電子式互感器的關鍵技術及應用

1、電子式互感器的關鍵技術及應用 國電南京自動化股份有限公司 目錄定義及分類基本原理關鍵技術幾點思考結(jié)論電子式電流互感器的定義及分類根據(jù)IEC60044-8Electronic current transformers(2002)的定義：光學電流互感器（光學玻璃、全光纖、光柵）空芯電流互感器（傳光型）鐵心線圈式低功率互感器（傳光型）電子式電壓互感器的定義及分類根據(jù)IEC60044-7Electronic voltage transformers (1999) 的定義：光學電壓互感器（傳感型）阻容分壓型電壓互感器（傳光型）光學電流互感器的基本原理根據(jù)Faraday磁光效應,線偏振光在磁場的作用下,其

2、偏振面會發(fā)生旋轉(zhuǎn)。ViNHdlVllBLopt 光學電流互感器的基本原理光學玻璃型全光纖型（FOCT)偏振檢測方法干涉檢測方法雙折射是指光纖中傳輸?shù)膬蓚€雙折射是指光纖中傳輸?shù)膬蓚€模式的傳播常數(shù)或相速隨著模模式的傳播常數(shù)或相速隨著模式偏振不同而不同的現(xiàn)象，式偏振不同而不同的現(xiàn)象， 反映了由線性雙折射在兩個偏反映了由線性雙折射在兩個偏振本征模之間引入的相位延遲。振本征模之間引入的相位延遲。（形狀雙折射、應力雙折射）（形狀雙折射、應力雙折射）sin2-P2sin2121IIIIP無雙折射無雙折射有雙折射有雙折射光學電流互感器的基本原理由于線性雙折射的存在，將使得電流測量靈敏度減小，并且不穩(wěn)定。減小了

3、電流測量靈敏度。 這是因為雙折射使線偏光的兩個正交光振動分量之間產(chǎn)生一個位相差，結(jié)果輸出光變成了橢圓偏振光。對于不同的入射偏振面，傳感器具有不同的測量靈敏度。靈敏度隨偏振面方位的改變而周期性變。測量靈敏度受外界溫度的調(diào)制。2sin2121IIIIP無雙折射無雙折射sin2-P有雙折射有雙折射光學電流互感器的基本原理在光纖電流傳感器中，由于光纖內(nèi)存在的線性雙折射對于溫度與振動等環(huán)境因素變化十分敏感，而雙折射會造成偏振光偏振態(tài)輸出的不穩(wěn)定，影響測量的精確度，因此利用各種方法降低雙折射是FOCT實用化過程中需要解決的關鍵問題。采用保偏光纖是最主要的技術手段。保偏光纖是利用光纖的雙折射特性、對傳輸?shù)钠?/p>

4、振光的偏振態(tài)能夠加以保持并傳輸?shù)墓饫w。（螺旋（Spun）光纖、扭轉(zhuǎn)光纖等）光學電流互感器的基本原理基于干涉檢測方法的全光纖電流互感器（FOCT）干涉型的FOCT并不是直接檢測光的偏振面的旋轉(zhuǎn)角度，而是通過受Faraday效應作用的兩束偏振光的干涉并檢測其相位差的變化來測量電流。干涉型FOCT主要可以分為Sagnac環(huán)形結(jié)構(gòu)（也稱Loop結(jié)構(gòu)）和反射結(jié)構(gòu)（也稱in-line結(jié)構(gòu)）。光學電流互感器的基本原理基于Sagnac反射結(jié)構(gòu)的FOCT由光源發(fā)出的光經(jīng)過保偏光纖耦合器后由由光源發(fā)出的光經(jīng)過保偏光纖耦合器后由光纖起偏器起偏變成線性偏振光，恰在保光纖起偏器起偏變成線性偏振光，恰在保偏光纖的光軸上的

5、光能保持這種偏振狀態(tài)，偏光纖的光軸上的光能保持這種偏振狀態(tài)，然后經(jīng)過一個然后經(jīng)過一個4545度融解進入第二段保偏光度融解進入第二段保偏光纖，因此在這段光纖兩個光軸上的電場矢纖，因此在這段光纖兩個光軸上的電場矢量的分量相等。這兩個分量成為兩個分別量的分量相等。這兩個分量成為兩個分別在兩個光軸上互相垂直（在兩個光軸上互相垂直（X X和和Y Y軸）的線性軸）的線性偏振光，分別沿保偏光纖的偏振光，分別沿保偏光纖的x x軸和軸和y y軸傳輸。軸傳輸。這兩束光經(jīng)過這兩束光經(jīng)過/4/4波片，分別轉(zhuǎn)變成為左波片，分別轉(zhuǎn)變成為左旋和右旋的圓偏振光，并進入傳感光纖。旋和右旋的圓偏振光，并進入傳感光纖。由于被測電流

