（电机与电器专业论文）电子式互感器的关键技术及其相关理论研究.pdf

电子式互感器的关键技术及其相关理论研究 输出电流，起到了稳定电压和保护后续电路的作用。激光电源方案以先进的光电转换器、 半导体激光二极管和光纤为基础，单独一根上行光纤同时完成供能和控制信号的传输， 在不影响光供能稳定性的情况下，数据通信完成在短暂的供能间隔中。在高电位端控制 信号通过在能量变换电路中增加一个比较器电路被提取出来。本文还提出了一种将两种 供能方式结合使用的组合电源，并设计了这两种电源之间的切换方法，解决了取电c t 电源的死区问题，延长了激光器的使用寿命。 作为综合应用实例，设计并完成了以l p c t 为传感器、由组合电源供能、采用低功 耗技术的高压电子式电流互感器。互感器高压侧的一次转换器能够提供两路传感器数据 通道，并且具有温度补偿和采集通道的自校正功能，在更宽温度、更大电流范围内保证 了极高的测量精度：互感器低电位端的二次转换器具有数字和模拟接口，可以接收数据 并发送命令来控制一次转换器，包括同步和校正命令在内的数据信号可以通过同一根供 能光纤传送到一次转换器。该互感器具有在线监测功能，这种预防性维护和自检测功能 够提示维护或提出警告，提高了可靠性。系统测试表明：具有低功耗光纤发射驱动电路 的一次转换器平均功耗在4 0 r o w 以下：上行光纤中通信波特率可以达到2 0 0 k b s ，下行光 纤中更是高达2 m b s ；系统准确度同时满足i e c 6 0 4 4 - 8 标准对0 2 s 级测量和5 t p e 级保 护电子式互感器的要求。 关键词：电子式互感器；数据融合；数字接口；组合电源；低功耗；光电传输 本论文得到国家自然科学基金( 项目编号5 0 4 4 7 0 0 6 ) 和大连市科技计划项目( 项目编号 2 0 0 6 a 1 0 g x 0 6 0 ) 的资助。 大i 瓤大学博士学位论文 i n v e s t i g a t i o n so nt h ek e yt e c h n o l o g ya n dr e l e v a n tt h e o r yo fe l e c t r o n i c t r a n s f o r m e r s a b s t r a c t e l e c t r o n i ct r a n s f o r r n e r s r e p r e s e n t a l la t t r a c t i v es o l u t i o nf o ra l t e r n a t i n gc u r r e n ta n d v o l t a g em e a s u r e m e n ta th i 曲v o l t a g eg r a d e sp o w e rs y s t e m ，s i n c et h e y f e a t u r eaw i d e b a n d w i d t h ，h i g hd e g r e eo fi n s u l a t i o n ，a n dl o wc o s tc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a li n d u c t i v e i n s t r u m e n tt r a n s f o r m e r s b e i n ge n c o u r a g e db yr e c e n tp r o g r e s si ni n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n d r e q u i r e m e n t so ft h ec o m p e t i t i v ep o w e rm a r k e t ，c o n s i d e r a b l ei n t e r e s th a sb e e np a i dt ot h e e l e c t r o n i ct r a n s d u c e r s ，a n dn e wt e c h n o l o g i e sa r ec o n s t a n t l yb e i n gi n t r o d u c e dt oe l e c t r o n i c t r a n s f o r m e rw i t ht h ea i mo fi m p r o v i n gr e l i a b i l i t y ，r e d u c i n gt o t a ll i f e c y c l ec o s t sa n d m l m m m n ge n v i r o n m e n t a li m p a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt oc o r r e l a t i v et h e o r ya n dt e s t r e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g yi nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r s ， i n c l u d i n gn e wt y p es e n s o r s ，d a t af u s i o na l g o r i t h mo fd o u b l e - s e n s o r s ，d e s i g no fp r i m a r y s e n s o r s ，d i g i t i n t e r f a c er e s e a r c h ，c o m b i n e dp o w e rs u p p l y ，l o wp o w e rt e c h n o l o g ya n d s u p e r v i s o r yf u