（电力系统及其自动化专业论文）电子式互感器的应用研究.pdf

华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 摘要 电力系统继电保护技术的发展趋势是向计算机化， 网络化， 智能化， 保护、 控制、测量 ( 计量)和通信一体化。这些都对互感器的数字化提出了要求。木 文描述了o e t 7 0 0系列电子式互感器的用途、范围、特征及工作原理，并对电 子式互感器与二次设备的接口现状进行分析，研制电子式互感器与w x h 一 土 1 微 机保护装置与传统录波器的接口部件， 并分析了其在焦作电网中的实际应用中 的相关问题。 实践证明，电子式互感器的应用研究项目不但可降低变电站的综 合成本， 更重要的是可大幅度提高系统内保护装置及计量装置的动作可靠性及 精度，对保证电网安全及有效提高计量回路的整体精度有重大的现实意义。 关键词:电子式互感器，数字化，微机保护，可靠性 论文类型:应用研究 a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n t t r e n d o f t h e r e l a y p r o t e c t i o n t e c h n o l o g y o f t h e p o w e r s y s t e m i s t o c o m p u t e r i z a t i o n , n e t w o r k i n g , i n t e l l i g e n t , p r o t e c t ， c o n t r o l ， m e a s u r i n g a n d c o m m u n i c a t i o n i n t e g r a t e . a l l t h e s e h a v e p u t f o r w a r d t h e d e m a n d f o r d i g i t i z a t i o n o f t h e m u t u a l i n d u c t o r . t h i s p a p e r h a v e d e s c r i b e d o e t t h e u s e o f 7 0 0 s c r i e s e s o f e l e c t r o n ic t y p e t r a n s f o r m e r ， s c o p e ， f e a t u r e a n d w o r k p r i n c i p l e , a n d f o r e l e c t r o n i c t y p e t r a n s f o r m e r w i t h t w i c e t h e i n t e r f a c e p r e s e n t s i t u a t io n o f e q u i p m e n t a n a l y s e t h e e l e c t r o n i c t y p e t r a n s f o r m e r o f r 动态范围小，电流较大时，c t会出现饱和现象，饱和会影响二次保护设备正 确识别故障; 互感器的输出信号不能直接与微机化计量及保护设各接口; 易产生铁磁谐振等。 电子式互感器指输出为小电压模拟信号或数字信号的电流电压互感器。 由 于模拟输出的电子式互感器仍存在传统互感器的一些固有缺点， 现在发展的高 电压等级用电子式互感器一般都用光纤输出数字信号( 以下的电子式互感器均 指此类电子式互感器) 。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，而且信号输出采用比电缆廉价的光缆 目前光 缆价格己降至 1 0 0 0元/ 芯/ 千米)降低了综合成本。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。 由于电子式互感器的诸多优点， 电子式互感器取代传统互感器将只是一个 时间问题。 国际上， 电子式互感器已逐步成熟， 正己越来越快的速度推广运用。 其中a b b 、西门子等公司生产的电子式互感器己 有十几年的成功运行业绩。采 用电子式互感器的数字化变电站在欧洲也已经投入运行。 我国电子式互感器的 研制和运用相对比 较落后， 仅有为数不多的变电 站使用了一些进口的电子式互 感器。 国内有二十余家企业和高校涉足了电子式互感器的开发， 经过多年的努 力，已有若干套设备在现场试运行。 1 . 2电子式互感器的工作原理 根据传感方式的不同，电子式c t , p t 可分为无源光电式c t , p t 和有源电 子式c t , p t 两类。 1 . 2 . 1 无源光电式o t , p t 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 f a r a d a y磁光效应测量电流的，如图2 所示。l e d( 发光二极管)发出的 光经起偏器后为一线偏振兴， 线偏振兴在磁光材料 ( 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 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 第一章 绪论 1 . 1 使用电子互感器的目的和意义 现在我国电力系统中一直用电 磁式c t 电流互感器)和p t( 电硬度互感 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。电磁式互感器的缺点是绝缘难度 大， 特别是5 0 0 k v 以上，因绝缘而使得互感器的体积、 质量及价格均提高; 动态范围小，电流较大时，c t会出现饱和现象，饱和会影响二次保护设备正 确识别故障; 互感器的输出信号不能直接与微机化计量及保护设各接口; 易产生铁磁谐振等。 