6、會產(chǎn)生磁場和在傳感光纖中由于被測電流會產(chǎn)生磁場和在傳感光纖中的的FaradaFarada磁光效應，這兩束圓偏振光的相磁光效應，這兩束圓偏振光的相位會發(fā)生變化位會發(fā)生變化( (=2VNI )=2VNI )，并以不同的，并以不同的速度傳輸。速度傳輸。光學電流互感器的基本原理基于Sagnac反射結(jié)構(gòu)的FOCT兩束圓偏振光在反射膜端面處反射后，偏振兩束圓偏振光在反射膜端面處反射后，偏振模式互換模式互換( (即左旋光變?yōu)橛倚猓倚庾兗醋笮庾優(yōu)橛倚?，右旋光變?yōu)樽笮鉃樽笮? )，然后再次穿過傳感光纖，使，然后再次穿過傳感光纖，使FaradayFaraday效應產(chǎn)生的相位加倍效應產(chǎn)生的相位加倍(

7、(=4VNI )=4VNI )。兩束光再次通過兩束光再次通過/4/4波片后，恢復成為線偏波片后，恢復成為線偏振光，并且原來沿保偏光纖振光，并且原來沿保偏光纖X X軸傳播的光變軸傳播的光變?yōu)檠乇Ｆ饫w為沿保偏光纖y y軸傳播，原來沿保偏光纖軸傳播，原來沿保偏光纖y y軸軸傳播的光變?yōu)檠乇Ｆ饫w傳播的光變?yōu)檠乇Ｆ饫wx x軸傳播。軸傳播。分別沿保偏光纖分別沿保偏光纖x x軸、軸、y y軸傳播的光在光纖偏軸傳播的光在光纖偏振器處發(fā)生干涉。振器處發(fā)生干涉。通過測量相干的兩束偏振光的非互易位相差，通過測量相干的兩束偏振光的非互易位相差，就可以間接地測量出導線中的電流值。就可以間接地測量出導線中的電流值。

8、光學電流互感器的基本原理基于Sagnac反射結(jié)構(gòu)的FOCT在理想情況下，探測器探測到的光強信號大在理想情況下，探測器探測到的光強信號大小為：小為：)cos(1 210IIout相位調(diào)制器在檢測電路的驅(qū)動下產(chǎn)生相位調(diào)制器在檢測電路的驅(qū)動下產(chǎn)生一個與一個與 大小相等方向相反的反饋大小相等方向相反的反饋相移，通過檢測反饋信號的大小即能相移，通過檢測反饋信號的大小即能確定相位，從而得到被測電流的大小。確定相位，從而得到被測電流的大小。空芯電流互感器的基本原理整個線圈均勻地繞在非磁性骨架上，由全電流定律和電磁感應定律可得到線圈互感系數(shù)M 0ln2aiNhRMR E=MjIp對于穩(wěn)態(tài)下的正弦電流，空芯線圈

9、的輸出電壓為 優(yōu)點：不飽和，線性范圍寬缺點：信號小，且需要積分還原低功率電流互感器的基本原理LPCT仍然是基于電磁感應原理的鐵芯CT，它實際上代表了傳統(tǒng)CT的發(fā)展。特別之處在于所用的鐵芯材料是微晶合金鐵芯 ，并且集成了一個取樣電阻，將電流輸出轉(zhuǎn)換成電壓輸出。 P P1 1I Ip pN Np pP P2 2N NS SR Rs sh hS S1 1S S2 2R Rb bU US S二次輸出電壓US=RshIS= RshNp/ NsIp= 1/ KRIp 光學電壓互感器的基本原理基于Pockels效應:電光晶體在外電場的作用下,其折射率會線性地發(fā)生變化,從而使偏振光的兩個分量之間產(chǎn)生位相差。V

