電子式互感器在數字化變電站中的應用

姜立憲 劉慶剛

摘要：變電站的數字化是一種發展趨勢，數字化變電站指信息采集、傳輸、處理、輸出過程完全數字化的變電站，數字信號可以用光纖傳輸，從根本上解決抗干擾問題。電子式互感器的優越性在于能夠直接提供數字信號給計量保護裝置，可簡化二次設備，提高整個系統的準確度和可靠性。隨著電力系統的不斷發展，新一代電子式互感器逐漸取代了傳統CT，使得電力系統的運行狀態更穩定、更高效。本文重點介紹了電子式互感器的原理、特點及其在數字化變電站中的應用。

關鍵詞：數字化變電站 ?電子互感器 ?羅氏線圈

0 引言

隨著社會經濟的持續發展，人們對電能的需求越來越多，輸電系統不斷擴容，同時不斷提升運行電壓等級，以往電磁式電流、電壓互感器或電容式電壓互感器，暴露出如絕緣要求高、磁飽和、鐵磁諧振、動態范圍小、頻帶窄以及有油易燃、易爆炸等一系列缺點。電子式互感器是采用磁光、電光變換原理或由無鐵芯線圈構成的新型互感器，能夠向計量保護裝置直接傳輸數字信號，在保證電力系統穩定、高效運行的同時精簡了二次設備[1]。目前，數字化和信息化已延伸到了電力系統中，電力系統升級改造勢在

必行。而當前，各種自動化變電站和各個市區、鄉鎮的電

網系統改造已開始使用電子式互感器這種先進的數字系統。[2][3]。

1 電子式互感器的基本原理

1.1 電子式電流互感器原理

當前，中壓領域（40.5kV及以下）的電子式電流互感器原理主要有兩種：羅氏線圈[4]互感器和低功率線圈互感器。

■

圖1 ?羅氏線圈電流互感器原理

圖1為羅氏線圈電子式電流互感器原理，它由羅氏線圈、積分器、A/D轉換等單元構成，把一次側大電流轉換為二次的低電壓模擬量輸出或數字量輸出。由沒有磁飽和的羅氏線圈得到與一次電流I1的時間微分成比例的二次電壓E2，將該二次電壓E2進行積分處理，得到與一次電流成比例的電壓信號。

將模擬積分和數字積分技術應用在二次回路中，輔以去除直流偏置回路及不完全積分器技術，經過數據計算，攻克了因直流偏置造成積分值急劇增大的技術難題，同時保證了作為疊加值DC分量的電流信號客觀可靠， 在電流互感器的控制下，不完全積分器始終在合理的數值范圍內浮動。二次回路也應用了抑制雷電過電壓及操作過電壓的技術措施，使互感器更加耐沖擊。采用電磁兼容設計技術供給電源，并輸送主訊號，有效改進新型互感器抗干擾性能，從而使之高效、穩定的完成運行工作。

■

圖2 ?低功率線圈電流互感器原理圖

由低功率線圈組成的電子式電流互感器原理詳見圖2。圖中，Ra表示分流電阻，I1表示一次電流，I2表示二次電流，U2表示二次電流I2在分流電阻Ra兩端的電壓降。

從該裝置的構造和應用特點可預見經典感應電流互感器的未來發展趨勢。它的主體構造包括一次繞組、小鐵芯、損耗最小化的二次繞。二次繞組與Ra相連。在電流互感器主體構造中，Ra采用一體化設計，能使互感器的功率效率近似零值。U2與I1成比例，按照運行要求，U2的取值范圍要求在0～5V之間。與以往所用的互感器裝置相比，新型互感器的電流測量范圍更大，并且具有測量功能和保護功能，功能較以往而言有所改進。

1.2 電子式電壓互感器原理

目前中壓領域（40.5kV及以下）的電子式電壓互感器主要采用了電阻分壓原理的電壓互感器，如圖3所示。

■

圖3 ?電子式電壓互感器分壓原理

新型電子互感器的高、低壓電阻均經過優化設計，并且應用了高性能分壓器，兼具測量與保護功能，測量精度0.2級，保護級3P級。電子式電壓互感器的二次電壓與一次電壓成正比關系，二次電壓取值范圍為0-5V，基于與二次智能化設備接口，實現數字化、智能化的測量保護功能。并且該裝置內部無鐵芯，因而不會引起鐵磁諧振。

