新型非常規互感器研究

廣東省輸變電工程公司 凌正茂

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新型非常規互感器研究

廣東省輸變電工程公司 凌正茂

【摘要】互感器分電流、電壓兩類，是電力系統中的常用設備，常用于把強電壓或大電流以一定比例轉化為安全范圍內的小電壓、小電流，從而實現測量儀表、保護設備及自動控制設備的安全使用。傳統的電流和電壓互感器是電磁感應式的，但隨著電力系統容量不斷增加，電磁式互感器逐漸暴露出一系列固有的缺點，已經慢慢不適應當今環境。本文旨在對新型電子式互感器進行原理性闡述，重點介紹非常規互感器，包括有源、無源類電子互感器。

【關鍵詞】電磁式互感器；有源非常規互感器；無源非常規互感器；羅科夫斯基線圈

引言

互感器的安全穩定運行與電網的安全息息相關，互感器實時采集電流、電壓數據，對各類風險進行辨識，防范可能出現的風險。傳統互感器均采用電磁感應結構，但近年來，隨著骨干網絡電壓等級的不斷提升，傳統電磁式互感器逐漸暴露出一系列缺點。

（1）產品結構復雜，絕緣難度大，特別是500kV以上，因絕緣而使互感器的體積、質量、價格提高。

（2）動態范圍小，當一次電流較大時，CT二次側會出現過飽和而發生畸變，保護裝置由于不能正確識別而產生誤動或拒動。

（3）電磁式互感器輸出的模擬量信號不能與數字化設備接口，需另外敷設電纜到相關設備。

（4）CT開路會產生高壓，危及人身和設備安全。

圖1　非常規互感器

隨著現代光電轉化技術、光通訊技術和信號交互處理技術的日益發展和成熟，電壓、電流等數字化信號的采集、傳輸、測量已經具有日益完善的模塊化結構。數字化采集系統由數字化互感器、數字合并單元和數字化測控裝置組成，彼此互聯采用光纜連接。其中用于采集的電壓和電流互感器是數字化采集系統的關鍵，圖1概括了目前非常規互感器的分類，及采用的主要技術原理。

1 有源非常規互感器

非常規類互感器主要采用羅科夫斯基線圈，以電容分壓或者電阻分壓的原理進行電壓、電流采集，這類互感器大都采用有源模式，由外置電源向傳感器頭供電。

1.1 羅科夫斯基線圈原理

羅科夫斯基線圈是一種較成熟的測量元件。其內部結構是一種空心環形的線圈，線圈可分為柔性和硬性兩種，將測量導線均勻的繞在被測量的導體上，再以非磁性材料做框架即構成了羅氏線圈，如下圖2所示。羅氏線圈對于電流測量具有很好的快速性，可以應用于傳統的電流測量裝置無法使用的場合。

圖2　羅科夫斯基線圈原理圖

羅氏線圈在被測導體內有電流流過時，根據其變化量在線圈中感應出一個變化的電流量i（t）。羅氏線圈不含鐵磁性材料，無磁滯效應，也沒有磁飽和拐點，被測電流范圍可從數安培到數百千安的電流；并且測試延時小，甚至可以捕捉及其短暫的納米級電流，幾乎為零的相位誤差；羅氏線圈在大電流的捕捉上，也是一種較敏感元件，由于它與被測電流直接沒有直接接觸，具有較寬的響應頻寬：0.1Hz-1MHz，可方便的對高壓回路進行隔離測量。在測量感應電壓時，根據線圈中流過的電流，線圈兩端即感應出電壓，若線圈匝數為n，線圈截面積為S，則線圈出的電壓大小為：

μ0為自由空間的導磁率。

式（1）表明羅氏線圈的感應電流與信號電流的微分成正比，經積分變換可計算出被測電流的大小。

1.2 有源電子式電壓互感器

有源電子式電壓互感器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，一般采用電容分壓或電阻分壓技術，利用電子模塊處理信號，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，使用光纖傳輸信號。電阻分壓器分壓后得到的小電壓與被測高電壓呈比例關系，直接輸出則可。由于技術成熟、體積小、造價低、可同時滿足測量和保護需求。進行電纜或開關設備試驗時不必斷開隔離，故廣泛應用與中壓開關設備。

圖3　電阻/電容型電壓變換器原理圖

2 無源非常規互感器

無源非常規互感器大都具有光電式結構，故又叫做光電式電壓／電流互感器，因為無需外置電源向光電電流互感器的傳感器頭供電，測量依靠光電轉換進行，被測信號在測量過程中發生法拉第磁光效應和塞格奈克效應，法拉第效應是光線在通過磁場等介質時，光的偏振方向發生旋轉，我們如果能夠測量出法拉第旋轉角，進而就可求出磁場強度。

法拉第效應原理：

當線偏振光在帶有磁光材料的介質中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強磁場，則光振動方向將發生偏轉，如圖4所示。偏轉角度θ與磁感應強度B和光穿越介質的長度l的乘積成正比，即θ=VBl，比例系數V稱為費爾德常數，與介質性質及光波頻率有關。偏轉方向取決于介質性質和磁場方向，稱為法拉第效應。

式中：V為費爾德常數，是光學材料特有屬性，H為磁場強度，L為磁光材料的介質內穿越長度。

圖4　法拉第磁光效應

電流i通過載流導體時，通電導體周圍存在磁場，同時光傳播路徑環繞著載流導體形成閉合回路。由安培環路定律可知：

其中，N是交鏈的磁鏈匝數；i為載流體的電流。θ為光路閉合后的旋轉角，與閉環內的電流大小有關。因此，由旋轉角θ可以反求出電流i。

3 無源互感器特點

與傳統電壓/電流互感器相比，無源非常規互感器具有以下的優點：

（1）互感器是滿足電網動態可觀測性、提高繼電保護可靠性和數字電力系統建設的基礎設備。它與測量儀表配合，對線路的電壓進行測量。與繼電保護配合對電力系統和電氣設備進行保護。

（2）電子式互感器的電壓測量通常采用電容分壓器、電流測量通常采用羅氏線圈。羅氏線圈用于測量不同頻率信號或諧波含量較大的信號時，需要配合積分器使用。電子式互感器由于不含鐵芯，不會發生磁飽和，短時過載

能力很強。無源電子式互感器一般不含積分器，只能用于固定頻率的正弦波電流測量。

無源非常規互感器又具有以下缺點：

（1）需要額外供電，采集單元安裝在與大地緊密相連的接地殼上。這種方式抗干擾能力強，更換維護方便，采集單元異常處理不需要一次系統停電。

（2）傳感頭部分有復雜而不穩定的光學系統，容易受到多種環境因素的影響，影響了實用化的進程，雖然各國學者不斷的提出新方法以提高測量準確度，備種方法都在實驗室條件下取得了一定成果，但現階段不同程度存在長期運行穩定性難以保證等影響，其研究還有待進一步深入。

近年來，隨著電網增容及變電站自動化改造的需求，在未來的幾年內，數字化互感器會在各種等級電網中大量安裝和使用。鑒于電子式互感器所具有的優勢，電子式互感器全面代替傳統的互感器是不可避免的。

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凌正茂（1988—），本科，助理工程師，現就職于廣東省輸變電工程公司，主要研究方向為變電站建設、測控保護、智能電網。

作者簡介：