10、VdlVrn)(2413Pockels 晶體波片起偏器檢偏器自聚焦透鏡自聚焦透鏡電容分壓型電壓互感器的基本原理10kV、35kV一般采用電阻分壓。110kV以上一般采用電容分壓或阻容分壓。(A)電容分壓器;(B) 信號調(diào)理單元;(C) 光供電單元;(D) 供能光纖; (E) 激光器; (F) 信號解調(diào)單元; (G) 信號傳輸光纖.傳統(tǒng)互感器與電子式互感器的比較傳統(tǒng)CT、PT、CVT CT、PT測量準確度高，溫度穩(wěn)定性好；可靠性高（故障率？） CVT體積小,成本低q CT具有鐵芯結(jié)構(gòu)，易發(fā)生磁飽和，造成保護拒動或者誤動；PT、CVT（補償電抗器、中間變壓器）易產(chǎn)生鐵磁諧振；q 高頻響應差，新型的

11、基于高頻暫態(tài)分量的快速保護難以實現(xiàn) 電子式互感器沒有鐵芯，無磁飽和現(xiàn)象，提高了故障測量的準確性 絕緣結(jié)構(gòu)簡單，沒有因含油而產(chǎn)生的易燃、易爆炸等危險 ECT二次側(cè)開路時不會產(chǎn)生危險的高壓 抗電磁干擾能力強 頻率響應范圍寬，可促進保護新原理的研究 適應了電力計量和保護數(shù)字化、微機化和自動化發(fā)展的方向 傳統(tǒng)互感器與電子式互感器的比較關鍵技術電容分壓型的電子式電壓互感器偏差式測量原理，易受溫度、振動的影響線圈的準確度、積分器的性能優(yōu)化、高壓側(cè)供電串級分壓易受外界干擾、暫態(tài)特性空芯電流互感器光學電流、電壓互感器光學電流、電壓互感器的關鍵技術光學電流、電壓互感器被認為是傳統(tǒng)互感器的理想替代品 ，但是經(jīng)歷了

12、幾十年的發(fā)展，仍然沒有得到大面積的推廣應用長期穩(wěn)定性問題是阻礙OCT實用化的關鍵。造成OCT長期漂移的主要因素溫度 使傳感頭內(nèi)部產(chǎn)生線性雙折射 使材料的Verdet常數(shù)發(fā)生變化振動 造成光強的波動 產(chǎn)生應力雙折射造成OCT長期漂移的根本原因光學傳感頭為開環(huán)結(jié)構(gòu),測量原理為偏差式測量原理，因而測量準確度難以提高。 測量原理的分類偏差式測量：在測量過程中，用儀表指針的位移(即偏差)決定被測量的測量方法，稱為偏差式測量法。零位式測量：在測量過程中，用指零儀表的零位指示，檢測測量系統(tǒng)的平衡狀態(tài)；在測量系統(tǒng)達到平衡時，用已知的基準量決定被測未知量的測量方法，稱為零位式測量法。 可以獲得比較高的測量準確度

13、。測量過程比較復雜，在測量時，要進行平衡操作，花費時間長。測量原理的分類微差式測量：將被測的未知量與已知的標準量進行比較，并取得差值，然后，用偏差法測得此差值。 微差式測量法的優(yōu)點是反應快，而且測量精度高，它特別適用于在線控制參數(shù)的檢測。 例如：傳統(tǒng)互感器的校驗儀OCT實用化的另外的問題測量的動態(tài)范圍有限：測量小電流時準確度和分辨率都不高。測量頻帶和其他原理的互感器存在同樣的問題，受信號處理電路的限制：傳感頭的測量頻帶寬，但是仍需要后續(xù)電路進行信號的分離、濾波等信號處理，為了提高測量準確度，降低噪聲，需要壓縮頻帶。FOCT實用化存在的問題反射式光纖電流互感器實質(zhì)上是一種偏振干涉儀，要求光在傳播

14、過程中保持特定的偏振態(tài)，而非理想的光學器件會造成偏振光之問的串擾，影響測量準確度。FOCT的戶外部分為全光學器件，光學器件工作在變電站惡劣的環(huán)境下，因此FOCT同樣存在所有干涉檢測型傳感器的偏振態(tài)變化和相位隨機漂移而導致的信號衰落問題。雖然和FOCT技術類似的光學陀螺已經(jīng)有產(chǎn)品面世，但這兩種產(chǎn)品相比較，從運行環(huán)境、穩(wěn)定性來看，顯然FOCT具有更加嚴格的要求。變電站一次額定電流較小，同時被測電流的變化范圍較大，當電流較小時，信噪比較低，對FOCT的信號調(diào)制和解調(diào)均提出了更高的要求。構(gòu)成FOCT的關鍵光學器件（如激光器、保偏光纖等），甚至高性能的保偏光纖熔接機，都需要從國外進口，不但價格高，而且受

