電子式互感器在發電廠廠用電系統中的應用

丁 寧，劉志雄，仲 偉

（江蘇金智科技股份有限公司，江蘇 南京 211100）

隨著數字化變電站的陸續投運[1，2]，光電互感器、電子式互感器的優點越來越被大家所認識，特別是應用在35kV/10kV電壓等級的電子式互感器，其體積小、價格低、抗飽和、替換方便等優點，大有取代傳統互感器之勢。

1 發電廠電氣監控管理系統現狀

發電廠電氣監控管理系統（ECMS）即發電廠廠用電系統[3]一般由間隔層裝置、通信層通信管理機、站控層后臺系統三部分組成。間隔層主要包含10kV/6kV高壓保護測控裝置、400 V低壓保護測控裝置以及快切、低壓備自投等設備，間隔層保護測控裝置一般通過現場總線如CAN，ProfiBus和通信層通信管理機連接。通信層通過以太網和站控層后臺系統連接，從而形成三層網結構。保護測控裝置一般安裝在開關柜中，和一次互感器、開關等構成基本單元間隔。

作為保護測控裝置、儀表等設備基礎的一次互感器，在其中起著重要的作用，是保證數據正確的源泉。傳統的電磁式互感器在使用過程中，逐步顯現出一些不足和待改進之處[4]。

（1）傳統的電磁式互感器需進行二次轉換，將一次大電流高電壓轉換成二次小電流低電壓，再通過裝置的互感器轉換成小信號供裝置數據處理使用。由于增加了轉換環節，導致系統可靠性降低，同時增大了系統采樣誤差。

（2）傳統的電磁式電流互感器二次回路不能開路、電壓互感器二次回路不能短路，否則會給電力系統設備和人身安全帶來故障隱患。

（3）傳統電流互感器容易出現飽和情況，影響保護動作的正確性。隨著電力系統容量越來越大，相應故障時短路電流也越來越大；同樣，廠用電系統的短路電流越來越大,容易出現電流互感器飽和，導致保護出現誤動、拒動的情況，影響保護的正確動作。

（4）為保證大短路電流下電流互感器不出現飽和的情況，廠用電保護電流互感器不應根據所保護設備（如電動機、變壓器）的額定電流來選擇，而應根據實際短路電流水平，選擇足夠大變比、短路電流倍數、容量，以保證保護在各種短路情況下保護的可靠動作（國內已多次發生高、低壓廠用電系統出口短路時因電流互感器嚴重飽和，造成保護拒動的實例[5]）。由于所選電流互感器變比很大，保護設備的額定電流可能會處于相對比較小的水平，過小的運行電流可能導致相關保護精度得不到滿足，甚至也造成誤動、拒動的可能。

（5）傳統電流互感器選型復雜。由于廠用電電動機等級較多，需要考慮精度、量程、最大短路電流之間的平衡，故選型復雜，所選互感器規格型號較多，增加設計選型的難度。

2 電子式互感器技術

傳統電磁式互感器的不足可以通過選用電子式互感器加以改進。隨著電力系統的發展以及保護測控裝置的數字化，對電流電壓等模擬量數據獲取的要求越來越高，從而對一次電流電壓互感器提出了更高的要求。

電子式電流電壓互感器，二次輸出為小電壓信號，無需二次轉換，可直接滿足裝置對電流電壓完整信息進行數字化處理的要求，且消除了傳統電磁式電流互感器因二次開路、電壓互感器二次短路給電力系統設備和人身安全帶來的故障隱患。

2.1 電子式互感器原理

電子式電流互感器采用羅哥夫斯基（Rogowski）線圈和輕載線圈的基本原理[6]。Rogowski線圈，由于采用非磁性的骨架，不存在磁飽和現象，其原理如圖1所示。一次電流通過Rogowski線圈得到了與一次電流I1的時間微分成比例的二次電壓E，將該二次電壓E進行積分處理，獲得與一次電流成比例的電壓信號，通過微處理器將該信號進行變換、處理，即可將一次電流信息變成模擬量和數字量輸出。

輕載線圈，代表著經典感應電流互感器的發展方向。它是由一次繞阻、小鐵心和損耗最小化的二次繞組組成，其原理如圖2所示。二次繞組上連接著分流電阻Ra，二次電流I2在分流電組Ra兩端的電壓降U2與一次電流I1成比例，電子式電流互感器比傳統的電磁式電流互感器擁有著更大的電流測量范圍。

電子式電壓互感器采用電阻分壓原理，如圖3所示。

電子式互感器由高壓臂電阻、低壓臂電阻、屏蔽電極、過電壓保護裝置組成。通過分壓器將一次電壓轉換成與一次電壓和相位成比例的小電壓信號。采用屏蔽電極的方法改善電場分布狀況和雜散電容的影響，在二次輸出端并聯一個過電壓保護裝置，防止在二次輸出端開路時將二次側電壓提高。

2.2 電子式互感器優點

（1）集測量信號輸出和保護信號輸出于一體，能快速、完整、準確地將一次信息傳送給數字化儀表等測量、保護裝置，實現計量、測量、保護、狀態監測等功能。

（2）電流互感器不含鐵心（或含小鐵心），不會飽和，可解決傳統電流互感器因為飽和導致的保護誤動、拒動等問題。

（3）電流互感器二次開路時不會產生高電壓，保證了人身及設備的安全。

（4）二次輸出為小電壓信號，可方便地與數字式儀表、微機測控保護設備接口，無需進行二次轉換（將5 A或1 A轉換為小電壓），簡化了系統結構，減少了誤差源，提高了整個系統的穩定性和準確度。

