電子式互感器在大侶變工程中的應用

方 征，張周麟，藍江生，毛守平，張 凱

（1.麗水電業局，浙江 麗水 323000；2.常熟理工學院 機械工程學院，江蘇 常熟 215500）

隨著電力系統向大容量，超高壓和特高壓方向發展，對電力設備小型化，智能化，高可靠性的要求也越來越高，傳統電磁式互感器難以滿足電力系統的應用發展要求，而隨著氣體絕緣開關設備的普遍應用和特高壓變電站的建設，對新型電子式互感器在工程上的應用實踐研究也顯得尤為重要.

1 電子式互感器的工程應用價值

1.1 傳統電磁式互感器存在的問題

傳統電流、電壓互感器是電磁式互感器，它們具有維護成本低，可靠性高的特點.但是卻存在以下幾個方面的問題：①電容式電壓互感器的暫態特性可能造成快速保護的誤動作；②油浸式電流互感器若爆炸將使變電站一次設備受到較大損壞；③電流互感器二次側輸出對負載有嚴格的要求，當開關場到控制室的距離過遠時，難以保證傳變精度；④電流互感器二次不能開路，否則會產生數千伏的高壓，危及人身安全與設備安全；電壓互感器二次不能短路，否則也將危及設備的安全；⑤超高壓系統對該類互感器的體積、絕緣性能和價格等都是極大的挑戰；⑥體積、質量大，安裝運輸成本高；⑦在大電流情況下，電流互感器會出現鐵芯飽和現象，這是繼電保護不正確動作的主要原因之一.

1.2 電子式互感器的優點

國際電工委員會（IEC）制定了電子式互感器的兩個標準：EVT標準IEC60044-7［1］和ECT標準IEC60044-8［2］.根據上述標準，電子式互感器是具有模擬量電壓輸出或數字量輸出，供頻率15～100Hz的電氣測量儀器和繼電保護裝置使用的電流/電壓互感器.電子式互感器的出現解決了傳統互感器的問題，與傳統的電磁式互感器相比，它具有以下優點：

（1）高低壓完全隔離、絕緣簡單、安全性高、沒有因漏油而潛在的易燃易爆等危險.

在電子式互感器中，高壓側與低電位側之間的信號傳輸采用絕緣材料制造的石英光纖，因此，絕緣結構簡單，造價低.

（2）不含鐵心，消除了磁飽和、鐵磁諧振等問題.

電磁感應式互感器由于使用了鐵心，不可避免地存在磁飽和、鐵磁共振和磁滯效應等問題，而電子式電流互感器不存在這方面的問題.因此，其暫態性能比傳統互感器好，大大提高了各類故障保護裝置的準確性，從而提高保護裝置的正確動作率，保證電網的安全運行.

（3）頻率響應寬、動態范圍大、精度高，可同時滿足測量和繼電保護的需要.

電子式互感器的頻率相應可達到1MHz，它已被證明可以測出高壓電力線上的諧波，還可進行暫態電壓/電流，高頻電壓/電流與直流電壓/電流的測量.而電磁式互感器傳感頭由鐵芯構成，頻響很低.電網正常運行時，電流互感器流過的電流并不大，但短路電流一般很大，而且隨著電網容量的增加，短路故障時短路電流越來越大，可達穩態的20-30倍以上.電磁感應式電流互感器因存在磁飽和問題，難以同時滿足大范圍測量與高精度計量和繼電保護的需要.電子式電流互感器有很寬的動態范圍，額定電流幾安培至幾千安培，短路時大電流可達幾萬安培，可同時滿足需求.

（4）體積小、重量輕、無污染、無噪聲，具有優越的環保性能.

電子式互感器的質量比電磁式互感器的質量小得多.如220KV的電子式電流互感器質量約為100kg，而同樣電壓等級的電磁式電流互感器的質量約為1000kg.這給運輸與安裝帶來很大方便.

（5）抗電磁干擾性能好，低壓側無開路高壓的危險.

電磁式電流互感器二次回路不能開路，低壓側存在開路高電壓危險；電磁式電壓互感器同樣存在二次回路不能短路的問題.由于采用光纖或其它加強絕緣方式實現了高電壓回路與二次低壓回路在電氣上的完全隔離，消除了這些回路的相互影響，低壓側沒有因開路或短路而產生的危險，保證了二次設備和工作人員的安全.同時因沒有磁耦合，消除了電磁干擾對互感器性能的影響.

（6）數字信號分享更為容易，帶負載能力強.

（7）成本與電壓等級的關系不大.因此電壓等級越高，經濟性越明顯.

隨著電力系統電壓等級的增高，傳統互感器的成本成倍上升.而電子式互感器在電壓等級升高時，成本只是稍有增加，其低成本正是吸引人們的關鍵所在.

（8）可方便地實現電壓電流組合.

（9）適應電力系統數字化、智能化和網絡化的需要.

總之，與傳統互感器相比，電子式互感器在絕緣結構、動態范圍、飽和特性、體積、價格等方面有著顯著的優勢，順應了電力工程的發展要求，滿足了電網智能化發展趨勢的要求，也更適應信息時代用戶的要求，具有逐步替代傳統互感器的趨勢.

2 電子式互感器的分類

電子式互感器根據構成原理的不同,可分為有源式和無源式.有源電子式互感器是指高壓平臺的傳感頭部分需要供電電源的電子式互感器，無源電子式互感器是指高壓平臺的傳感頭部分不需要供電電源的電子式互感器.

