電子式互感器可靠性分析研究

侯曉一+關煥新

摘 要：基于對電壓、電流的精確測量，電子式互感器即是實現變電站運行實時信息數字化的主要設備之一，在電網動態(tài)觀測、提高繼電保護可靠性等方面具有重要作用，是提高電力系統(tǒng)運行控制整體水平的基礎。現階段，電子式互感器存在運行缺陷和故障問題，其中最為突出的是現場電磁環(huán)境影響問題。因此，本文提出幾個電子式互感器電磁環(huán)境干擾問題的解決方法，提高電子式互感器運行的可靠性與穩(wěn)定性。

關鍵詞：智能變電站；電子式互感器；合并單元

從智能變電站的分層結構角度來看，電子式互感器作為整個結構中的關鍵設備，它的穩(wěn)定性對于整個變電站運行的檢測控制等關鍵性的作用，電子式互感器把高電壓和大電流直接轉化為可以測量的范圍，并會傳遞到間隔層智能設備。鑒于電子式互感器的突出作用和重要性，國家電網公司從2011年起制定了性能檢測試驗，推動電子式互感器更快更好地發(fā)展。此試驗標準要求更高，更加符合試驗掛網運行的實際情況。

智能變電站是堅強智能電網的重要組成部分，電子式互感器是智能變電站的關鍵設備之一。據國家電網公司對電子式互感器的應用現狀統(tǒng)計表明，電子式互感器僅占所有在運互感器的0.48%，運行可靠性問題嚴重，其中溫度，濕度，現場電磁環(huán)境的適應問題，阻礙了電子式互感器的進一步推廣。

電子式互感器具有高準確度、結構簡單、暫態(tài)響應范圍大、無磁飽和及鐵磁諧振等傳統(tǒng)電磁式互感器所不具備的優(yōu)點。隨著智能電網的發(fā)展，電子式互感器己成為智能變電站的關健設備，采用電子式互感器己成為智能變電站的重要特征之一。電子式互感器按傳感原理可分為無源型和有源型兩大類，其中包括基于Faraday磁光效應的無源型電子式電流互感器和基于Pockels電光效應的無源型電子式電壓互感器，以及采用Rogowski線圈或LPCT線圈的有源型電子式電流互感器和采用分壓器的有源型電子式電壓互感器。若按結構分類，電子式電流互感器可分為支柱式、懸掛式、GIS型、套管型和澆注型；電子式電壓互感器可分為支柱式、GIS型和澆注型。

電力設備的安全可靠運行是電力系統(tǒng)的基本要求，電子式互感器現階段最為突出的仍是其可靠性的問題，采用新技術的電子式電壓、電流互感器的可靠性還有待進一步分析研究。目前國內外對運行在電子式互感器的可靠性分析研究工作比較少。經過多年的試用實踐，電子式互感器技術優(yōu)勢已在一些典型的電站上得到驗證。但在技術進步效果明顯的同時，擴展應用也面臨新的問題，電子式互感器現階段最為突出的是可靠性的問題，最集中的表現是在溫度，濕度，振動及應對惡劣的電磁環(huán)境上。現今，國內外從標準體系，試驗方法到設計規(guī)范，尚未完全意識到電站特殊電磁干擾的嚴重性，至今還沒有專門針對高電壓電站電磁干擾方面的系統(tǒng)試驗和理論研究，導致的結果是電子式互感器的工業(yè)標準中缺少與電站實際操作等效的試驗標準與評測方法。

下面介紹電子式互感器可靠性提高的幾個關鍵問題。

（1）采取等電位屏蔽小電容分壓器，進而改善EVT耐受暫態(tài)過電壓的能力。提出帶等電位梯度屏蔽結構的小容量EVT分壓器結構，減少大氣過電壓、操作過電壓對EVT二次系統(tǒng)的影響程度；有效降低EVT傳感器電容量，提高主絕緣可靠性；減少系統(tǒng)暫態(tài)過程中通過耦合電容器的脈沖電流，降低因地電位升高導致的采集單元故障率；提高分壓器有機絕緣件壽命和安全可靠性；提高EVT整體的可靠性，解決當前EVT運行過程中出現的故障問題，有利于電網的安全穩(wěn)定運行。

