電子式互感器的原理

隨著光纖傳感技術(shù)、光纖通信技術(shù)的飛速發(fā)展，光電技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。電子式互感器就是其中之一。電子式互感器具有體積小、重量輕、頻帶響應(yīng)寬、無飽和現(xiàn)象、抗電磁干擾性能佳、無油化結(jié)構(gòu)、絕緣可靠、便于向數(shù)字化、微機化發(fā)展等諸多優(yōu)點，將在數(shù)字化變電站中廣泛應(yīng)用。
　　電子式互感器的誕生是互感器傳感準(zhǔn)確化、傳輸光纖化和輸出數(shù)字化發(fā)展趨勢的必然結(jié)果。電子式互感器是數(shù)字變電站的關(guān)鍵裝備之一。傳感方法對電子式互感器的結(jié)構(gòu)體系有很大影響。光學(xué)原理的電子式互感器結(jié)構(gòu)體系簡單，是無源的電子式互感器。電磁測量原理的電子式互感器是有源電子式互感器。

　　1、電子互感器的優(yōu)點
　　1.1高低壓完全隔離，安全性高，具有優(yōu)良的絕緣性能，不含鐵芯，消除了磁飽和及鐵磁諧振等問題
　　電磁式互感器的被測信號與二次線圈之間通過鐵芯耦合，絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其造價隨電壓等級呈指數(shù)關(guān)系上升。非常規(guī)互感器將高壓側(cè)信號通過絕緣性能很好的光纖傳輸?shù)蕉卧O(shè)備，這使得其絕緣結(jié)構(gòu)大大簡化，電壓等級越高其性價比優(yōu)勢越明顯。非常規(guī)互感器利用光纜而不是電纜作為信號傳輸工具，實現(xiàn)了高低壓的徹底隔離，不存在電壓互感器二次回路短路或電流互感器二次回路開路給設(shè)備和人身造成的危害，安全性和可靠性大大提高。
　　電磁式互感器由于使用了鐵芯，不可避免地存在磁飽和及鐵磁諧振等問題。非常規(guī)互感器在原理上與傳統(tǒng)互感器有著本質(zhì)的區(qū)別，一般不用鐵芯做磁耦合，因此消除了磁飽和及鐵磁諧振現(xiàn)象，從而使互感器運行暫態(tài)響應(yīng)好、穩(wěn)定性好，保證了系統(tǒng)運行的高可靠性。
　　1.2抗電磁干擾性能好，低壓側(cè)無開路高壓危險
　　電磁式電流互感器二次回路不能開路，低壓側(cè)存在開路危險。非常規(guī)互感器的高壓側(cè)和低壓側(cè)之間只存在光纖聯(lián)系，信號通過光纖傳輸，高壓回路與二次回路在電氣上完全隔離，互感器具有較好的抗電磁干擾能力，低壓側(cè)無開路引起的高電壓危險。
　　1.3動態(tài)范圍大，測量精度高，頻率響應(yīng)范圍寬
　　電網(wǎng)正常運行時電流互感器流過的電流不大，但短路電流一般很大，而且隨著電網(wǎng)容量的增加，短路電流越來越大。電磁式電流互感器因存在磁飽和問題，難以實現(xiàn)大范圍測量，同一互感器很難同時滿足測量和繼電保護的需要。非常規(guī)互感器有很寬的動態(tài)范圍，可同時滿足測量和繼電保護的需要。
　　非常規(guī)互感器的頻率范圍主要取決于相關(guān)的電子線路部分，頻率響應(yīng)范圍較寬。非常規(guī)互感器可以測出高壓電力線上的諧波，還可以進行電網(wǎng)電流暫態(tài)、高頻大電流與直流的測量，而電磁式互感器是難以進行這方面工作的。
　　1.4數(shù)據(jù)傳輸抗干擾能力強
　　電磁式互感器傳送的是模擬信號，電站中的測量、控制和繼電保護傳統(tǒng)上都是通過同軸電纜將電氣傳感器測量的電信號傳輸?shù)娇刂剖?。?dāng)多個不同的裝置需要同一個互感器的信號時，就需要進行復(fù)雜的二次接線，這種傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不可避免地會受到電磁場的干擾。而光電式互感器輸出的數(shù)字信號可以很方便地進行數(shù)據(jù)通信，可以將光電式互感器以及需要取用互感器信號的裝置構(gòu)成一個現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，從而節(jié)省大量的二次電纜；同時光纖傳感器和光纖通信網(wǎng)固有的抗電磁干擾性能，在惡劣的電站環(huán)境中更是顯示出了無與倫比的優(yōu)越性，光纖系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)是未來電站建設(shè)與改造的必然趨勢
　　1.5沒有因充油而潛在的易燃、易爆炸等危險信非常規(guī)互感器的絕緣結(jié)構(gòu)相對簡單，一般不采用油作為絕緣介質(zhì)，不會引起火災(zāi)和爆炸等危險。
　　1.6體積小、重量輕
　　非常規(guī)互感器無鐵芯，其重量較相同電壓等級的電磁式互感器小很多。
　　綜上所述，非常規(guī)互感器以其優(yōu)越的性能、適應(yīng)了電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的需要，并具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益，對于保證日益龐大和復(fù)雜的電力系統(tǒng)安全可靠運行并提高其自動化程度具有深遠的意義。

