電子式互感器的分類和原理綜述

金世鑫，李 華，戴曉宇

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟技術研究院，遼寧 沈陽 110015）

電子式互感器的分類和原理綜述

金世鑫1，李 華2，戴曉宇2

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟技術研究院，遼寧 沈陽 110015）

為了減小變電站的建筑空間和占地面積，提高電力系統(tǒng)的自動化程度，滿足“智能化、數(shù)字化、一體化、光纖化”的要求，新型的電子式電流互感器將取代傳統(tǒng)的電磁式電流互感器。闡述了電子式電流互感器的分類、特點、應用情況和存在的問題，對比了幾種電子式電流互感器的優(yōu)缺點，以期能對電子式電流互感器的發(fā)展有所借鑒。

電子式電流互感器；磁光效應；分類

1 電子式互感器概述

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，發(fā)電和輸變電的容量不斷增加，為了減小變電站的占地面積和建設空間，提高電力系統(tǒng)的自動化程度，現(xiàn)階段設計的電流互感器需要滿足“智能化、數(shù)字化、一體化、光纖化”的要求［1］。智能化是指增加網(wǎng)絡和微機在電氣測量中的運用，賦予互感器一定的自我判斷和識別能力，主要通過在外圍的電路上作一些改進及在軟件上進行優(yōu)化。數(shù)字化是指要盡量減少傳統(tǒng)的模擬信號指針式讀數(shù)盤的使用，采用數(shù)字式的儀表，減小測量中因讀數(shù)不準而引起的人為誤差。一體化是指將多相電流互感器甚至是多相電流互感器和電壓互感器做成成套設備，這樣可以減少一次設備的體積，節(jié)約大量的人力、物力。光纖化是指在測量系統(tǒng)中，采用光纖傳輸信息，消除電磁場對測量結果的影響。針對目前電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢可以預測，在不久的將來，新型實用電子式互感器將取代傳統(tǒng)的電磁式互感器，電子式電流互感器就是其中的代表，它完全可滿足上述的要求。

2 電子式電流互感器分類

基于磁光效應的電子式電流互感器發(fā)展到現(xiàn)在，按其原理與結構可分為無源型、有源型及全光纖型3類。

2.1 有源型

有源型電子式電流互感器的原理是將高壓側電流信號，通過采樣繞組將電信號傳遞給發(fā)光元件變成光信號，再通過光纖傳遞到低壓側，進行逆變，變換成電信號后放大輸出。高壓側電子器件的電源來源于母線電流供電方式、超聲電源供電方式以及光供電方式［2］。其結構如圖1所示。有源型電子式互感器是較早期的結構，其優(yōu)點是結構簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高。其缺點是采樣信號的頂部結構較為復雜。

圖1 有源型電子式電流互感器結構

2.2 無源型

無源型電子式電流互感器的傳感頭不需要采用供電電源。傳感頭一般采用法拉第電磁感應原理制成，位于低電位的光源發(fā)出偏振光通過光纖傳遞到高壓側，并通過處于被測一次電流產(chǎn)生的磁場［3］。偏振光的偏振面在磁光玻璃的磁場中發(fā)生旋轉，光波被電流信號通過偏振調制。帶電流信號的光波經(jīng)光纖傳到低電位側，經(jīng)光－電變換后放大輸出。其結構如圖2所示。無源結構的優(yōu)點是結構簡單，并且不采用傳統(tǒng)的電磁感應元件，不存在飽和問題，充分發(fā)揮了電子式電流互感器的特點，尤其是高壓側采用的無源電子器件，不存在溫度穩(wěn)定問題，互感器運行周期較長。其缺點是磁光玻璃電子式電流互感器所采用的光學精密元器件制造難度較大，很難長期穩(wěn)定運行，測量精度難以達到。

2.3 全光纖型

全光纖型電子式電流互感器實際上也屬于無源型電子式互感器，只是傳感頭是由光纖本身制成，其余組成部分與無源型完全相同。其結構如圖3所示。全光纖型電子式電流互感器的優(yōu)點是傳感頭結構較為簡單，比磁光玻璃更容易制造，其精度、壽命、可靠性都比磁光玻璃電子式電流互感器要高。缺點是這種互感器所采用的傳感光纖為保偏光纖，比無源型和有源型2種電子式電流互感器采用的普通光纖品質要求都高，造價較為昂貴，且生產(chǎn)工藝要求高，因此制造穩(wěn)定性和可靠性高的保偏光纖非常困難。

圖2 無源型電子式電流互感器結構

圖3 全光纖型電流互感器結構

3 電子式電流互感器優(yōu)點

電子式電流互感器不采用鐵芯，不存在磁耦合，因此消除了磁飽和和鐵磁諧振的現(xiàn)象，互感器運行穩(wěn)定性高、暫態(tài)特性好，從而保證了其在電網(wǎng)中運行的可靠性。

電磁感應式電流互感器的二次回路不能開路，如果在一次系統(tǒng)帶負荷運行時電流互感器二次測開路，會在二次側產(chǎn)生過電壓，危及設備和人員的安全。因此低壓側存在因開路而引起的過電壓隱患［4］。由于電子式電流互感器的低壓側和高壓側之間只有光纖聯(lián)系，沒有磁耦合，消除了電磁干擾對互感器性能的影響，且光纖具有良好的絕緣性能，因此可以保證二次回路與一次回路在電氣上完全隔離，二次側不存在因開路而產(chǎn)生過電壓的危險。

