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电子式互感器的研究进展1

来源：品趣旅游知识分享网

江　苏　电　机　工　程　　

第22卷第3期　2003年5月JiangsuElectricalEngineering・科普园地・

电子式互感器的研究进展

ResearchDevelopmentofElectronicTransducer

罗苏南1,叶妙元2

(1.南瑞继保电气有限公司,江苏南京210003;2.华中科技大学电气工程系,湖北武汉430074)

摘　要:介绍了电子式互感器的工作原理,着重阐述了近年来国内外电子式互感器研究的最新进展及应用前景。关键词:电子式互感器;磁光效应;电光效应;线圈中图分类号:TM45

文献标识码:D

文章编号:1009-0665(2003)03-0051-04

　　电力系统一直用电磁式CT(电流互感器)和PT

(电压互感器)测量一次侧电流和电压,为二次计量及保护等设备提供电流及电压信号。电磁式互感器的工作基于电磁感应原理,CT的额定输出信号为1A或5A,PT的额定输出信号为100V或100/3V。电磁式互感器的缺点是①绝缘难度大,特别是500kV以上,因绝缘而使得互感器的体积、质量及价格均提高;②动态范围小,电流较大时,CT会出现饱和现象,饱和会影响二次保护设备正确识别故障;③互感器的输出信号不能直接与微机化计量及保护设备接口;④易产生铁磁谐振等。电子式电流、电压互感器是无铁芯、绝缘结构简单可靠、体积小、质量小、线性度好、无饱和现象、输出信号可直接与微机化计量及保护设备接口的电力互感器。现代光学技术、微电子学技术的发展使得电子式互感器的发展及实用化成为现实。

被测电流i。

图1　无源电流和电压组合式互感器框图

1　电子式互感器的工作原理

根据传感方式的不同,电子式CT、PT可分为无源光电式CT、PT和有源电子式CT、PT两类。

1.1　无源光电式CT、PT

图1所示为无源组合式电压、电流互感器的结构框图。光学电流传感器是利用Faraday磁光效应测量电流的,如图2所示。LED(发光二极管)发出的光经起偏器后为一线偏振光,线偏振光在磁光材料(如重火石玻璃)中绕载流导体一周后其偏振面将发生旋转。据法拉第磁光效应及安培环路定律可知,线偏振光旋转的角度θ与载流导体中流过的电流i有如下关系:

θ=V

H・dl=VH・dl=V・i∫∮

图2　光学电流传感器原理图

光学电压传感器是利用Pockels电光效应测量电压的,如图3所示。LED发出的光经起偏器后为一线

偏振光,在外加电压作用下,线偏振光经电光晶体(如BGO晶体)后发生双折射,双折射两光束的相位差δ与外加电压V有如下关系:

ππλ2ld)　(2)　δ=λn3V=,(Vπ=0γ413

dVπl2n0γ41

式中,n0为BGO的折射率;γ41为BGO的电光系数;l为BGO中光路长度;d为施加电压方向的BGO厚度;λ为入射光波长;Vπ为晶体的半波电压。相位差δ与外加电压V成正比,利用检偏器将相位差δ的变化转

(1)

式中,V为磁光材料的Verdet常数。角度θ与被测电流i成正比,利用检偏器将角度θ的变化转换为输出光强的变化,经光电变换及相应的信号处理便可求得

收稿日期:2002-02-02;修回日期:2002-10-29

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换为输出光强的变化,经光电变换及相应的信号处理

便可求得被测电压。转换为电能供电路工作;另一类是利用一小CT从高压线路上获取电能供电路工作。

2　国内外研究进展

下面对ABB和ALSTOM等公司近年来研制的有代表性的电子式互感器进行简要介绍。2.1　ABB公司

目前,ABB公司已研制出多种无源光电式互感器及有源电子式互感器,如磁光电流互感器(MOCT　Magneto2OpticCurrentTransducer)、电光电压互感器(EOVT　Electro2OpticVoltageTransducer)、组合式光学测量单元(OMU　OpticalMeteringUnit)、数字光学仪用互感器(DOIT　DigitalOpticalInstrumentTrans2former)等。其电子式互感器已在插接式智能组合电器(PASS)、SF6气体绝缘开关(GIS)、高压直流(HVDC)及中低压开关柜中得到应用。2.1.1　组合式光学测量单元