　　2、電子互感器分類
　　2.1有源電子式互感器
　　有源電子式互感器利用電磁感應(yīng)等原理感應(yīng)被測信號，對于電流互感器采用ROGOWSKI線圈，對于電壓互感器采用電阻、電容或電感分壓等方式。有源電子式互感器的高壓平臺傳感頭部分具有需電源供電的電子電路，在一次平臺上完成模擬量的數(shù)值采樣（即遠端模塊），利用光纖傳輸將數(shù)字信號傳送到二次的保護、測控和計量系統(tǒng)。
　　有源電子式互感器又可分為封閉式氣體絕緣組合電器（GIS）式和獨立式，GIS式電子式互感器一般為電流、電壓組合式，其采集模塊安裝在GIS的接地外殼上，由于絕緣由GIS解決，遠端采集模塊在地電位上，可直接采用變電站220V／110V直流電源供電。獨立式電子式互感器的采集單元安裝在絕緣瓷柱上，因絕緣要求，采集單元的供電電源有激光、小電流互感器、分壓器、光電池供電等多種方式，實際工程應(yīng)用一般采取激光供電，或激光與小電流互感器協(xié)同配合供電，即線路有流時由小電流互感器供電，無流時由激光供電。對于獨立式電子式互感器，為了降低成本、減少占地面積，一般采用組合式，即將電流互感器、電壓互感器安裝在同一個復(fù)合絕緣子上，遠端模塊同時采集電流、電壓信號，可合用電源供電回路
　　2.2無源電子式互感器
　　無源電子式互感器又稱為光學(xué)互感器。無源電子式電流互感器利用法拉第（FARADAY）磁光效應(yīng)感應(yīng)被測信號，傳感頭部分分為塊狀玻璃和全光纖2種方式。無源電子式電壓互感器利用POCKELS電光效應(yīng)或基于逆壓電效應(yīng)或電致仲縮效應(yīng)感應(yīng)被測信號，現(xiàn)在研究的光學(xué)電壓互感器大多是基于POCKELS效應(yīng)。無源電子式互感器傳感頭部分不需要復(fù)雜的供電裝置，整個系統(tǒng)的線性度比較好。無源電子式互感器利用光纖傳輸一次電流、電壓的傳感信號，至主控室或保護小室進行調(diào)制和解調(diào)，輸出數(shù)字信號至MU，供保護、測控、計量使用。無源電子式互感器的傳感頭部分是較復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，容易受到多種環(huán)境因素的影響，例如溫度、震動等，影響其實用化的進程。