电子式互感器指输出为小电压模拟信号或数字信号的电流电压互感器。 由 于模拟输出的电子式互感器仍存在传统互感器的一些固有缺点， 现在发展的高 电压等级用电子式互感器一般都用光纤输出数字信号( 以下的电子式互感器均 指此类电子式互感器) 。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，而且信号输出采用比电缆廉价的光缆 目前光 缆价格己降至 1 0 0 0元/ 芯/ 千米)降低了综合成本。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。 由于电子式互感器的诸多优点， 电子式互感器取代传统互感器将只是一个 时间问题。 国际上， 电子式互感器已逐步成熟， 正己越来越快的速度推广运用。 其中a b b 、西门子等公司生产的电子式互感器己 有十几年的成功运行业绩。采 用电子式互感器的数字化变电站在欧洲也已经投入运行。 我国电子式互感器的 研制和运用相对比 较落后， 仅有为数不多的变电 站使用了一些进口的电子式互 感器。 国内有二十余家企业和高校涉足了电子式互感器的开发， 经过多年的努 力，已有若干套设备在现场试运行。 1 . 2电子式互感器的工作原理 根据传感方式的不同，电子式c t , p t 可分为无源光电式c t , p t 和有源电 子式c t , p t 两类。 1 . 2 . 1 无源光电式o t , p t 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 f a r a d a y磁光效应测量电流的，如图2 所示。l e d( 发光二极管)发出的 光经起偏器后为一线偏振兴， 线偏振兴在磁光材料 ( 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 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 偏振光旋转的角度0 与载流导体中流过的电 流 i 有如下关系: 电嵘计 耸仿略 电3 c 雌份偏号 电恤计盈俄y y 电筑雄倪c n 兮 菌1 先匆电流和电压相古式发璐骼址盆 嗽火石农璐 目 名 光攀电流传感甜肺理圈 0 二 v .f h d l = vf h d l = v i ( 1 ) 式中，v为磁光材料的 v e r d e t常数。角度 0 与被测量电流 i 成正比，利用检 偏器将角度。 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 可求得被测电流 i , 光学电压传感器是利用p o c k e l s 电压的，如图3 所示。l e d 发出的光经起 偏振光， 在外加电压作用下，线偏振光经电光晶体 ( 如b g o 晶体) 后发生双折 射，双折射两光束的相位差6 与外加电压v 有如下关系: 8= 2n n 8a y 4 1 _ 上 v= n ( v 二 二a虫 )( 2 ) x d v 二2 n 9 0 y 4 1 式中n 。 为b g o的折射率;y 4 1 为b g o 的电光系数:1 为b g o中光路长度;d 为 施加电压方向的b g o 厚度;a 为入射光波长; v 二 为晶体的半波电压。 相位差s 与外加电压v 成正比，利用检偏器将相位差6 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被测电压。 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 起偏游 抢偏器 图 3 光学电压传感器原理图 1 . 2 . 2有源电子式 c t 和 p t 图4 所示为有源电子式c t 的结构示意图。感应被测电流的线圈通常采用 r o g o w s k i 线圈，r o g o w s k i 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，r o g o w s k i 线圈输出的信号。 与被测电流 i 有如 下关系: e ( t ) =一气， =一u o n s l s a , ( 3 ) e ( t ) 经积分变换及a / d 转换后，由l e d 转换为数字光信号输出， 控制室的 p i n 及信号处理电路对其进行光电变换及相应的信号处理，使可输出供微机保 护和计量用的电信号。 图4 有源电 子式c t 结构示意图图6 r o g o w s l d 线圈 图6 所示为有源电子式p t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l e d 转换，以数字光信号的形式送至控制室，控制室 的p 工 n 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。 有源电子式 c t , p t 的一次高压侧有电子电路， 其电源的供给方式主要有两 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 类，一类是光供电，即控制室内l d发出的光由光纤送至高压侧，再经光电变 换转换为电能供电路工作;另一类是利用一小 c t从高压线路上获取电能供电 路工作。 图6 有源电子式p t 的结构示意图 1 . 3 国内外研究进展 下面对a b b 和a l s t o m 等公司近代表性的电子式互感器进行简要介绍。 1 . 3 . 