图3　光学电压传感器原理图

1.2　有源电子式CT和PT

图4所示为有源电子式CT的结构示意图。感应

被测电流的线圈通常采用Rogowski线圈,Rogowski线圈的骨架为非磁性材料,如图5所示。若线圈的匝数密度n及截面积S均匀,Rogowski线圈输出的信号e与被测电流i有如下关系:

dΦdi(3)e(t)=-=-μ0nS・dtdt

e(t)经积分变换及A/D转换后,由LED转换为数字光信号输出,控制室的PIN及信号处理电路对其进行光电变换及相应的信号处理,便可输出供微机保护和计量用的电信号。图7所示为ABB研制的电流电压组合式光学测量单元(OMU),电流传感器位于OMU的顶部,电压传感器位于OMU的中部,硅橡胶复合绝缘子内充SF6绝缘气体。电流传感器的工作基于Faraday磁光

效应,电压传感器的工作基于纵向调制Pockels电光效应。图8和图9分别为电流传感器和电压传感器的结构。OMU可方便地分解为磁光电流互感器及电光电压互感器。242VOMU的质量为142.9kg,550kVOMU的质量为276.7kg。ABB研制的OMU的有关技术参数如表1所示。

图4　有源电子式CT结构示意图　　图5Rogowski线圈

图6所示为有源电子式PT的结构示意图。被测高压经分压器分压后,经信号预处理、A/D变换及LED转换,以数字光信号的形式送至控制室,控制室的PIN及信号处理电路对其进行光电变换及相应的信号处理,便可输出供微机保护和计量用的电信号。

图7　ABB研制的OMU表1　OMU的有关技术参数

参数名称

数　　据

115～550750～1800

>2000

1(MOCT)/120(EOCT)>0.2

图6　有源电子式PT的结构示意图

有源电子式CT、PT的一次高压侧有电子电路,其电源的供给方式主要有两类,一类是光供电,即控制室内LD发出的光由光纤送至高压侧,再经光电变换

系统电压　(kV)

绝缘水平　(kV)额定一次电流　(A)

额定二次电流/电压　(A/V)精度　(级)

罗苏南等:电子式互感器的研究进展53

Rogowski线圈,电压的测量利用电容环分压原理。信

号处理单元将被测电流电压信息转换为数字光信号进行传输,信号处理单元的工作电源由外部提供。

图8　电流传感器　　　　　图9　电压传感器

2.1.2　数字光学仪用互感器

图10所示为ABB研制的数字光学仪用互感器(DOIT)。DOIT是一种有源电子式电流电压组合互感器,其测量电流的工作原理如图11所示,图中PLD是光致发光二极管(PhotoluminescenceDiode)。PLD一方面可将波长为λ1的光转换为电能供高压侧电路工作,另一方面可将经高压侧电子电路处理后载有被测电流信息的数字电信号转换为波长为λ2的数字光信号。DOIT测量电压的原理是利用复合绝缘子内的电容分压器进行分压,然后用与测量电流类似的电子装置进行处理。DOIT的有关技术参数如表2所示。

图11　电流测量原理框图

图10　ABB研制的DOIT表2　DOIT的有关技术参数

参数名称

系统电压　(kV)额定电流　(A)

)工作温度　(℃

72～76550～4000-50～+40

5P(DOCT)/3P(DOVT)0.5

数　　据

保护精度计量精度　(级)

图12　PASS和GIS中用的有源电子式

2.1.3　PASS及GIS中用的有源电子式电流电压组

电流电压组合互感器

合互感器

图12所示为ABB研制的用于PASS和GIS中的有源电子式电流电压组合互感器。电流的测量采用

2.1.4　开关柜中使用的电子式互感器

图13为ABB研制的用于新型智能化开关柜(i-

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ZS1)中的电子式互感器。其电流的测量基于Rogows2ki线圈,电压的测量基于电阻分压。

