低溫環境對電子式互感器的影響及應對措施分析

王志偉，于春來，于東洋，劉 彬，劉 翔

(1.國網黑龍江省電力有限公司，哈爾濱 150000;2.國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱 150030;3.中國電力科學研究院，武漢 430074)

低溫環境對電子式互感器的影響及應對措施分析

王志偉1，于春來2，于東洋2，劉 彬3，劉 翔3

(1.國網黑龍江省電力有限公司，哈爾濱 150000;2.國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱 150030;3.中國電力科學研究院，武漢 430074)

電子式互感器是智能變電站中的核心元件，發揮著至關重要的作用。但相對于傳統電磁式互感器,電子式互感器對溫度的影響較為敏感，在低溫地區應用時容易出現精度和可靠性下降的問題。本文針對電子式互感器在低溫環境下的應用問題，通過實驗測試了典型電子式互感器在低溫環境下的運行規律，并在實驗的基礎上提出應對低溫電子式互感器性能下降問題的措施及研究方向。

互感器；低溫；電力設備

隨著智能電網以及智能變電站建設進程的逐步推進，電子式互感器由于體積小、重量輕、結構簡單的優點，在電力領域得到了廣泛的應用[1]。但是，通過近年來電子式互感器在低溫地區的應用，發現電子式互感器在低溫環境下會出現精度降低、故障率高、可靠性下降的問題，需要對低溫環境下電子式互感器的影響機理進行分析，研究低溫環境下電子式互感器關鍵元件的性能變化規律，并從工程運行實際需要角度出發，提出相應的管理措施和技術措施,提高電子式互感器的抗低溫能力，促進低溫地區電子式互感器的應用，推進我國智能變電站和智能電網的應用和技術的提升。

1 電子式互感器的種類和結構特點

近幾十年來,隨著光學傳感技術、電子技術、光纖通信技術等迅猛發展，電子式電流互感器(Electronic Current Transformer, ECT)和電子式電壓互感器(Electronic Voltage Transformer, EVT)得到了快速發展。相對于傳統的電磁式互感器，電子式互感器由于具有優良的絕緣性能、無飽和特性、抗電磁干擾性能好、動態范圍大、測量精度高、體積小、質量輕等諸多優點，已經成為智能電網的關鍵設備。

電流互感器通常分為有源式電流互感器和無源式電流互感器，其中有源式電流互感器通常由互感器高壓側的發射機部分、低電壓側的接收機部分、絕緣結構及光纖傳輸部分、供能模塊這4個部分組成。高壓側可采用低功率電流互感器或者羅柯夫斯基線圈采樣,經過一系列信號處理(模數轉換或壓頻轉換等)轉換成數字信號,再通過電光轉換經由光纖將光信號傳送到與低壓側相連的接收機,進行光電轉換及數據處理。有源電子式電流互感器需要向高壓側的有源電子電路供電,高壓側的電子器件供電成為有源電子式電流互感器測量系統的一項關鍵技術。目前主要有：線圈從母線采電的供能方式、高壓電容分壓器的供電方式、激光供能方式等[2]。

無源電子式電流互感器多采用法拉第效應,即所謂的磁光效應,故稱為磁光式電流互感器(Magneto-Optic Current Transformer, MOCT)。磁光式電流互感器有二大類:一類是全光纖式的,其光纖本身就是傳感元件;另一類是混合式的,它的傳感頭是一塊玻璃晶體,光纖只起傳輸光信號的作用[3- 5]。

2 無源電子式互感器環境適應實驗方法

由上述分析可知，電子式互感器受溫度影響的環節比較多，在設計過程中需要充分考慮各方面的因素，在實驗驗證過程中更要全面考核其溫度特性。根據 GB/T 20840.8-2007《電子式電流互感器》標準要求，電子式電流互感器的溫度循環測試方法如圖1所示。

圖1 GB/T 20840.8-2007 所規定的電子式電流互感器溫度循環試驗Fig.1 Temperature cycling test of electroniccurrent transformer specified in GB/T 20840.8-2007

而在國家電網公司組織制定的《電子式互感器性能檢測方案》中，規定的溫度循環試驗如圖2所示。由圖2可知：國家電網公司制定的方案在國標的基礎上提高試驗要求，在溫度升溫和降溫過程中增加一個測量點，即測量點2、6、8、12，由國標規定的11個測量點增加至15個測量點。溫度的變化速率規定為10 K/h，時間常數規定為 2 h。

圖2 《電子式互感器性能檢測方案》規定的溫度循環試驗Fig.2 Temperature cycling test prescribed by ElectronicTransformer Performance Test Program