電網(wǎng)正常運行時，電流互感器流過的電流并不大，因此互感器二次側輸出的采樣值滿足測量精度要求，但在發(fā)生短路時，由于短路電流非常大。電磁式電流互感器因存在磁飽和問題，二次輸出的電流會因互感器飽和而失真，當產(chǎn)生的飽和二次波形失真較嚴重、線性度較低時，甚至會造成區(qū)外故障發(fā)生時保護裝置誤動作，因此難以實現(xiàn)在一個通道同時滿足繼電保護計算和高精度測量的需要，無法進行大范圍測量［5］。而電子式電流互感器有的動態(tài)響應范圍很寬，過電流達到幾萬A時測量電流仍不會失真；電子式電流互感器可以精確測量出高壓電力網(wǎng)和電力線路上的諧波，而電磁式電流互感器難以進行這方面的工作；電子式互感器不再用油絕緣介質，不存在因充油而產(chǎn)生的易爆、易燃等危險，其采用的玻璃和光纖由絕緣材料做成，結構簡單、絕緣性能高、造價較低，電磁式電流互感器絕緣結構復雜，電壓等級越高，造價越高；電子式電流互感器重量輕，體積小，便于運輸和安裝，適應了保護自動化、微機化、數(shù)字化的發(fā)展潮流。

4 電子式電流互感器應用現(xiàn)狀

1994年ABB公司推出有源型電子式電流互感器，其額定電流為600～6 000 A，電壓等級為72.5～765 kV。日本除研究500 kV、1 000 kV高壓電網(wǎng)計量用的電子式電流互感器外，還進行500 kV以下直到6.6 kV電壓等級的GIS用電子式電流互感器研究。近些年，我國在電子式電流互感器的研究方面也取得了一定進展，在吸收國外先進經(jīng)驗的基礎上，已有許多廠家和高校生產(chǎn)出了相關產(chǎn)品。目前所生產(chǎn)的電子式電流互感器已經(jīng)可以替代體積大且笨重的電磁式電流互感器，并可與斷路器組裝成一體，從而實現(xiàn)結構一體化、設備小型化。

在高壓直流電力網(wǎng)輸電方面，直流測量用電子式電流互感器較之傳統(tǒng)的電磁式電流互感器有更大的優(yōu)勢，其重量僅為同電壓等級直流電流互感器的1／40，無鐵磁損耗和電磁干擾，可與電力自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡相互兼容。例如我國常州至三峽的500 kV直流輸電系統(tǒng)就采用了ABB公司生產(chǎn)的電子式電流互感器，用于線路的直流電流及諧波電流，交流側的橋臂電流、不平衡電流等電氣量的測量。除了在電網(wǎng)中使用外，電子式電流互感器還可做成鉗形表式的結構，便于移動，可用來測量電網(wǎng)中不同地點的電流。

5 結束語

目前國內在電子式電流互感器的研究方面，尤其是在高電壓等級電力系統(tǒng)中的應用還面臨一些問題，如溫度和應力產(chǎn)生的雙折射現(xiàn)象，長期運行時的精度和穩(wěn)定性還需進一步試驗和現(xiàn)場考驗，另外由于電子式互感器的采集器采樣頻率有限，造成采用電子式互感器的智能化變電站存在行波測距技術無法應用的問題。本文闡述了電子式電流互感器的分類、特點和應用情況，對比了幾種電子式電流互感器的優(yōu)缺點，綜上所述，電子式電流互感器較傳統(tǒng)電磁式電流互感器有許多優(yōu)勢，隨著技術的不斷發(fā)展，將會逐漸解決電子式互感器存在的各種問題，使得互感器技術的發(fā)展進入一個嶄新時代。

［1］平紹勛，黃仁山.光電式互感器原理和結構［J］.變壓器，2000，37（9）：18－22.

［2］周有慶，劉 琨，吳桂清，等.基于Rogowski線圈電子式電流互感器的研究［J］.電力電氣，2006，25（6）：106－110.

［3］徐大可，趙建寧，張愛祥，等.電子式互感器在數(shù)字化變電站中的應用［J］.高電壓技術，2007，33（1）：78－82.

［4］朱 鵬，李開成，孫 健，等.電子式互感器相位補償方法的研究和比較［J］.電測與儀表，2014，51（12）：7－11，28.

［5］延 勇，劉毅敏.220 kV智能變電站繼電保護調試關鍵問題分析及建議［J］.東北電力技術，2014，35（11）：22－25.

Electronic Transformers Overview

JIN Shi?xin1，LI Hua2，DAI Xiao?yu2
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.Economic Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110015，China）

In order to reduce building space and floor area，improve automation level of power system and meet the requirement of＂intelligent，digital，integrated，optical fiber＂，the new electronic current transformer replaces the traditional electromagnetic current transformer.In this paper，the classification，characteristics，application and existing problems of electronic current transformer are de?scribed and the advantages and disadvantages of several electronic current transformers are compared.It has directive significance to the development of electronic current transformer.

Electronic current transformer；Magneto?optical effect；Classification

TM452

A

1004－7913（2016）03－0029－03

金世鑫（1985—），男，碩士，工程師，從事繼電保護與智能電網(wǎng)研究工作。

2015－11－26）