（2）提高ECT暫態(tài)特性試驗方法和能力建設，完善暫態(tài)特性試驗。目前針對ECT的暫態(tài)特性試驗己提出了ECT暫態(tài)特性合成試驗方法，研制了TPE級電子式電流互感器暫態(tài)特性等安匝合成試驗裝置，其一次穩(wěn)態(tài)電流為50kAT，一次暫態(tài)電流峰值為40kAT，一次時間常數為200ms。今后仍需大力開展電子式互感器檢測關鍵技術研究工作，為電子式互感器的性能提升與穩(wěn)定運行提供技術支撐。

（3）改善電子式互感器二次部分的可靠性與互換性。采用具有自校準功能的多冗余的采集器設計，改善電子式互感器的可靠性和互換性。采集器實現狀態(tài)維護（熱插接）的功能，可在線更換任何一個故障或工作異常的模塊，非故障模塊自動進入工作狀態(tài)，不影響電子式互感器正常的計量、測量和保護功能。采集器在線實現自動調節(jié)與誤差校定的功能模式，即實現二次系統(tǒng)更換后的正常功能恢復技術。

（4）完善合并單元檢測可以進一步提高電子式互感器整體運行可靠性。在采集器與合并單元之間設置檢測點，開展合并單元專業(yè)檢測，增加電子式互感器整體試驗中未覆蓋到的檢測項目，可以對電子式互感器整體試驗形成有效補充，降低電子式互感器整體應用的風險。

對合并單元而言，插值算法、軟件積分以及對輸入信號異常的處理機制是影響其數據傳變準確性的因素，具體的影響如下：

第一，插值算法的影響

合并單元負責接收多路采集器和級聯(lián)的數據，多路數據是異步采集、異步傳輸，合并單元通過插值算法對其進行同步處理。插值同步是合并單元的一個重要技術環(huán)節(jié)，對合并單元最終的采樣率、帶寬、幅值、相位、時間特性、頻率特性都產生直接影響。因此，需要對合并單元施加多路異步數據，考核合并單元多路采樣數據的同步性，考核基波和高頻信號的幅值誤差、相位誤差、頻率誤差和復合誤差，為合并單元采用的各類插值算法進行把關。

第二，暫態(tài)信號的影響

電子式互感器合并單元對暫態(tài)信號的傳變精度影響較大，針對合并單元展開暫態(tài)測試，保證其暫態(tài)信號傳變能力，對控制電子式互感器整體暫態(tài)性能有所幫助。

羅氏線圈輸出一次電流微分信號，需要通過積分還原信號。合并單元采用軟件積分時會影響其暫態(tài)性能，需要對合并單元施加各類不同短路幅值、合閘角度、衰減時間常數、持續(xù)時間的暫態(tài)信號，以測試合并單元的暫態(tài)特性。

第三，高頻信號的影響

當采集器的采樣率高于合并單元的輸出采樣率（如80點每周波）時，數字量的傳變會產生帶寬變窄的情況，但合并單元需要保證最終輸出信號不產生頻率混疊。因此，需要對合并單元開展抗頻率混疊試驗。

第四，光強變化的影響

由于器件、光纖等的老化和環(huán)境的累積影響，電子式互感器采集器的輸出光強會逐漸降低。合并單元在設計的光強范圍內應能準確接收數據，需要開展光強裕度和靈敏度測試。

第五，數字信號異常的影響

當電子式互感器采集器由于硬件、軟件、通信鏈路不穩(wěn)定或其他原因發(fā)生瞬時或間斷性異常時，可能造成數字報文出現錯誤幀、丟幀、粘幀或狀態(tài)標變位等異常情況，需要模擬各種異常情況，測試合并單元的容錯機制和異常判別機制。

第六，其他影響

根據積累的現場經驗，也存在以下幾種情況：

電子式互感器本體數據異常時合并單元的處理機制不同，采樣數據品質位設置混亂。

電子式互感器存在電壓與電流之間在級聯(lián)后同步超差的情況。

合并單元的額定延時配置對電子式互感器整體絕對延時的影響。

就現階段而言，針對合并單元開展測試可以完善和提升電子式互感器整體性能，提高電子式互感器現場運行的穩(wěn)定性。

在開展合并單元測試和電子式互感器整體測試的同時，檢測機構應積極溝通、互相配合，融合合并單元與電子式互感器的測試項目和測試方法，最終實現電子式互感器一體化測試，提升電子式互感器的性能和質量。endprint