為了提出能夠考核電子式互感器溫度可靠性的試驗方法，必須充分研究電子式電流互感器在全溫度范圍內的誤差特性，為此制定了實施方案如下：

1)選取為通過型式試驗或性能檢測溫度循環項目的110 kV有源電子式電流互感器、無源電子式電流互感器，測量誤差在長時間(至少10 min)內波動不超過相應誤差限值的一半。

2)在-40～+70℃溫度范圍內，以20 K/h的溫度變化速率，從環境溫度升溫開始，每隔20 min 對電子式互感器測量一次誤差，測量點包括100%與5%額定電流，每個點測量時間為2 min。直到電子式互感器測量誤差穩定。

3)對整個溫度循環過程所有測量點誤差數據的平均值、最大值、最小值進行統計，全面分析、掌握電子式互感器的溫度特性。

3 溫度適應性實驗研究

選取了110 kV額定電流為600 A戶外支柱式結構的有源電子式電流互感器和無源電子式電流互感器各1臺，按上述實施方案進行試驗測試。

3.1 有源電子式互感器

在各種溫度變化速率下共進行了5次溫度循環測試，溫度變化速率為：5、10、20、30 K/h。測試部分結果如圖3、圖4和表1所示，其中測量通道為低功耗線圈，保護通道為空心線圈，通過測量溫度對誤差值進行補償。

根據測試結果，不同電流的影響趨勢基本一致，在100%額定電流下測量通道比差值受溫度影響最大，相差受溫度變化影響較??； 5%額定電流下比差、 相差均受溫度影響， 但由于本身的波動性較大，表現不明顯；在100%額定電流下保護通道比差值在低溫下有變化，相差受溫度變化影響比較明顯，但相對誤差限值要求來說，變化量均非常小。

圖3 溫度變化速率為 5K/h 時誤差曲線Fig.3 Error curves at temperature change rate of 5 K/h

圖4 溫度變化速率為 30K/h 時誤差曲線Fig.4 Error curves at temperature change rate of 30 K/h

不同溫度速率對誤差的影響首先表現在：在以 5 K/h 的溫度變化速率進行測試時，測試溫度升到+80 ℃，測試無異常；當測試溫度降至-50 ℃過程中，測量的數據出現較大的抖動，經過一段時間后仍無法穩定。分析原因是由于目前電子式互感器采用是的是工業級的電子器件，器件普遍工作溫度在-40～+70 ℃范圍內，當達到+80 ℃和-50 ℃時已超出器件的的正常工作范圍。另外，在30 K/h時最大值出現較大的變化，可見不同溫度變化速率對溫度循環的測量結果有影響。經過試驗后分析是由于在大變化速率下溫度補償系統工作不穩定所致。

3.2 無源電子式互感器

根據第2節中的試驗方法進行試驗，實驗結果如圖5、圖6和表1所示。

由溫度循環誤差曲線可知，在各種溫度變化速率下的溫度趨勢基本一致，在100 %額定電流下測量通道和保護通道比差值一致，是由于采用的是同一傳感器的信號，受溫度影響比較明顯，但保護通道相差受溫度變化影響大于測量通道；5 %額定電流下比差、相差均受溫度影響，但由于本身的波動性較大，除高溫區保護通道誤差較高外，通道之間的區別表現不明顯。

圖5 溫度變化速率為 5 K/h 時誤差曲線Fig.5 Error curves at temperature change rate of 5 K/h

圖6 溫度變化速率為 305 K/h 時誤差曲線Fig 6 Error curves at temperature change rate of 305 K/h

3.3 測試結果分析

測試結果如表1所示。

表1電子式互感器的誤差極限

Table1Electronictransformererrorlimits

溫度變化誤差變化范圍無源式電子式互感器有源式電子式互感器比差/%相差/(')比差/%相差/(')5K/h最大值0.1040.10.1085.2最小值-0.094-0.70.032-7.210K/h最大值0.0890.20.1264.5最小值-0.107-0.80.023-11.820K/h最大值0.0820.40.0874.2最小值-0.092-0.80.021-8.730K/h最大值0.0620.80.0975.3最小值-0.098-0.50.037-11.8

根據測試結果可知，在相同的溫度范圍內，不同的溫度變化速率對電子互感器誤差帶寬曲線影響不大，因此溫度的變化速率可選擇典型的速率進行即可，要求不低于5 K/h。考慮到由于目前電子式互感器均采用了較多的補償手段，典型的如采用溫度傳感器測溫進行修正，溫度變化速率越快，對補償的要求更嚴苛，因此推薦采用20 K/h或更高的溫變速率進行試驗。