1 a b b 公司 目 前，a b b 公司已研制出多种无源及有源电子式互感器，如磁光电流互感 器 ( m a g n e t o o p t i c c u r r e n t t r a n s d u c e r ) 、电光电压互感器 ( e o v t e l e c t r o o p t i c v o l r a g e t r a n s d u c e r ) 、组合式光学测量单元 ( o m u o p t i c a l m e t e r i n g u n i t )、 数 字 光 学 仪 用 互 感 器(d o i t d i g i t a l o p t i c a l i n s t r u m e n t t r a n s f o r m e r )等。其电子式互感器已在插接式智能组合电器 ( p a s s ) , s f 。 气体绝缘开关 ( g i s ) ,高压直流 ( h v d c ) 及中低压开关柜中得到 应用。 1 . 3 . 1 . 1 组合式光学测量单元 a b b 研制的电流电压组合式光学测量单元 ( o m u ) ，电流传感器位于o m u的 顶部，电压传感器位于 o m u的中部，硅橡胶复合绝缘子内充 s f 6 绝缘气体。电 流传感器的工作基于 f a r a d a y磁光效应，电压传感器的工作基于纵向调制 p o c k e t s 电 光效应。 1 . 3 . 1 . 2 数字光学仪用互感器 a b b研制的数字光学仪用互感器 ( d o i t )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 1 1所示，图中 p l d是光电发光二极管 ( p h o t o l u m i n e s c e n c e d i o d e ) . p l d 一方 面可 将波长为x , 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a z 的数字光信号。d o i t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。 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 类，一类是光供电，即控制室内l d发出的光由光纤送至高压侧，再经光电变 换转换为电能供电路工作;另一类是利用一小 c t从高压线路上获取电能供电 路工作。 图6 有源电子式p t 的结构示意图 1 . 3 国内外研究进展 下面对a b b 和a l s t o m 等公司近代表性的电子式互感器进行简要介绍。 1 . 3 . 1 a b b 公司 目 前，a b b 公司已研制出多种无源及有源电子式互感器，如磁光电流互感 器 ( m a g n e t o o p t i c c u r r e n t t r a n s d u c e r ) 、电光电压互感器 ( e o v t e l e c t r o o p t i c v o l r a g e t r a n s d u c e r ) 、组合式光学测量单元 ( o m u o p t i c a l m e t e r i n g u n i t )、 数 字 光 学 仪 用 互 感 器(d o i t d i g i t a l o p t i c a l i n s t r u m e n t t r a n s f o r m e r )等。其电子式互感器已在插接式智能组合电器 ( p a s s ) , s f 。 气体绝缘开关 ( g i s ) ,高压直流 ( h v d c ) 及中低压开关柜中得到 应用。 1 . 3 . 1 . 1 组合式光学测量单元 a b b 研制的电流电压组合式光学测量单元 ( o m u ) ，电流传感器位于o m u的 顶部，电压传感器位于 o m u的中部，硅橡胶复合绝缘子内充 s f 6 绝缘气体。电 流传感器的工作基于 f a r a d a y磁光效应，电压传感器的工作基于纵向调制 p o c k e t s 电 光效应。 1 . 3 . 1 . 2 数字光学仪用互感器 a b b研制的数字光学仪用互感器 ( d o i t )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 1 1所示，图中 p l d是光电发光二极管 ( p h o t o l u m i n e s c e n c e d i o d e ) . p l d 一方 面可 将波长为x , 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a z 的数字光信号。d o i t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。 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 i 、，“ . 二 五r+t:tcr 170 :t uircu 1 . 3 . 1 . 3 图7电流测量原理框图 p a s : 及g i s 中用的有源电子式电流电压互感器 a b b 研制用于 p a s s 及 g i s中的有源式电流电压组合互感器，电流的测量 采用 r o g o w s k i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 电流电压信号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。 1 . 3 . 1 . 4 开关柜中使用的电子式互感器 a b b 研制的用于新型智能化开关柜中的电子式互感器，其电流的测量基于 r o g o w s k i 线圈，电压的测量基于电阻分压。 1 . 3 . 