電子式高壓電力互感器的發展現狀

郭小燕 胡旭喆 朱波濤

【摘要】隨著電力系統自動化、智能化和數字化的發展，傳統的電磁式電流互感器由于其自身傳感機理限制很難滿足電力系統發展要求。電子式高壓電力互感器取代傳統的電磁式互感器已成為發展的必然趨勢。本文論述了電子式高壓電力互感器的特點，介紹了電子式高壓電力互感器的分類，以及其在電力系統中的應用情況。

【關鍵詞】智能化;數字化;電子式高壓電力互感器

引言

互感器是為電力系統進行電能計量、測量、控制、保護等提供電流電壓信號的重要設備，其精度及可靠性與電力系統的安全、穩定和經濟運行密切相關。隨著電力工業發展，電力傳輸系統容量不斷增大，電網運行電壓等級不斷增高。高電壓、大電流的測量對于電力系統安全、經濟地運行具有重要的意義。準確地測量各種電壓、電流值是電能測量、繼電保護、系統監測診斷以及電力系統分析的前提條件。電子式互感器的諸多優點決定了其在數字化變電站的建設中發揮重要作用。

1.電子式高壓電力互感器的特點

國際電工委員會（IEC）制定了電子式電壓互感器標準IEC60044-7、電子式電流互感器標準IEC60044-8，按照標準，電子式互感器的含義包括所有的光電互感器及其他使用電子設備的互感器。根據IEC標準[1]，新型互感器統稱為電子式互感器。與傳統電力互感器相比，具有以下特點：

（1）絕緣結構簡單，體積小，重量輕。因無鐵心、絕緣油等，一般電子式互感器的重量只有電磁式互感器重量的1/10，便于運輸和安裝。

（2）不存在磁飽和與鐵磁諧振問題，能在很大的電流與電壓變化范圍內，以高速動作、準確、抗干擾的寬頻帶性能來測量電流、電壓。

（3）由于傳感和信號處理部分外形小和重量輕，可以裝入成套電器或成套配電裝置中，適應電力設備向集成化方向發展的趨勢。

（4）采用光纖或其它加強絕緣方式實現高電壓回路與二次低壓回路在電氣上的完全隔離，消除這些回路不希望有的相互影響，保護了二次設備和工作人員的安全。

（5）適應了繼電保護裝置（包括微機保護）的發展。利用故障時的暫態信號量作為保護判斷，是微機保護的發展方向，對互感器的線性度、動態特性等都有較高的要求，電子式互感器的出現滿足了這一要求。

（6）有利于實現變電站數字化、光纖化和智能化。電子式互感器的信號和傳輸形式都可以采用光纜（光纖）實現，而光信號的突出優點和光纖通信技術的廣泛采用使得變電站內部以及和上級站之間的數據傳輸更加可靠和迅速。

2.電子式高壓電力互感器的類別

電子式高壓電力互感器有兩個主要類別：光學電子式互感器和混合電子式互感器。

2.1 光學電子式互感器

光學電子式互感器的電流測量原理包括磁致伸縮效應、Faraday效應、Kerr效應和逆壓磁效應等，電壓測量原理包括Pockels效應、Kerr效應和逆壓電效應等。其中利用Faraday效應測量電流和Pockels效應測量電壓的方法最直接，裝置最簡單、精度高，所以應用范圍最廣[2]。

我國對光學互感器的研究，沈陽變壓器研究所從上世紀70年代開始研究，以后在清華大學協助下于1979年研制出第一臺樣機，并先后研制出三臺樣機，在220KV線路上試運行，后來于1984年退出運行。國家對光學電子式互感器的研究工作非常重視，將其列為“七五”、“八五”重點研究項目。先后有清華大學、華中科技大學、哈爾濱工業大學等多家科研院校相繼從事過光學電子式互感器方面的研究。其中華中理工大學研制的計量用光學電流互感器于1993年在廣東新會110kV電網試運行，盡管未達到計量目標，但標志著我國的光學互感器研究已向實用化邁進[3]。

2.2 混合電子式互感器

混合電子式互感器是指采用Rogowski線圈、帶鐵心的低功率電流互感器、霍爾器件以及分壓器等作為傳感器，利用光纖完成從高壓端到低壓端的數據傳輸，通常高壓傳感部分需要電源供能的各類電子式互感器。從上世紀九十年代開始，混合電子式互感器作為傳統互感器的一種替代產品，受到人們關注[2]。