熱時間常數由制造方根據不同的電子式互感器結構原理所計算或測試所得，并根據其進行試驗，如本項目選取的支柱式電子式互感器時間常數約為1.5 h，因此在試驗最高與最低溫保持時間約4.5 h即可，這樣可以得到較穩定的低溫實驗結果。

4 電子式互感器應對低溫措施

根據實驗結果，總體上電子式互感器對低溫的耐受能力是較弱的。因此建議從以下幾個方面采取措施提高電子式互感器的耐低溫能力。

4.1 提高電子器件的耐候能力

根據目前電子式互感器采用工業級芯片的情況，建議選擇的最大溫度范圍為-40～+70 ℃,當需要應用在更寬的溫度范圍時，應重新設計與器件選型。

4.2 提高電子式互感器溫度補償能力

實驗中發現，溫度補償功能能夠部分校正溫度對互感器的影響、補償溫度變化造成的測試精度下降問題，但在大溫差變化情況下，補償的效果較差。需要在設計溫度補償和進行溫度補償過程中，不僅要實現穩定狀態下的溫度補償，還要滿足在動態情況下的溫度補償。

4.3 提高電子式互感器溫度環境控制能力

如果能夠對電子式互感器實現溫度保持控制，實現主要元件的恒溫工作條件就能夠從根本上隔絕戶外環境與溫度敏感元件之間的作用。其本質就是要提高高壓側電子式互感器的供電能力，以此實現制冷或者制熱來實現主要原件的恒溫工作。但目前傳統的供電方式無法滿足需要，目前黑龍江電科院正在開展無線輸電技術的研究，預計將實現較大功率的電子式互感器的供電。

4.4 提高電子式互感器檢測能力

通過實驗可以發現，不同的實驗條件對電子式互感器的影響是不同的，因此需要進一步細化和明確實驗條件，把好入網檢測關，保證在低溫地區使用的電子式互感器都經過嚴格而科學的檢驗。

5 結 論

實驗表明，溫度變化速率的不同，對電子式互感器在全溫度范圍內的誤差曲線有較大的影響，尤其是通過測溫對誤差特性進行修正的產品。需要在電子器件的抗低溫能力、溫度補償系統、供電系統、溫度環境控制能力等方面開展相關研究，提高低溫環境下電子式互感器的運行準確性和可靠性，推進智能電網在低溫地區的應用。

[1] 易斌,潘峰,林國營，等. 電子式互感器校驗技術綜述[J]. 廣東電力, 2016, 29(2):1-8.

YI Bin, PAN Feng, LIN Guoying, et al. Summary on calibration technology for electronic transformer[J]. Guangdong Electric Power, 2016, 29(2):1-8.

[2] 羅承沐,張貴新,王鵬. 電子式互感器及其技術發展現狀[J]. 電力設備,2007,8(1):20-24.

LUO Chengmu, ZHANG Guixin, WANG Peng. Electronic type instrument transformer and its present technical development manner[J]. Electrical Equipment, 2007, 8(1): 20-24.

[3] MISRA R B. Reliability assessment for static electricity meters[C]// Ninth International Conference on Metering and Tariffs for Energy Supply (Conf. Publ. No. 462). 1999:151-155.

[4] YANG K, XUE J. Continuous state reliability analyis [C]//Proceedings Annual Reliability and Maintainability Symposium.1996:251-257.

[5] ZUO M J , JIANG R Y, YAM R C M. Approaches for reliability modeling of continuous State devices[J].IEEE Transaction on Rellability, 1999, 48(1):9-18

Analysis of the influence of low temperature environment on electronic transformer and its countermeasures

WANG Zhiwei1，YU Chunlai2，YU Dongyang2，LIU Bin3，LIU Xiang3

(1. State Grid Heilongjiang Electric Power Co., Ltd., Harbin 150000, China; 2. Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co. Ltd., Harbin 150030, China;3. China Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, China)

Electronic transformers are the key components in smart substation and play a crucial role. However, compared with traditional electromagnetic transformers, electronic transformers are more sensitive to temperature. When used in low-temperature regions, accuracy and reliability are liable to drop. In this paper, in terms of the application of electronic transformers in low temperature environment, the typical electronic transformer’s operating law is tested in low-temperature environment through experiment, and measures to deal with performance degradation for low-temperature electronic transformer are put forward as well as the research direction on the basis of the experiment.

transformer; low-temperature; power equipment

2017-03-13；

2017-11-09。

王志偉(1970—)，男，高級工程師，現從事電力管理和輸變電設備運行工作。

TM451

A

2095-6843(2017)06-0511-05

(編輯陳銀娥)