15、制于人。空芯電流互感器關鍵技術之一空芯線圈的制作原則實現(xiàn)對電流的準確測量取決于一個穩(wěn)定的互感系數(shù)。為了獲得高測量準確度，空芯線圈繞制時必須遵循以下原則：二次繞組在一定大小的非鐵磁材料骨架上對稱均勻分布；每一匝繞組的形狀完全相同；每一匝繞組所在平面與骨架所在的圓周的中心軸垂直。幾何尺寸在微米量級均勻空芯電流互感器關鍵技術之二積分器的性能優(yōu)化輸出必須采用積分器還原被測電流信號。211lR Ch由運算放大器本身的增益帶寬積決定由運算放大器本身的增益帶寬積決定1101RCo2211(1)*V ( )H(s)=( )inRR C SRsVs oo1o12( )V ( )V ( ),V (0)0inVtd

16、ttCRdtR空芯電流互感器關鍵技術之二積分器的性能優(yōu)化輸出必須采用積分器還原被測電流信號，而積分器的時間常數(shù)有限，當系統(tǒng)短路、有大的衰減直流分量的時候，其暫態(tài)誤差特性取決于測量的下限頻率。 空芯電流互感器關鍵技術之三高壓側(cè)供電技術以空芯線圈為傳感單元，將高壓側(cè)的含有被測電流信息的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號驅(qū)動發(fā)光二極管，通過信號傳輸光纖以光脈沖的形式傳輸至低壓側(cè)。因此，高壓側(cè)需要供電。 空芯電流互感器關鍵技術之三高壓側(cè)供電技術高壓側(cè)電路的功耗過大。已經(jīng)達到的最低功耗（國外的報道），一般在70mW左右。一般光電轉(zhuǎn)換的效率較高時為30%，這就要求光源（半導體激光器）的出纖功率至少達到200mW以上。

17、出纖功率在這種數(shù)量級的光源，其壽命較短。高壓側(cè)的光電轉(zhuǎn)換單元長期工作在戶外環(huán)境，轉(zhuǎn)換效率會逐漸衰減。 空芯電流互感器關鍵技術之三高壓側(cè)供電技術如果采用一個CT供電+兩個大功率激光器供電的方案成本較高： （ 900 x1.17)/只可靠性：缺乏長期實際運行的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)。 電容型電子式電壓互感器關鍵技術之一串級分壓結(jié)構(gòu)多級電容串聯(lián)分壓結(jié)構(gòu)，容易受到外界的干擾。實際電容分壓器的電容元件和大地或接地屏蔽之間存在分布電容，是造成分壓器誤差的主要原因。實際上,串級分壓結(jié)構(gòu)的電子式電壓互感器的測量準確度很難做到很高。 假設分壓器高壓臂是由n個電容單元串聯(lián)而成，其中：CK串聯(lián)電容單元，CK=nC1；CL1各電

18、容單元對地或?qū)拥仄帘沃g的電容；CS各單元之間的縱向電容。電容型電子式電壓互感器關鍵技術之二電荷滯留引起的暫態(tài)誤差電網(wǎng)中由于過電壓和開關操作引起暫態(tài)過程。滯留電荷量的大小取決于線路斷開時線路電壓的相位。線路重新接入時，取樣電容上的電壓隨時間常數(shù)衰減，疊加在穩(wěn)態(tài)正弦信號上造成誤差。電荷滯留問題可能引入較大測量誤差，對重合閘可能造成影響。 傳統(tǒng)互感器與電子式互感器的比較從測量的傳感原理比較從測量的傳感原理比較穩(wěn)定性穩(wěn)定性穩(wěn)態(tài)準確度穩(wěn)態(tài)準確度暫態(tài)準確度暫態(tài)準確度傳統(tǒng)傳統(tǒng)CT高高不適合用于頻帶不適合用于頻帶寬的場合寬的場合低低LPCTLPCT高高不適合用于頻帶不適合用于頻帶寬的場合寬的場合低低空心線