2.3　国内研究情况

目前我国有清华大学、电力科学研究院、武汉高压

研究所、华中科技大学、上海互感器厂、沈阳变压器制造有限公司、顺德特种变压器厂、西安高压开关厂及南瑞继保电气有限公司等单位在从事电子式互感器的研制工作,且已有多种样机研制出来,但绝大多数仅限于实验室阶段,还没有实用化产品投入运行。我国的电子式互感器的研究还处于跟踪国外大公司(如ABB、ALSTOM等公司)的水平。前几年,国内各单位的研究重点主要是无源光电式互感器,如华中科技大学1998年曾研制出110kV光学电流、电压互感器,并在

图13　开关柜中使用的电子式互感器

2.2　ALSTOM公司

ALSTOM公司主要研究无源电子式互感器,目前

已研制出123kV至756kV的光学电流互感器(CTO

　CurrentTransformerwithOpticalsensors)、光学电压互感器(VTO　VoltageTransformerwithOpticalsen2sors)及组合式光学电流电压互感器(CMO　CombinedMeasurementcurrent-voltagetransformerwithOpticalsensors)等电子式互感器。自1995年以来,ALSTOM广东新会挂网试运行。近年来,由于有源电子式互感

器的技术较为成熟,且便于工业化生产,国内多家研制单位已开始注重有源电子式互感器的研究,如南瑞继保电气有限公司已研制出可用于110kV及220kVGIS的有源电子式电流互感器,实验表明在(-40～+40)℃范围内,其计量精度达到0.2级。

3　应用前景目前,电子式互感器已有国际标准IEC6004427(电子式电压互感器)和IEC6004428(电子式电流互感器),标准对电子式互感器的构成、试验及输出接口等进行了规定。标准的制定将进一步规范并推进电子式互感器的研制及推广应用。国内外研究实践表明,电子式互感器具有明显的技术和价格优势,估计110kV电子式互感器每台成本约1万元左右,220kV电子式互感器每台成本约2万元左右。因绝缘结构简单,电压等级越高,电子式互感器的价格优势越明显。

目前研究较为成熟并投入变电站运行的主要是有源电子式互感器,应用场合主要有高压直流输电、SF6气体绝缘开关(GIS)及中低压开关柜等。无源光电互感器因其一次侧光学电流、电压传感器无需工作电源,具有较大的优势,但光学传感器的制作工艺复杂,稳定性及一致性不易控制,因此有源电子式互感器有望首先得以推广应用。国外大公司虽已研制出实用化电子式互感器,但并未广泛推广应用。现在几个主要生产厂家研制的电子式互感器的输出信号还不一致,电子式互感器的输出信号如何同步还未取得共识,适应电子式互感器的二次计量及保护设备还有待研究,这些均是推广应用电子式互感器需解决的问题。

作者简介:

罗苏南(1966-),男,江苏泰兴人,工程师,博士,从事电子式互感器及

光纤传感技术的研究;

叶妙元(1938-),男,广东人,教授,博士生导师,从事电子式互感器及

超导技术的研究。

公司的电子式互感器已有多台在欧洲及北美运行。无源组合式光学电流电压互感器(CMO),其电流传感器的工作基于Faraday磁光效应,电压传感器的工作基于横向调制Pockels电光效应。电流传感器和电压传感器均位于互感器的顶部,被测高压先经电容分压器分压,然后加至光学电压传感器上。ALSTOM公司研制的电子式互感器的有关技术参数如表3所示。

表3　ALSTOM公司研制的电子式互感器的有关技术参数

参数名称

额定一次电压　(kV)额定一次电流　(A)

CT额定二次输出

数　　据

100～80040～4000

经放大的计量输出小信号计量输出小信号保护输出数字输出

PT额定二次输出

1A;0.5VA

Ω4V;负载>10kΩ150mV;负载>10k

IEC60044-8

经放大的计量输出小信号计量输出小信号保护输出数字输出计量精度　(级)保护精度

)工作温度　(℃

69V;0.5VA

Ω4V;负载>10kΩ2V;负载>10k

IEC60044-80.2

5P20(CT);3P(PT)-40～+40

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