得i值。

由于線圈的骨架中不存在磁導(dǎo)材料，Rogowski線圈沒有磁飽和問題，在測量暫態(tài)短路電流時(shí)仍保證測量的線性度，根據(jù)這一特點(diǎn)，Rogowski線圈在電力系統(tǒng)測量中受到了廣泛應(yīng)用。

(3)低功率電流互感器(Low Power Current Transformer, LPCT)。LPCT是在傳統(tǒng)電磁式感應(yīng)線圈上加以改良，具有低功率傳輸特性的線圈。具有測量靈敏、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、易于大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)；此外，由于該類線圈的輸出直接供給二次電子線路，故其二次負(fù)荷較小，加之采用微晶合金一類的高導(dǎo)磁鐵芯材料，不易飽和，可以實(shí)現(xiàn)對大動(dòng)態(tài)范圍電流的測量。

2.2.2 電子式電壓互感器

(1)光學(xué)電壓互感器。這類互感器基于光電效應(yīng)，通過光的折射率在磁場中的變化規(guī)律，間接測量施加在光學(xué)晶體上的電壓。以下著重介紹Pockels電壓傳感器器原理：

當(dāng)一束光通過起偏器后成為線偏振光(如圖3所示)，如果使偏振方向與x軸或y軸成π/4夾角，沿E方向穿過晶體，在x軸、y軸方向上的兩個(gè)分量會(huì)呈現(xiàn)不同的傳播速度，波長為λ的光束過長度為l的晶體后，出射時(shí)會(huì)帶有相位差δ：

圖3 Pockls電壓傳感器原理示意圖

(2)

根據(jù)式(2)，如果知道相位角δ，則可求得外加電場E(電壓V)?，F(xiàn)在尚無法直接測得這個(gè)相位差δ，但是可用類似于磁光式電流互感器中測量偏振面旋轉(zhuǎn)的方法，即使用解偏振器，將光偏角的變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)的變化。

(2)分壓型互感器。采用電阻、電容以及阻容器件構(gòu)成分壓電路，得到正比于一次側(cè)電壓的電信號，通過電光裝換后經(jīng)光纖傳導(dǎo)至低壓側(cè)。

電阻分壓器與電容分壓器各有其優(yōu)缺點(diǎn)，其中電容分壓器是采用較為普遍的分壓技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)源于器件內(nèi)基本是容性電流，不會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，相比電阻分壓型有助于長期運(yùn)行時(shí)保證絕緣穩(wěn)定。工程中，電阻分壓型電壓互感器多用于10kV和35kV[4-5]；電容分壓多用于中高壓電壓互感器[6-7]。而現(xiàn)今使用的阻容分壓器很好的實(shí)現(xiàn)了前兩者的優(yōu)勢互補(bǔ)。適當(dāng)?shù)倪x取所使用的電阻與電容參數(shù)，可使分壓比與頻率無關(guān)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)直流與交流的電壓測量。綜合了電阻分壓和電容分壓的某些特點(diǎn)，形成了一下新的獨(dú)有技術(shù)優(yōu)勢[8]：

①阻容并聯(lián)無剩余電荷引起的暫態(tài)過程。

②分壓元件采用高精度電阻、電容組合，性能穩(wěn)定、測量精度高。

③輸入阻抗高、分壓電流小、功耗小、體積小質(zhì)量輕。

④無頻率選擇性，可用于交流電壓和直流電壓的測量。

3 電子式互感器性能比較

3.1 電子式互感器存在的技術(shù)難點(diǎn)

無論是有源式還是無源式電子式互感器，共同面對的問題主要有測量精度、暫態(tài)特性、絕緣問題、抗干擾能力以及長期運(yùn)行的穩(wěn)定性等方面。

對于有源電子式互感器，需要在高壓側(cè)供能技術(shù)、遠(yuǎn)端模塊的可靠性問題以及采集器的維護(hù)問題上做出技術(shù)突破。此外，從具體的已投入實(shí)踐的方面來看，Rogowski線圈及低功率線圈雖然在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，但都有各自的不足。根據(jù)式(1)可以得出，Rogowski線圈的感應(yīng)與其結(jié)構(gòu)、材料、雜散參數(shù)密切相關(guān)，故Rogowski線圈的測量精度受外界溫度的影響，存在熱平衡問題。此外在母線空載及輕載狀態(tài)下，Rogowski線圈感應(yīng)的電勢微弱，不能進(jìn)行精確測量，這被稱作Rogowski線圈的精度死區(qū)，綜上所述Rogowski線圈在工藝上有很高要求，同時(shí)需要有溫度補(bǔ)償手段。對于LPCT，由于含有磁導(dǎo)材料，在特定的暫態(tài)工程中容易出現(xiàn)飽和情況，測量的動(dòng)態(tài)范圍不足以滿足測量暫態(tài)大電流情況[9]，如發(fā)生短路故障時(shí)重合閘動(dòng)作帶來的剩磁通，會(huì)使LPCT迅速飽和。