n c t i o n s a tp r e s e n tt h eo p e n l o o p e ds t r u c t u r ew i t hs i n g i es e n s o ri s a p p l i e dt ot h em a j o r i t yo f e l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r s ( e c t s ) a n dt h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t so f e v e r yl i n ka r eh i 曲i nt h eo p e n - l o o p e ds t r u c t u r e ，i ts e v e r e l yl i m i tt h ei m p r o v e m e n to ft h e o v e r a l lp e r f o r m a n c eo fe c ta n dt h ep r a c t i c a l i t yo fe c t s t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h e p r i n c i p l eo ft w on e ws e n s o r s ：l o wp o w e rc u r r e n tt r a n s f o l i n e r ( t a , c a 3w i t ht h es t r u c t u r eo f i r o nc o r ec o i la n dt h ep r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) a i rc o r ec o i lw i t l ld 蟛t a li n t e g r a t o r o nt h e b a s eo ft h o s ea b o v e ，ap r i m a r yc u r r e n ts e n s o ri sd e s i g n e dw i t hc o m b i n e ds t r u c t u r eo fl p c t a n df e ba i rc o r ec o i l ，a n di t i n t e g r a t e sb o t ha d v a n t a g e so ft h e s et w ok i n d so fs e n s o r sa n d p o s s e s s e st h ef e a t u r e so fp a r a l l e lc o n n e c t i o n t h ed a t af u s i o na i g o f i t h mi su s e dt oa c h i e v e h i g hp r e c i s i o nm e a s u r e m e n ta n di m p r o v es y s t e mr e l i a b i l i t y an e wm e t h o dt od i s t i n g u i s ht h e s a t u r a t i o no fl p c ti sp r o p o s e d t h ee x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r i m a r y c u r r e n ts e n s o rc a nc o v e raw i d ec u r r e n tr a n g ea n da c h i e v et h ea c c u r a c yr e q u i r e m e n t si ni e c 6 0 0 4 4 - 8s t a n d a r da b o u tt h ea m p l i t u d em e a s u r e m e n t , c o m p o u n de r r o ro fp r o t e c t i v er e l a y i n g a n dp e a kv a l u eo ft r a n s i e n tr e s p o n s e ，a n da l s oi tc a nb eu s e da sam u l t i p u r p o s ed e v i c e t h ep r i n c i p l e ，s t r u c t u r ea n do u t p u ts i g n a lo ft h ee l e c t r o n i cv o l t a g et r a n s f o r m e r , w h i c h b a s e do n ar e s i s t i v ev o l t a g ed i v i d e r ，a r ev e r yd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lv o l t a g et r a n s f o r m e r ar e s i s t o rd i v i d e rv o l t a g es e n s o rf o rl o k vs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e dt h a tc a nr e p l a c e t r a d i t i o n a lv o l t a g et r a n s f o r m e r t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t sa n dc a l c u l a t i o n s ，t h ec o n