國內對混合電子式互感器的研究開始九十年代中后期，從事研究的單位有：清華大學、華中科技大學、大連理工大學、西安交通大學和華北電力大學等[7]。研究涉及了高壓GIS裝置和戶外高壓互感器等方面的應用，經過近十年的發展，積累了一定的試驗和現場運行經驗。近年來，隨著傳感頭的工業化設計，高壓端電源設計，數據調制傳輸方案確定，標準化接口設計、電磁兼容和可靠性設計以及系統誤差補償等問題的提出和研究的深入，越來越多的混合電子式互感器樣機已進入或準備進入掛網試運行階段，這標志著我國的混合電子式互感器的研究正逐步進入實用化。

3.電子式高壓電力互感器在電力系統中的應用

目前，在電力系統中廣泛應用的以微處理器為基礎的數字保護裝置、計量測試儀表、運行監控系統以及發電機勵磁控制裝置，都要求采用低功率、緊湊型的電壓和電流互感器代替常規的電壓和電流互感器，電子式高壓電力互感器對電力系統特別是提高設備的安全性和可靠性具有重要意義。

3.1 電網動態觀測

以相量測量單元（ PMU）為基礎的廣域測量系統（WAMS）。PMU的前端是基本的電流和電壓測量，電流互感器和電壓互感器的動態測量精度是準確觀測電網動態過程的基礎。傳統的電磁式電流互感器不能很好滿足動態測量的要求。Faraday磁旋光效應電流互感器，具有大范圍的線性測量能力，不存在測量頻帶問題，是理想的動態測量裝置。

3.2 電子式互感器對繼電保護的影響

高可靠的保護原理依賴高精度測量，特別是故障情況下的動態測量。傳統的電磁式互感器動態測量能力差，尤其是電流互感器。具有準確動態測量能力的電子式互感器，不僅能夠準確測量故障的基波，而且能夠準確測量非周期分量和各次諧波。一方面，在確保可靠性的基礎上，可以簡化現行保護裝置的保護邏輯和判據，另一方面，在充分利用準確故障動態信息的基礎上，可以產生實用化價值的保護新原理，比如利用非周期分量和各次諧波分量準確測量的保護方法。目前已經有了電子式互感器為測量基礎的保護裝置的掛網運行案例。

以光學互感器為基礎，未來可能會實現光學保護的概念：按照保護原理光強信號直接運算和判定。光學保護將具有更高的可靠性和快速性。

3.3 電子式互感器在數字化變電站中的應用

準確的電流/電壓動態測量，可以為提高電力系統錄波、測距和定位的準確性和可靠性奠定測量基礎。電子式互感器是數字變電站和數字化電力系統的測量來源。

目前研究較為成熟并投入變電站運行的主要是有源電子式互感器，應用場合主要有高壓直流輸電、SF6氣體絕緣開關（ GIS） 及中低壓開關柜等。國內已有數十個應用了電子式互感器的數字化變電站成功運行，如：在太行山區35kV 變電站運行的OCT（光學電流互感器） 和在黑龍江省黑河市110kV 變電站運行的OCT（光學電流互感器）等，這將給國內乃至國際變電站的自動化運行和管理帶來深遠影響和變革，具有非常重大的技術和經濟意義。

4.結論與展望

電子式互感器的誕生是互感器傳感準確化、傳輸光纖化和輸出數字化發展趨勢的必然結果。電子式電流互感器是電網動態觀測、提高繼電保護可靠性和數字電力系統建設的基礎裝備，將在現代電力系統中發揮重要的基礎測量作用。電子式互感器以其高精度、高可靠性、寬頻帶等特點和在實際應用中表現的優良特性表明電子式互感器將成為未來互感器發展的主流方向。

參考文獻

[1]李紅斌，余春雨，葉國雄，等.電子式互感器數字輸出的研究[J].高電壓技術，2004，30（2）：10-12.

[2]殷志良，劉萬順，楊奇遜，等.基于IEC 61850標準的采樣值傳輸模型構建及映射實現[J].電力系統自動化，2004，28（21）：38-42.

[3]段雄英，鄒積巖，廖敏夫，等.小波變換在電子式電力互感器誤差校正中的應用[J].電工技術學報，2002，17（6）：93-96.