（5）頻響范圍寬、測量范圍大、線性度好，在有效量程內，電流互感器準確級達到0.2S/5P級；對于發電廠10kV/6kV廠用電系統，僅需兩個規格即可覆蓋電流互感器20～5000 A的全部量程，從而大大降低電流互感器設計選型的復雜度。

（6）體積小、重量輕，能有效地節省空間，功耗極小，且具有環保產品的特征。

（7）安裝使用簡單方便，運行無需維護，使用壽命大于30年[7]。

3 數字化發電廠電氣監控管理系統

3.1 數字化發電廠電氣監控管理系統結構

針對發電廠廠用電傳統互感器存在的不足以及電子式互感器的優點，同時綜合考慮成本、維護等因素，對10kV/6kV高壓部分互感器采用電子式互感器，線路、變壓器、電動機等保護裝置相應采用數字式保護測控裝置，低壓廠用電400 V部分暫不采用電子式互感器。即對10kV/6kV間隔層部分設備進行數字化。

基于此高壓間隔層數字化的發電廠電氣監控管理系統如圖4所示。系統采用站控層、通信層、間隔層三層網絡結構。由于電廠廠用電設備數目多，分布較廣泛，間隔層網絡推薦使用現場總線，保護測控裝置一般通過現場總線如CAN，ProfiBus和通信層通信管理機連接，通信層通過以太網和站控層后臺系統連接；通信層、站控層和常規ECMS系統保持一致。間隔層使用數字式保護測控裝置和電子式電流互感器。

3.2 間隔層裝置配置

間隔層裝置采用數字式保護測控裝置，且包括線路保護測控、線路差動、電動機保護測控、電動機差動、變壓器保護測控、變壓器差動、分布式單元等裝置。間隔層采用電子式電流互感器和常規電壓互感器相結合的方式將電流（相電流和零序電流）和電壓信號傳送至數字式保護測控裝置。

電子式電流互感器、數字式保護測控裝置安裝于開關柜，電子式電流互感器輸出直接接入數字式保護測控裝置，裝置對其進行采樣；母線電壓通過電壓互感器柜電壓小母線輸出到裝置電壓采集端子；裝置的開入、開出保持不變，采用二次電纜直接連接；斷路器開關保持不變。由于電子式電流互感器帶負載能力弱，裝置一般需要在電子式電流互感器旁就近安裝，對于包含差動保護裝置的配置如圖5所示。圖5以電動機保護測控裝置為例，且變壓器、線路保護測控裝置類似。

圖5中電動機中性側電子式電流互感器將電流信號送至就近安裝的電流采集裝置，電流采集裝置通過光纖將電流數據傳送至開關柜中的數字式電動機差動保護裝置，和開關柜中的電動機機端電流組成電動機差動保護。

3.3 ECMS系統對時

目前ECMS系統對時方案一般采用GPS對時裝置，通過以太網對站控層設備進行對時，通信層設備采用網絡對時加硬件對時相結合的對時方式，間隔層設備采用總線軟對時加硬件對時相結合的對時方式，硬件對時采用IRIG-B對時網絡或秒/分秒對時脈沖網絡。

如果間隔層網絡采用ProfiBus現場總線，可以取消間隔層專用硬件對時方式。通信管理機采用ProfiBus DP V2對時功能，實現對間隔層各個裝置對時，保證裝置對時精確到毫秒[8]。

3.4 電壓互感器選擇

電廠一般均設有專門的電壓互感器柜以采集電壓，通過電壓小母線供該段母線上多個裝置以及自動裝置使用。如采用電子式電壓互感器，需要將電子式電壓互感器的信號接入專用電壓采集單元，通過IEC 60044專用接口將數據傳送至數字式保護測控裝置；數字式保護測控裝置需要有IEC 60044接口以接受電壓數字信號[9]。

電廠一段母線下多個保護測控裝置共用同一電壓信號，因此電壓采集單元需要多個IEC 60044專用接口，以點對點方式將數據傳送至該母線下每一臺數字式保護測控裝置，這樣將導致系統的復雜性大大增加，成本增加，維護工作量加大。同時，由于電壓互感器不存在選型的問題，也不存在類似于電流互感器飽和影響保護正確動作的情況，故電壓互感器可以不采用電子式，仍然為傳統的互感器。

3.5 間隔層測量計量

由于電子式電流互感器電流采用點對點傳輸方式至數字式保護測控裝置，不同于傳統電流互感器二次電流可通過電纜串接于多個設備，因此，一次設備所需的測量、計量功能需由數字式保護測控裝置提供，而無法通過加裝其他測量、計量儀表來實現。因此，數字式保護測控裝置須具備電流電壓功率測量、4～20 mA直流模擬量輸出、電能計量等功能，以滿足發電廠電氣運行的需要。

3.6 電子式電流互感器配置

LZC-12型電子式電流互感器，用于12kV及以下高壓開關柜中，與電子式儀表、微機測量保護設備配套使用，可同時實現測量信號、保護小信號輸出等功能，二次開路時不會產生高電壓。

4 結束語

電子式電流互感器可有效解決傳統電流互感器在發電廠廠用電使用中出現的易飽和、選型復雜的問題，替換方便；于此配合的數字式保護測控裝置集保護、控制、測量、計量等于一體，簡化了系統設計，提高了保護動作的可靠性。結合通信層和站控層組成的數字化發電廠電氣監控管理系統，可大大提高發電廠廠用電電氣科技含量和運行水平。

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