c l u s i o nc a n i l l 电子式互感器的关键技术及其相关理论研究 b ed r a w nt h a tt h ep e r f o r m a n c eo far e s i s t o rv o l t a g et r a n s f o l m e rc o u l db ea f f e c t e db yt h e r e s i s t o r sa n ds t r a yc a p a c i t a n c e a l s os o m es o l u t i o n sa r es u g g e s t e dt or e d u c et h ee r r o r t h e a c c u r a c yt e s tr e s u l t sh a v es h o w e dt h a tt h er e s i s t o rd i v i d e rc o u l ds a t i s f yt h er e q u i r e m e n to f i e c6 0 0 4 4 - 7a n dt h em e a s u r e m e n t a c c u r a c yc o u l dr e a c hc l a s s0 2 t h ei n t e r m a ld i g i t a ld e s i g na n ds t a n d a r di n t e r f a c ei st h ek e yt e c h n o l o g yo fe l e c t r o n i c t r a n s f o r m e r s ，t h i sp a p e rd e s i g n s a l la p p l i e d d i g i t a ls y s t e mb yp u t t i n gf o r w a r da1 0 k v c o m b i n e de l e c t r o n i ct r a n s f o r m e ra sa ne x a m p l e t h er e s i s t o rd i v i d e ra c t sa st h ev o l t a g es e n s o r o ft h ec o m b i n e dp r i m a r ys e n s o r ，a n dt h ec u r r e n ts e n s o ri sac o m b i n e ds t r u c t u r ew h i c hb a s eo n t h ed a t af u s i o na l g o r i t h m w i t hr e g a r dt os t a n d a r di n t e r f a c e ，i ts o l v e dt w op r o b l e m s ：t h e s y n c h r o n i z a t i o no ft r a n s f o r m e r sa n dt h ei n t e r n a ls y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n ts e n s o r s a l s o ，t h er e a l i z a t i o no f1 0 0 me t h e r n e ti n t e r f a c ei sa c c o m p l i s h e di na c c o r d a n c ew i t hi e c 6 1 8 5 0 9 1s t a n d a r d p o w e rs u p p l yf o rt h o s ea c t i v e e l e c t r o n i ce l e m e n t sa tt h eh i g h - v o l t a g ep a r ti sak e y t e c h n i q u ei nh i g hv o l t a g ee l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e rs y s t e m t w om e t h o d sf o rp o w e r s u p p l ya r ep r o p o s e di nt h i sp a p e r ：s e l f - s u p p l y i n gc u r r e n tt r a n s f o r m e r ( p o w e rs o u r c ea n d o p t i c a lp o w e rs u p p l y i nt h es e l f - s u p p l y i n gc tp o w e rs o u r c e ，e n e r g yi so b t a i n e dd i r e c t l yf r o m t h ep o w e rl i n eb ys o m et a i l o r - m a d ec t 。