在工程應(yīng)用上無源電子式互感器主要存在的問題是光路系統(tǒng)會(huì)隨溫度發(fā)生變化，所以需要消除晶體對于光電效應(yīng)外的其它光學(xué)效應(yīng)的干擾[10]。另外，磁光材料具有雙折射的效應(yīng)，影響測量精度[11]，磁光材料具有雙折射效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致射入磁光介質(zhì)的線性偏振光變成橢圓形偏振光，導(dǎo)致檢偏器檢測到的光強(qiáng)度變化與被測電流不成正比，從而會(huì)導(dǎo)致光電式電流互感器的測量精度會(huì)有所降低。

3.2 電子式互感器橫向?qū)Ρ?/h3>

3.2.1 電子式電流互感器

表2對現(xiàn)今電子式電流互感器性能做出了橫向?qū)Ρ?。下面就表格的具體內(nèi)容，以及如今的研究方向做更為詳細(xì)的說明：

針對有源電子式互感器，對其的研究集中在：Rogowski線圈及LPCT的組合方案[12-13]，以及新型測量原理的研究方面[14-17]。

(1)空心線圈與的組合方案

上一小節(jié)已經(jīng)對空心線圈及存在的問題進(jìn)行了分析。綜合可知，兩者間存在互補(bǔ)關(guān)系：空心線圈由于沒有飽和現(xiàn)象，有良好的暫態(tài)特性，是優(yōu)良的保護(hù)用傳感設(shè)計(jì)；而具有高精度且抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在測量傳感方面有優(yōu)勢，故將兩者結(jié)合的互感器設(shè)計(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。

文獻(xiàn)[9]在這方面做出了研究，提出了Rogowski線圈與LPCT的互補(bǔ)設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)融合算法原理(見圖5)，實(shí)現(xiàn)組合方案，組合方案同時(shí)汲取了兩者的優(yōu)勢，闡述了組合方案有助于提高小信號傳感的抗干擾能力。

表2 現(xiàn)有電子式電流互感器性能比較

圖4 數(shù)據(jù)融合工作原理

(2)在傳感原理方面的新技術(shù)

針對如今無源電子式互感器存在的問題(溫度影響以及雙折射問題)，一些研究集中在現(xiàn)有光學(xué)互感器的補(bǔ)償方案；另一些集中在了新的傳感原理方面，主要包括光纖光柵型、磁流體型、模間干涉型和磁疇型。

目前多數(shù)補(bǔ)償方案只針對溫度影響下線性雙折射和Verdet常數(shù)變化的問題進(jìn)行了補(bǔ)償，這些補(bǔ)償方法對溫度測量的精度要求很高[19-22]，同時(shí)需要增加復(fù)雜的光學(xué)單元，或者需要精確的偏振態(tài)控制，在實(shí)際操作中很難實(shí)現(xiàn)，補(bǔ)償效果并不理想。其中文獻(xiàn)[23]研究了一種基于比較測量法的光學(xué)電流互感器，即比較式光學(xué)電流互感器(comparative optical currenttransformer，COCT)。

表3 現(xiàn)有電子式電壓互感器性能比較

3.2.2 電子式電壓互感器

表3對現(xiàn)今電子式電壓互感器性能做出了橫向?qū)Ρ龋捎梅謮涸淼碾娮邮诫妷夯ジ衅鞯男阅芤言谏衔淖龀隽嗽u述，下面主要就光學(xué)電壓傳感器的特點(diǎn)進(jìn)行分析：

光學(xué)電壓傳感器提供了一種獨(dú)特的非電器傳感方向，其無源特點(diǎn)決定了它特別適合用于不便獲得電源或者必須屏蔽電磁干擾的應(yīng)用場合。然而在大多數(shù)電力電壓測量應(yīng)用中，由于分壓器輸出的二次電壓均可設(shè)計(jì)在低壓端，采用無源傳感并非必要，所以光學(xué)無源電壓傳感方案的研制并不像無源電流互感器一樣具有吸引力。泡克爾斯電光效應(yīng)以及其它一些光學(xué)測量原理廣泛進(jìn)入實(shí)用化，需要在以下幾方面做出改進(jìn)。

(1)克服溫度、振動(dòng)和應(yīng)力對電光晶體傳感過程的附加影響，使得光學(xué)電子式電壓互感器具有穩(wěn)定的測量性能。

(2)簡化光路元件，根據(jù)互感器的特定要求，研制光學(xué)電子式電壓互感器專用的集成光學(xué)調(diào)整和解調(diào)元件，降低造價(jià)、裝配和維護(hù)難度。

4 有源電子式互感器高壓側(cè)供能技術(shù)

針對有源電子互感器而言，要求其必須在高壓側(cè)完成此號的采集和發(fā)送，故一次輔助電源一直是電子式互感器發(fā)展道路上的關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)技術(shù)。

如今在供能方向獲得突破的技術(shù)，一種是由激光源、傳輸光纖、光電池組成的激光供能系統(tǒng)。另一類是利用取能線圈，通過母線磁場感應(yīng)的電動(dòng)勢，經(jīng)過整理、濾波、穩(wěn)壓等處理電路后提供高壓側(cè)供能的方案。最后一種是綜合以上兩者供能方案的優(yōu)點(diǎn)的互補(bǔ)方案即激光供能與取能線圈組合供能方案：當(dāng)一次電流較小時(shí)由激光器提供電源，當(dāng)一次電流比較大時(shí)(一般大于20A時(shí))，切換到取能線圈供能，兩種供電方式可以實(shí)現(xiàn)無縫切換。