19、圈空心線圈高高特別適合寬頻特別適合寬頻較高較高光學互感器光學互感器有待提高有待提高小電流時有待提小電流時有待提高高較高較高CVTCVT有待提高有待提高有待提高有待提高中等中等結(jié)論：從保護的角度：空心和光學互感器為首選；結(jié)論：從保護的角度：空心和光學互感器為首選； 從計量的角度：對于工頻測量，從計量的角度：對于工頻測量，LPCT是首選；對于沖擊性負荷的是首選；對于沖擊性負荷的寬頻測量，空心線圈是首選。寬頻測量，空心線圈是首選。針對傳統(tǒng)電流互感器和電子式電流互感器的思考 關于絕緣結(jié)構(gòu)：充油型 充氣型關于測量頻帶：如果采用LPCT，電子式互感器和傳統(tǒng)的互感器沒有任何差別。關于飽和問題：如果采用空心線

20、圈，可以極大地改善。結(jié)論：將兩者的優(yōu)勢結(jié)合起來，可以走出現(xiàn)有的誤區(qū)。一種新的絕緣結(jié)構(gòu)的電子式電流電壓組合式互感器 特點1：采用倒立式氣體絕緣電流互感器的絕緣結(jié)構(gòu)，使得電流測量線圈和信號調(diào)制電路板均位于地電位，因而可以直接采用普通電源用電纜供電，不再需要光供電，大大提高了可靠性；特點2：電子式電壓互感器利用倒立式氣體絕緣電流互感器的一次導體和內(nèi)層、外層電氣連通的雙層屏蔽筒構(gòu)成的地電極，巧妙地構(gòu)造出同軸圓柱形電容器分壓，克服了多級電容串聯(lián)分壓方式易受外界環(huán)境因素引起的分布電容變化影響的缺點，測量準確度高，穩(wěn)定性好；542310612141722251620212324151819811117913

21、一種新的絕緣結(jié)構(gòu)的電子式電流電壓組合式互感器 該新型電子式互感器和傳統(tǒng)互感器比較：采用了空心線圈作為保護，提高了暫態(tài)性能。采用同軸圓柱形電容器分壓，克服了CVT易受外界影響的缺陷。該新型電子式互感器和光供電型的電子式電流互感器比較：采用傳統(tǒng)倒立式氣體絕緣電流互感器的絕緣結(jié)構(gòu)，不需光供電，可靠性大為提高。542310612141722251620212324151819811117913幾點思考電壓等級：10kV、35kV、110kV、220kV、500kV測量原理：無源、有源結(jié)構(gòu)型式：獨立式；電壓電流組合式 組合到斷路器中思考之一電子式互感器的出現(xiàn)改變了整個變電站數(shù)據(jù)采集的格局和結(jié)構(gòu)不管是采用

22、電子式還是傳統(tǒng)式互感器，只要是采用61850的數(shù)字輸出，變電站的過程層的數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)被完全的改變。A/D變換前移，優(yōu)點：。缺點：風險集成度更高，特別是對計量系統(tǒng)的影響是及其深遠的。思考之二對計量系統(tǒng)的影響電子式互感器給計量帶來的好處：電壓互感器：消除二次回路的壓降。電流互感器：頻帶寬（現(xiàn)在的認識存在很大的誤區(qū)?。捎糜诜蔷€性負荷的計量。電子式互感器給計量帶來的不利一面：A/D變換前移，使得高準確度的計量受到極大的影響。受A/D位數(shù)、采樣率（受功耗的制約）等諸多因素的影響。頻帶的問題？目前缺乏對數(shù)字式計量的整體研究。結(jié)論：電子式互感器的輸出目前不可能用于計量。需要重新修改電子式互感器的標準，并制訂有關數(shù)字式計量體系的標準，需要有一個相對較長的過程。思考之三有源電子式互感器的可靠性美國的JDSU獨家生產(chǎn)有源電子式互感器的供電：對電網(wǎng)的安全有重要影響。電子式互感器在戶外含有大量的電子元器件，特別是高壓側(cè)。解決方案：采取新的絕緣結(jié)構(gòu)的互感器，徹底去掉光供電的隱患，并建立自身的自診斷系統(tǒng)；采用不同于傳統(tǒng)互感器的在線校驗方案。思考之四電子式互感器的在線校驗傳統(tǒng)