b ys e t t i n ga ni n d u c t a n c ei ns e r i e sw i t ht h ec ta n d t h er e c t i f i e rb r i d g e ，t h ev o l t a g eo nt h er e c t i f i e ri sr e d u c e dt ot h ea c c e p t a b l el e v e la n dt h e o u t p u tc u r r e n tf r o mt h ec t i sa l s ol i m i t e dt ov e r ys m a l l t h u s ，t h ei n d u c t a n c eh e l p ss t e a d yt h e v o l t a g ea n dp r o t e c tt h ef o l l o wc i r c u i t t h eo p t i c a lp o w e rs u p p l yi sb a s e do ns t a t e o f - t h e a r t o p t i c a l - t o e l e c t r i c a lp o w e rc o n v e r t e r s ，s o l i d - s t a t ed i o d el a s e r sa n do p t i c a lf i b e r s c o m m a n d d a t as i g n a l sc a nb et r a n s m i t t e dv i at h es a m eu p f i b e rw h i c hi su s e dt ot r a n s m i tp o w e rf r o m s e c o n d a r yp o w e rs u p p l yt op r i m a r yc o n v e r t e r t h ed a t at r a n s m i s s i o ni sf i n i s h e dd u r i n gt h e b r i e fi n t e r r u p t i o n so fo p t i c a lp o w e rs u p p l ya n da tt h es a m et i m ei td o e sn o ta f f e c tt h es t e a d y e l e c t r i c a lp o w e r - s u p p l y t h ec o m m a n dd a t ac a nb ep i c k e dt h r o u g has i m p l ec o m p a r a t o r c i r c u i ta d d e dt ot h ep o w e r - c o n v e r s i o nc i r c u i ti nt h ep r i m a r yc o n v e r t e r f i n a l l y ，t h ep a p e r p r o p o s e sap o w e rs u p p l yw h i c hi sc o m b i n e do ft h es e l f - s u p p l y i n gp o w e rs o u r c ea n dt h e o p t i c a l ，a n dp r o v i d e st h es w i t c ht e c h n i q u eb e t w e e nt h et w os u p p l i e s t h ed e a da r e ai sg o tr i d o fi nt h es e l f - s u p p l y i n gc tp o w e rs o u r c ea n dt h el i f e t i m eo ft h eo p t i c a lp o w e rs u p p l yi s i m p r o v e d a sag e n e r a la p p l i c a t i o n ，a d o p t i n gt h el o w p o w e rc o n s u m p t i o nt e c h n o l o g y ，ac o m b i n e d s u p p l yp o w e r e de c tb a s e do nl p c tu s e di nh i g hv o l t a g ep o w e rs y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d t h ep r i m a r yc o n v e r t e ri n c l u d e st w op r i m a r ys e n s o rd a t ac h a n n e l sw i t ha c t i v et e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o na n ds e l f - c a l i b r a t i o na tt h eh i g hv o l t a g ep a n i te n s u r e se v e nh i g h e ra c c u r a c y w h e ni tw o r k si na ne x t e n d e dt e m p e r a t u r er a n g ea n daw i d ec u r r e n tr a n g e t h es e c o n d a r y c o n v e r t e ra tt h el o wv o l t a g es i d ew i t ha n a l o ga n dd i g i t a lo u t p u ti n t e r f a c e sc a nr e c e i v ed a t a f r o mp r i m a r yc o n v e r t e ra n ds e n d st h es i g n a lt oc o n t r o lt h ep r i m a r yc o n v e r t e r t h ed a t as i g n a l s i v 大连理工大学博士学位论文 o fs y n c h r o n i z a t i o na n dc a l i b r a t i o nc a l lb et r a n s m i t t e dv i at h es a m eo p t i c a lf i b e rw h i c hi su