有源電子式互感器利用電磁感應原理感應被測信號.對于電流互感器采用Rogowski線圈，對于電壓互感器則采用電阻、電容或電感分壓等方式.有源電子式互感器又可分為封閉式氣體絕緣組合電器(GIS)式和獨立式.GIS式電子式互感器一般為電流、電壓組合式，其采集模塊安裝在GIS的接地外殼上,由于絕緣由GIS解決,遠端采集模塊在地電位上,可直接采用變電站220V/110V直流電源供電.對于獨立式電子式互感器，為了降低成本、減少占地面積，一般也采用組合式，即將電流互感器、電壓互感器安裝在同一個復合絕緣子上，遠端模塊同時采集電流、電壓信號，可合用電源供電回路.

無源電子式互感器又稱為光學互感器.其原理是利用法拉第(Faraday)磁光效應感應被測信號.傳感頭部分分為塊狀玻璃和全光纖2種方式［3］.無源電子式電壓互感器利用Pockels電光效應或基于逆壓電效應或電致仲縮效應感應被測信號.現在研究的光學電壓互感器大多是基于Pockels效應［4］.無源電子式互感器的傳感頭部分是較復雜的光學系統，容易受到多種環境因素的影響（例如溫度、震動等），影響其實用化的進程［5］.但它不需要傳感模塊，可靠性較高，具有很好的應用前景.近年來，無源電子式互感器的研究取得了較大的進展，特別是基于Faraday磁光效應的全光纖電流互感器的性能指標已基本可以滿足實用化要求，目前處于初期應用階段.

3 電子式互感器在大侶變工程中的應用

3.1 電子式互感器配置

大侶變作為浙江省全數字智能化變電所的試點工程，站內設備的設計選型立足于節能、環保、技術領先的原則.而電子式電流、電壓合一的獨立型組合互感器與純光電子式互感器符合上述原則.大侶變工程本期兩臺主變，電壓等級110kV/10kV，110kV為內橋接線，兩個線路間隔及橋間隔配置有源電子式電流電壓組合互感器，110kV主變套管及主變中性點配置光學電子式電流互感器.電子式互感器配置和保護配置連接如圖1所示.兩個110kV線路間隔及橋間隔配置有源電子式電流電壓組合互感器，每支互感器配置兩個空心線圈、兩個LPCT、兩個取能線圈、一個電容分壓器及兩個遠端模塊，每個間隔配置兩套合并單元.兩個110kV主變套管配置光學電子式電流互感器，主變中性點配置光學電子式電流互感器，每支互感器配置兩個光纖電流傳感頭，每臺主變配置兩套合并單元.大侶變內電子式互感器的采用，減少了占地面積；電流、電壓的采集實現了數字化，減少了高壓強電對弱電系統的電磁干擾，提高了二次系統的穩定性、可靠性；斷路器、互感器等一次設備的控制回路全部實現數字化，簡化了二次回路的設計和接線，并以光纜作為信息傳遞的主要媒介，大大減少了控制電纜的數量.

圖1 電子式互感器配置和保護配置連接示意圖

3.2 關鍵技術點

（1）110kV母線PT的處理方案

由于110kV母線PT沒有使用電子式互感器，因此也沒有配置母線合并單元.保護裝置無法獲得母線電壓.為此采用的技術方案是：由線路合并單元取另一條線路的電壓、三個開關的位置和并列把手，經過邏輯判斷輸出母線電壓，提供給控制保護裝置使用.

（2）變壓器保護

第一套變壓器保護裝置使用穩定性好、可靠性高的有源式電子互感器和變低開關的模擬量進行差動保護計算，第二套變壓器保護裝置使用結構簡單、抗干擾能力強、真正免維護的全光纖電子互感器和變低開關的模擬量進行差動保護計算.

（3）電子互感器檢修和測試狀態模擬量處理

正常情況下，合并單元輸出IEC61850-9-2采樣值報文中采樣值數據品質的Test屬性為0，表示該輸出模擬量為正常狀態模擬量，保護裝置進行正常保護邏輯處理.電子互感器檢修時，合并單元輸出IEC61850-9-2采樣值報文中采樣值數據品質的Test屬性為1，表示測試狀態的模擬量.對于測試狀態模擬量，保護裝置能顯示模擬量的值，但不采用保護邏輯.

4 結語

電子式互感器除了具有傳統互感器的全部功能外，還具有諸多優點，并且隨著電壓等級的提高，這種優勢越來越明顯，因此具有良好的工程應用價值.目前，我國已有不少電子式互感器掛網運行，電子式互感器的國家標準也已經頒布，數字化變電站建設的工程試點正在不斷擴大，這些都將進一步促進電子式互感器的工程應用研究和發展.

[1］IEC.IEC60044-7 Instrument transformers part 7 electronic voltage transformers［S］.1999.

[2］IEC.IEC60044-8 Instrument transformers part 8 electronic current transformers［S］.2002.

[3]王政平，康崇，張雪原，等.光學電流互感器的問題與解決對策[J].傳感器技術，2005，24（5）：5-7.

[4]程云國，劉會金，李云霞.光學電壓互感器的基本原理與研究現狀[J].電力自動化設備，2004，24（5）：87-91.

[5]黃智宇，段雄英，張可畏，等.電子式高壓互感器數字接口的設計及實現[J].電力系統自動化，2005，29（11）：87-90.