供能方案性能的對比可見表4。

對于激光供能方案，其優(yōu)點(diǎn)為[9]：光纖傳遞隔絕了高、低壓兩側(cè)電路的直接聯(lián)系，同時(shí)也隔絕了兩側(cè)的電磁干擾，適合一些強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下工作；此外發(fā)射頭和接收頭的體積小，有利于觸感器和采集器的微型化設(shè)計(jì)。激光供能包含的技術(shù)與問題有：光信號通道的選取問題以及與取能線圈組合時(shí)的電源切換問題。

表4 現(xiàn)有電子式互感器供能方案比較

對于取能線圈母線取能的方案，它是一種自供電方式，優(yōu)勢明顯，并且供電結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，對其的應(yīng)用也是最為廣泛的，下面主要介紹該技術(shù)主要存在的兩點(diǎn)技術(shù)難題：①取能線圈的工作情況依賴一次側(cè)母線，這將導(dǎo)致母線處于輕載狀態(tài)時(shí)，線圈感應(yīng)的電勢不足矣滿足采集器的供能需求，此時(shí)的情況被稱作取能線圈的供能死區(qū)；②由于線圈采用了鐵芯結(jié)構(gòu)，取能線圈存在因磁飽和帶來的供電穩(wěn)定性問題。

針對以上應(yīng)用問題，研究者進(jìn)行了如下相關(guān)的研究[24-25]：通過采用平波電抗器[26]、鐵芯開氣隙[27]、電流互感器取能與儲(chǔ)能電池結(jié)合[28]、針對鐵芯材料的研究[29]、采用補(bǔ)償措施的鐵芯線圈[30-31]、反饋控制或斬波控制[32]，達(dá)到取能的目的。

5 在智能變電站中的運(yùn)用

電子式互感器作為智能化一次設(shè)備，它的應(yīng)用是智能變電站的重要標(biāo)志之一。而對于電子式互感器的智能化研究，關(guān)鍵在于采樣值通信接口問題以及一、二次設(shè)備功能集成的問題。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)作為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)(SAS)中第一套全面的通信規(guī)約，其對電子式互感器帶來的作用及影響可概括為以下幾個(gè)方面：

(1)互操作性要求。在IEC 61850中，互操作性指的是智能裝置(intelligent electronic device，IED)間的通信接口標(biāo)準(zhǔn)化，即來自不同生產(chǎn)廠家的IED可以在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中交換信息?；ゲ僮餍允请娏?、設(shè)備供應(yīng)商和標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)共同的目標(biāo)，所有的通信都必須允許來自多個(gè)供應(yīng)商提供的IED裝置實(shí)現(xiàn)無縫連接并成為整體，故電子式互感器的通信接口需要符合互操作性這一要求。

(2)合并單元。合并單元定義在IEC 60044-8[2]中有詳細(xì)說明，其作用在于給電子式互感器提供了數(shù)字化接口。合并單元同步收集多路采樣值信息，并將相應(yīng)采樣值(SMV)報(bào)文發(fā)送至間隔層的保護(hù)、測量二次設(shè)備。圖7顯示了合并單元的邏輯位置，一次說明了合并單元在智能變電站中的地位與功能。

應(yīng)該指出，MU本身是電子式互感器的一部分或者一個(gè)附件，其標(biāo)準(zhǔn)化的功能同樣體現(xiàn)了智能設(shè)備的互操作性的特點(diǎn)。

(3)采樣值通信服務(wù)。合并單元采集多路電子式互感器采樣值信息，并封裝整理成標(biāo)準(zhǔn)的采樣值報(bào)文隨后對時(shí)、出口。采樣值報(bào)文傳輸基于ISO/IEC8802-3規(guī)定的數(shù)據(jù)鏈路層映射，采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議報(bào)文IEC61850-9-2或IEC 60044- 8進(jìn)行通信，以太網(wǎng)方式進(jìn)行傳輸。

圖5 智能變電站中的電子式互感器

6 發(fā)展趨勢

如今的電子互感器技術(shù)發(fā)展不僅是針對現(xiàn)存電子式互感器自身關(guān)鍵技術(shù)的研究，對其的發(fā)展趨勢還應(yīng)該結(jié)合特高壓輸電技術(shù)、組合電子式互感器(ECVT)、GIS設(shè)備及智能一次設(shè)備等較為前沿的技術(shù)。

目前電子式互感器的發(fā)展呈現(xiàn)傳感無源化、結(jié)構(gòu)組合化、功能復(fù)用化及部件標(biāo)準(zhǔn)化的整體趨勢。這樣的發(fā)展將使得電子式互感器的智能化及安裝維護(hù)的簡易化，最大程度的發(fā)揮電子式互感器的技術(shù)優(yōu)勢。