s e d t ot r a n s m i tp o w e rt op r i m a r yc o n v e r t e r s o m eo n l i n es u p e r v i s o r yf u n c t i o n sh a v ea l s ob e e n s u c c e s s f u l l ya c c o m p l i s h e di nt h i ss y s t e m ，a n dt h i sf o r mo fp r e v e n t i v em a i n t e n a n c eo rb u i l t i n t e s tw i l le n h a n c et h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mb y g i v i n ga d v a n c ew a r n i n ga n di n d i c a t i n g n e c e s s a r ym a i n t e n a n c e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r i m a r yc o n v e r t e rw h i c h i n c l u d e st h ei m p r o v e dc i r c u i td r i v i n gf i b e rt r a n s m i t t e rc a nw o r k r e l i a b l yc o n s u m i n ga v e r a g e l y n om o r et h a n4 0 m wp o w e r ：d a t as i g n a lc a nb et r a n s m i t t e da tb a u dr a t ea sf a s ta s2 0 0 k b s f r o mt h es e c o n dt ot h ep r i m a r yc o n v e r t e r ，a n d2 m b sa tt h eo p p o s i t ed i r e c t i o n ；t h ee c tc a l l m e e tt h ea c c u r a c yr e q u i r e m e n to fi e c6 0 0 4 4 - 8s t a n d a r d0 2 sc l a s sf o rm e a s u r i n gc u r r e n t t r a n s f o r m e ra n d5 t p ec l a s sf o rp r o t e c t i v ec u r r e n tt r a n s f o r m e l k e yw o r d s ：e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r ：d a t af u s i o n ：d i g i t a li n t e r f a c e ：c o m b i n e dp o w e rs u p p l y ： l o w p o w e rc o n s u m p t i o n ；o p t o e l e c t r i ct r a n s m i s s i o n p r o j e c ts u p p o r t e db yn a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 5 0 4 4 7 0 0 6 ) a n d d a l i a ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o g r a m ( n o 2 0 0 6 a 1 0 g x 0 6 0 ) 一v 一 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学博士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 电子式互感器的发展背景 为了保证电力系统安全经济的运行，需要对电力系统及其中各电力设备的相关参数 进行测量，以便对其进行必要的计量、监控和保护1 1 3 1 。通常的测量和保护装置不能直 接连到高电压、大电流的电力回路上，而需将这些高电压端的电力参数按比例变换成低 电压端的参数或信号，以供给测量仪器、仪表、继电保护和其他类似的电器使用。进行 这种变换的装置，通常称为电力互感器或仪用变压器1 4 5 j ( i n s t r u m e n tt r a n s f o r m e r ) 。互 感器是电力系统中用于电能计量和继电保护的重要设备之一，其测量准确度及可靠性对 电力系统的安全、稳定和经济地运行有着重要的影响。 电力互感器按量测参数类别通常可分为两大类：一类是电流互感器【4 】( c u r r e n t t r a n s f o r m e r ，c t ) ；另一类是电压互感器【5 1 ( v o l t a g et r a n s f o r m e r ，v t ) 。电流互感器是 将一次回路的大电流成比例的变换为二次回路小电流。电压互感器是将一次回路的高电 压成比例的变换为低电压。电力互感器还可以按电流变换原理分为电磁式互感器和新型 互感器。传统的c t 、v t 属于电磁式互感器，根据电磁感应原理传感电流、电压的变化； 新型互感器一般基于光电技术和电子技术，因此，根据国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a l e l e c t r ot e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，简称i e c ) 标准【1 1 , 1 2 ，新型互感器被统称为电子式互感器 ( e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r ) ，代表了电力互感器的发展动向。 