2 電子式互感器的特點

①與傳統互感器相比較，電子式互感器的測量范圍更廣， 并且不存在電磁飽和的問題。

②無油，不存在爆炸的風險。

③體積小，重量輕，所需空間小，安裝流程簡單。尤其是光電互感器，它的重量通常只有電磁式電流/電壓互感器重量的1/10。

④不存在電磁輻射的問題。運行時，能源利用率高，消耗小，迎合了當前綠色發展的主題。

⑤具有良好的絕緣性能，補漏電;高低壓完全隔離，具有優良的絕緣性能和優越的性價比，安全性高。

⑥信號傳輸系統具有高強抗輻射干擾、抗電磁干擾性能，受地電位影響小，頻帶寬，并且在提高傳輸速率的前提下進行了擴容，通訊質量良好，有利于實現電力系統自動化改造標準。

⑦便于組網，其內部結構的設計迎合了數字電網的發展要求。

⑧不存在二次保護電抗信號輸入干擾的問題，能保證電網穩定運行，對實現電網自動化改造目標有積極的意義。

⑨二次設備的安全性、可靠性基本達標，因而可省去儀表保安系統的設計。

⑩二次設備不用承受動熱穩定電流，設備運行成本大幅縮減。

■不必大量施作二次電纜，省材又省工。

■電子式電壓互感器、電子式電流互感器不存在開路和短路問題，從而提高了系統的穩定性和安全性。

3 電子式互感器的應用

電子式電流電壓互感器是一種可計量電壓電流參量，兼具測量、保護功能的新型電力設備。電子式電流互感器可達到測量級0.2或0.2S級，保護級5P級;電子式電壓互感器可達到測量級0.2級，保護級3P級。電子式互感器輸出數字信號，信號輸送與二次設備處理都不會產生附加誤差，進一步提高了測量精度，保護功能也有所改進。數字智能電網改造與建設已是大勢所趨，并且電子式互感器的應用也將成為智能電網一個未來發展趨勢。

在電網自動化升級改造中，智能開關設備與光電式互感器機電一體化設備的研發與應用，使智能電網迎來了數字時代。在高壓和超高壓變電站中，電力數據的測控與保護、故障錄波，以及A/D變換、光隔離器件、控制操作回路等其他自動裝置的I/O單元，都將成為智能一次設備的主題架構。智能一次設備中的控制回路和傳感器均采用數字化設計。而在中低壓變電站則將保護、監控裝置小型化、緊湊化，完整地安裝在開關柜上，實現了變電站機電一體化設計。

從物理角度來分析，數字化變電站自動化系統主要由智能化的一次設備與網絡化的二次設備組成。以一個間隔為例，其結構拓撲圖如圖4。

在電子式互感器下邊采用光電采集部分。采用的是TI公司生產的高性能數字處理芯片[5]DSP2407，該芯片可提供40MHz的處理速度，同時采用128點采樣，這樣提高了系統的精確度。經過數字處理芯片的邏輯控制后，通過光纖將電流和電壓的數字信號傳輸到主控室的保護屏上。采用雙看門狗的結構方式，提高系統的穩定性。同時通過對電源回路進行檢測，提高系統的可靠性。采用光纖的傳輸方式后，提高了系統運行過程中的抗干擾能力。簡化了系統的接線方式，同時節省了投運成本。工作電源部分采用可靠性極高的寬溫高容量穩壓電源，提高了電源部分的穩定性，也就提高了系統在運行過程中的穩定性。

■

圖4 ?數字化變電站拓撲圖

4 結論

綜上所述，新型電子式互感器在電網系統智能化、數字化的升級改造中的應用，可以說是提高電網服務與運行質量的一次大膽嘗試，對改進電網運行質量，提高電力數據輸送的穩定性和安全性有積極的意義，并且這也是國內互感器行業的一次頗具轟動效果得技術革命。

電子式互感器體積小、重量輕，能很方便地將其置于各種小型化電器成套設備中，這對減少變電站占地面積、減少設備制造、運輸、包裝成本、減少對資源的占用，降低變電站建設和運營維護成本，實現資源的合理配置都具有重要的現實意義和深遠的歷史意義。

電子式電流電壓互感器的發展正處于產業化發展的初期，它的廣泛使用還將帶動相關行業的發展，其產業化前景極為廣闊。

參考文獻：

[1]閻石.數字電子技術基礎（第四版）[M].北京：高等教育出版社，1998.

[2]國家標準互感器第7部分：電子式電壓互感器[M].北京：中國標準出版社，2007.

[3]國家標準互感器第8部分：電子式電流互感器[M].北京：中國標準出版社，2007.

[4]國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 20840.8-2007互感器第八部分：電子式電流互感器[S].北京：中國標準化出版社，2007.

[5]李瑋，宋毅.一種基于DSP+FPGA的高速數據采集系統設計[J].中國集成電路，2010（04）.