　　3、有源式互感器與無源式互感器的比較
　　有源電子式互感器的關(guān)鍵技術(shù)在于電源供電技術(shù)、遠端電子模塊的可靠性、采集單元的可維護性?；趥鹘y(tǒng)互感器的運行經(jīng)驗，可不考慮ROGOWSKI線圈和分壓器（電阻、電容或電感）故障的維護。GIS式電子式互感器直接接人變電站直流電源，不需要額外供電，采集單元安裝在與大地緊密相連的接地殼上。這種方式抗干擾能力強，更換維護方便，采集單元異常處理不需要一次系統(tǒng)停電。而對于獨立式電子式互感器，在高壓平臺上的電源及遠端模塊長期工作在高低溫頻繁交替的惡劣環(huán)境中，其使用壽命遠不如安裝在主控室或保護小室的保護測控裝置，還需要積累實際工程經(jīng)驗；另外，當(dāng)電源或遠端模塊發(fā)生異常、需要維護或更換時，需要一次系統(tǒng)停電處理。
　　無源式電子式互感器的關(guān)鍵技術(shù)在于光學(xué)傳感材料的穩(wěn)定性、傳感頭的組裝技術(shù)、微弱信號調(diào)制解調(diào)、溫度對精度的影響、震動對精度的影響、長期運行的穩(wěn)定性。但由于無源電子式互感器的電子電路部分均安裝在主控室或保護小室，運行條件優(yōu)越，更換維護方便。有源或無源電子式互感器的應(yīng)用，均大大降低了占地面積，減少了傳統(tǒng)互感器的二次電纜連線，是互感器的發(fā)展方向。無源電子式互感器可靠性高、維護方便，是獨立安裝的互感器的理想解決方案。

　　4、電子式互感器存在的主要問題
　　電子互感器在工程應(yīng)用上存在的主要問題是：由于需要對傳感器進行供能，長期大功率的激光供能會影響光器件的使用壽命，羅氏線圈輸出信號與其結(jié)構(gòu)有很強的相關(guān)性，溫度變化會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變化，影響電子線路測量準(zhǔn)確度。
　　光電式互感器在工程應(yīng)用上存在的主要問題是：溫度的變化會引起光路系統(tǒng)的變化引起晶體除具有電光效應(yīng)外的彈光效應(yīng)、熱光效應(yīng)等干擾效應(yīng)，導(dǎo)致絕緣子內(nèi)光學(xué)電壓傳感器的工作穩(wěn)定性減弱。溫度對光電式互感器測量誤差的影響，一直是人們討論的熱點，在實際應(yīng)用中，對于溫度變化所產(chǎn)生的測量誤差的影響，應(yīng)提高光路系統(tǒng)（如光電二極管）的抗干擾能力。如使用溫度穩(wěn)定性好，且波長漂移小的發(fā)光光源、純凈且經(jīng)過多次提拉的電光晶體等，在提高溫度穩(wěn)定性的研究中，近年來倍受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的有溫控法、雙光路溫度補償法，雙晶體溫度補償、硬件電路補償和軟件補償?shù)确椒?。另外還有磁光材料的雙折射效應(yīng)對光電電流互感器測量精度的影響由于磁光材料的雙折射效應(yīng)，使射人磁光介質(zhì)的線性偏振光變成橢圓偏振光，其結(jié)果是：從檢偏器輸出的光強度變化與被測電流不成正比，使光電式電流互感器的靈敏度不穩(wěn)定，從而降低了光電式電流互感器的測量精度。

上述兩種不同類型的互感器存在的共同問題：
　　(1)常規(guī)電流互感器的接口兼容問題，其輸出接口沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)尚未規(guī)范化，頻率響應(yīng)、動態(tài)范圍、信噪比、波形畸變、穩(wěn)定性的檢驗需有特殊規(guī)范；
　　(2)非常規(guī)互感器現(xiàn)場校驗問題，輸出為弱電信號且包括數(shù)字量，必須探索新的校驗方法；
　　(3)設(shè)備的可靠性問題，包括電磁兼容、系統(tǒng)熱穩(wěn)定性以及電子元件的可靠性問題需進一步在工程應(yīng)用中檢驗。