随着电力系统的发展，发电和输变电容量不断增加，电网电压不断提高，对电流和 电压互感器提出了许多新的和更加严格的要求【6 】，而传统的电磁式互感器已越来越不适 应这种发展情况，在运行中暴露出一系列严重缺点： ( 1 ) 绝缘结构复杂，体积笨重，造价高。特别是用于超高压系统，并且要满足大短 路容量的动稳定及热稳定要求。 ( 2 ) 电流互感器线性度低，在短路时容易饱和，静态和动态准确范围小。特别是用 于超高压系统，并考虑暂态工作循环的性能。 ( 3 ) 电压互感器可能出现铁磁谐振，损坏设备。 ( 4 ) 由电流、电压互感器引至二次保护控制设备的电缆是电磁干扰的重要耦合途径。 ( 5 ) 采用油浸纸等绝缘材料，易燃易爆，不安全。 在另一方面，随着电子和计算机技术的飞跃发展，电力系统的传统设备正在更新换 代，性能优越的电子设备逐步取代笨重、昂贵的传统设备，新的微机保护系统已不再要 求电力互感器提供驱动功率，各种类型基于不同测量原理的新型互感器应运而生【7 ，副。但 电子式互感器的关键技术及其相关理论研究 经过了三十多年的发展，直到近几年才取得重大进展，下述因素大大促进了新型互感器 的开发和应用 9 , 1 0 】： ( 1 ) 微电子技术广泛用于测量、保护等领域，基于微机保护的二次设备功率消耗很 小，一般不超过1 伏安甚至为毫伏安级，对互感器的输出容量要求大大降低。但二次设 备的低电平对抗电磁干扰提出了更严格的要求。 ( 2 ) 开关设备的集成化和智能化要求互感器体积小、重量轻，输出实现数字化。 ( 3 ) 发电厂和变电站综合自动化的广泛应用，要求互感器输出数字化，甚至要求直 接接入过程总线，以实现设备的网络化。 ( 4 ) 数字技术和光通信技术的快速发展，使互感器输出信号可方便地变成数字信号， 并通过光纤传输，彻底解决了高压设备的绝缘问题和电磁干扰问题。 电子式互感器就是在这种背景下迅速发展起来了。 1 2 电子式互感器发展与研究现状 1 2 1 电子式互感器简介 现在，国际上很多单位都在加紧研制各种类型的电子式互感器。国际电工委员会制 定了电子式互感器的标准。m c6 0 0 4 4 7 ：1 9 9 9 互感器第七部分：电子式电压互感器 于1 9 9 9 年颁布：i e c 6 0 0 4 4 8 ：2 0 0 2 互感器第八部分：电子式电流互感器于2 0 0 2 年颁布。这些标准对电子式互感器的使用条件，技术要求和规格等作了全面的、详细的 规定。使用条件原则上与常规互感器相同的，但技术要求和规格则基于电子式互感器的 特性，具有明显的差异。 i e c 6 0 0 4 4 8 标准对标称频率在1 5 h z 到1 0 0 h z 范围内，具有模拟电压输出或数字输 出，用于测量和保护的新型电流互感器进行了详细的描述及规定，并指出，传感器可以 是光学电子设备、空心线圈及装配有取样电阻器用作电流电压转换的铁心线圈( 即铁心 线圈式低功率电流传感器l o wp o w e rc u r r e n tt r a n s f o r m e r ，l p c t ) , 1 e c6 0 0 4 4 - 7 标准指 出，电子式电压互感器是由分压器( 电阻式或电容式) 或光学装置以及用来传输、放大 信号的电子器件组成，电子式电压互感器根据传感原理的不同主要有光电电压互感器， 电容分压式电压互感器和电阻分压式电压互感器。 根据i e c 标准，电子式互感器包括连接传输系统和二次转换器的一个或多个电流、 电压传感器，将被测量按比例传送给测量仪器、仪表和保护或控制装置，装置的输出可 能是模拟量也可能是数字量。对于模拟量输出的互感器，二次转换器采集的信号经处理 后直接供给二次设备；对于数字输出的互感器，可以用一个汇接单元将多个二次转换器 汇集输出至二次设备。实用上电子式电流互感器( e l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r ，简称 e c t ) 和电子式电压互感器( e l e e t r o n i cv o l t a g et r a n s f o r m e r ，简称e v t ) 往往组成一个 一2 一 大连理工大学博士学位论文 装置。图1 1 为i e c 6 0 0 4 4 8 电子式电流互感器标准给出的单相电子式互感器通用结 构框图。 符号 围 i 二次转换i i 器p 案r 业剂m i v r ! 瑟丽群 i 器 l 毖e f 瓣鍪囤 设备失效 l 二次电源i 躲维修申请 l 一一。”i 图1 1 单相电子式电流互感器通用框图 f i g 1 1g e n e r a lb l o c kd i a g r a mo fas i n g l e - p h a s ee l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r ( 1 ) 一次传感器( p r i m a r ys e n s o r ) 是一种电气、电子、光学或其他的装置，分为一 次电压传感器( p r i m a r yv o l t a g es e n s o r ) 和一次电流传感器( p r i m a r yc u r r e n ts e n s o r ) ， 产生与一次电压或电流相对应的信号直接或经过一次转换器传送给二次转换器或二次 设备。 ( 2 ) 一次转换器( p r i r n a r yc o n v e r t e r ) 的功能是将来自一个或多个一次传感器的信号转 换成适合于传输系统的信号。 ( 3 ) 二次转换器( s e c o n d a r yc o n v e r t e r ) 将来自传输系统的信号转换成正比于一次端 子电流或电压的量，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。对于模拟量输出型的 电子式互感器，二次转换器直接供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。对于数字 量输出型的电子式互感器，二次转换器通常接至合并单元后再接二次设备。 h ) 传输系统( t r a n s m i t t i n gs y s t e m ) 是一次部件和二次部件之间传输信号的短距或 长距耦合装置，也可以传送功率。 ( 5 ) 合并单元( m e r g i n gu n i t ，m u ) 用以对来自二次转换器的电流和或电压数据进 行时间相关组合的物理单元。为了有效利用电子式电流和电压互感器的优点，信号必须 用统一的方式处理。以时间不确定性小于几微秒的同样状态取得的电流和电压瞬时值， 必须传输到测量和继电保护装置。对此，推荐的方法是组合来自一个设备间隔的各电流 和电压尹即三相的电流和电压按一个协议规则进行传输。 电子式互感器的关键技术及其相关理论研究 ( 6 ) 数字量输出( d i g i t a lo u t p u t ) 是由合并单元上的光学或电气输出接口生成，它以 电流和或电压数据的数字编码时间相关数组，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装 置。 图1 2 数字接口框图 h g 1 2b l o c kd i a g r a mo fd i g i t a li n t e r f a c e 图1 2 为数字输出型电子式互感器的通用框图。采用一台合并单元汇集多达1 2 个二 次转换器数据通道。一个数据通道承载一台电子式电流互感器或电压互感器采样测量值 的单一数据流。在多相或组合单元时，多个数据通道可以通过一个实体接口从二次转换 器传输到合并单元。合并单元对二次设备提供一组时间相干的电流和电压样本。二次转 换器也可以从常规电压或电流互感器获取信号，并可汇集到合并单元。依据所采用的技 术确定电子式互感器所需的部件，即图1 1 和图1 2 中列出的所有部件并不都是必需的。 电子式互感器目前按照采集电流信号所应用的物理原理划分有两大类： 一类是倍受人们关注的基于光效应的互感器【1 3 2 1 】( 光学电子式互感器) ，如采用法 拉第效应( f a r a d a ye f f e c t ) 等磁光变换原理的电流互感器，和泡克斯效应( p o c k e l se f f e c t ) 等电光变换原理的电压互感器等。这类电子式互感器直接用光信号进行信息变换和传 输，与高电压电路完全隔离，具有不受电磁干扰、不饱和、测量范围大、效应频带宽、 体积小、重量轻及便于数字传输等优点，适合于各种电压等级特别是在超高压开关设备 中的应用。而且，互感器处于高压侧的部分不需要电源。缺点是造价高，不稳定，性能 易受环境温度影响等。 大连理工大学博士学位论文 另一类是电子式互感器如空心线圈( 也被成为罗戈夫斯基线圈) 和l p c t 电流互感 器，电阻分压、电容分压或阻容分压的电压互感器等。这类电子式互感器与常规互感器 采用近似的物理原理，亦被称为半常规互感器【2 2 - 2 7 】，本文称之为混合型电子式互感器。 它们体积小、重量轻、暂态响应和运行性能良好，可靠性高，可以直接以模拟量形式输 出至就近的开关装置。也可用这种混合型互感器进行信息测量，但用光纤或总线技术进 行信息传送，这样可大大简化互感器的绝缘结构，以便用于高压系统。但这类电子式互 感器处于高压侧的传感器需要电源。 1 2 2 基于光学效应的电子式互感器 对基于光学效应的电子式互感器，国内外许多单位曾进行了长期的大量的研究工 作。我国有许多高等学校、研究所和制造厂正在积极进行开发研制。这类电子式互感器 的电流测量原理包括f a r a d a y 效应、磁致伸缩效应、k e r r 效应和逆压磁效应等；电压测 量原理包括p o c k e l s 效应、k e r r 效应和逆压电效应等。其中利用f a r a d a y 效应测量电流 和p o c k c l s 效应测量电压的方法最直接，装置最简单、精度高，所以应用范围最广、研 究力度最大i 碍3 2 j 。 二十世纪六十年代，人们就开始了对光学电子式互感器的探索，由于当时光导纤维 尚未出现，光通路中的光强波动厉害，测量的稳定性很差【3 3 】。七十年代，随着光导纤维 的出现，光学、光纤传感技术在高压电力系统中的应用研究出现热潮【弹3 们，但由于样机 的精度低、温度稳定性差，都未能挂网运行。八十年代后期以来，光电传感技术在电力 系统中的应用研究得到了突破性进展，美国、日本、法国等技术发达国家先后研制出多 种光学互感器样机，并在实际高压电站长时间运行【3 7 - 4 0 。九十年代，国外知名公司陆续 公布了它们研制的试验样机及其运行数据，并打出了产品广告。如1 9 9 7 年1 月a b b 公 司推出了额定电流2 k a 的1 1 5 k v - - 5 5 0 k v 的光学电压电流互感器的产品介绍1 4 1 1 。其绝 缘支柱采用内充s f 6 气体的硅橡胶复合绝缘子，测量精度达到i e c l 8 6 精度等级o 2 级。 整个互感器重量比较轻，5 5 0 k v 电压等级的产品总重量仅为2 7 6 7 k g 。法国g e c a l s t h o m 公司在美国b o n n e v i l l e 安装了5 2 5 k v 的光学电压电流互感器，其后，又陆 续在荷兰、比利时、加拿大和法国等国的变电站挂网试运行。1 9 9 7 年，又推出了1 2 3 k v - - 7 6 5 k v 光学电压电流互感器的产品广告【4 2 】，互感器可同时输出计量和保护用信号， 测量精度可达0 2 。北美的n x t p h a s e 公司于2 0 0 0 年3 月在s u r r c y ，b r i t i s hc o l u m b i a 的b ch y d