2 a l s t o m公司 a l s t o m公司主要研究无源电子式互感器，目前已研制出 1 2 3 k v至 7 5 6 k v 的光学电流互感器 ( c t o c u r r e n t t r a n s f o r m e r w i t h o p t i c a l s e n s o r s ) 、光 学电 压互感器 ( v t o v o l t a g e t r a n s f o r m e r w i t h o p t i c a l s e n s o r s )及组合式 光学电流电压互感器 ( c m o c o m b i n e d m e a s u r e m e n t c u r r e n t - v o l t a g e t r a n s f o m e r w i t h o p t i c a l s e n s o r s ) 等电子式互感器。自1 9 9 5 年以来， a l s t o m 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( c m o ) ， 其电流传感器的工作基于f a r a d a y 磁光效应，电压传感器的工作基于横向调制p o c k e l s 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。 1 . 3 . 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 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 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，目 . 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a b b , a l s t o m 等公司) 的水平。 前几年，国内研究重点主要是无源光电式互感器、电压互感器，并在 广东新会挂网试运行。近年来，由于有源式电子式互感器的技术较为成熟，且 便于工业化生产，我国在有源式电子式互感器的研究己走在无源式的前面， 有 的产品己在多个变电站试运行近一年的经验， 运行情况良好， 可满足保护和计 量的要求，并通过了部级鉴定，达到国际先进水平。同时国内的二次设备制造 商开发了可与电子式互感器直接接口的数字接口继电保护装置、 数字接口电能 表等二次设备， 为电子式互感器的实际使用提供了基础。 如南瑞继保电气有限 公司己 研制出可用于 1 1 0 k v 及 2 2 0 k v g i s 的有源电子式电流互感器，实验表明 在 ( -4 0 - 4 0 )范围内，其计量精度达到0 . 2 级 1 . 4 应用前景 目前，电子式互感器己有国际标准 i r c 6 0 0 4 4 - 7 电子式电压互感器)和 i e c 6 0 0 4 4 - 8( 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。国内外研究实践证明，电子式互感器具有明显的技术和价格优势， 估 计1 1 0 k v 电子式互感器每台成本约1 万元左右，2 2 0 k v 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、s f 6气体绝缘开关 ( g i s )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。 国外大公司虽己 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。 1 . 5 本文的主要工作 本文描述了o e t 7 0 0系列电子式互感器的用途、范围、特征及工作原理， 并对电子式互感器与二次设备的接口现状进行分析，研制电子式互感器与 w x h - 1 1微机保护装置与传统录波器的接口 部件，并分析了 其在焦作电网中的 实际应用中的相关问题。 由于国际上得到长期运行考验的电子式互感器基本 仁 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 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，目 . 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a b b , a l s t o m 等公司) 的水平。 前几年，国内研究重点主要是无源光电式互感器、电压互感器，并在 广东新会挂网试运行。近年来，由于有源式电子式互感器的技术较为成熟，且 便于工业化生产，我国在有源式电子式互感器的研究己走在无源式的前面， 有 的产品己在多个变电站试运行近一年的经验， 运行情况良好， 可满足保护和计 量的要求，并通过了部级鉴定，达到国际先进水平。同时国内的二次设备制造 商开发了可与电子式互感器直接接口的数字接口继电保护装置、 数字接口电能 表等二次设备， 为电子式互感器的实际使用提供了基础。 如南瑞继保电气有限 公司己 研制出可用于 1 1 0 k v 及 2 2 0 k v g i s 的有源电子式电流互感器，实验表明 在 ( -4 0 - 4 0 )范围内，其计量精度达到0 . 2 级 1 . 4 应用前景 目前，电子式互感器己有国际标准 i r c 6 0 0 4 4 - 7 电子式电压互感器)和 i e c 6 0 0 4 4 - 8( 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。国内外研究实践证明，电子式互感器具有明显的技术和价格优势， 估 计1 1 0 k v 电子式互感器每台成本约1 万元左右，2 2 0 k v 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、s f 6气体绝缘开关 ( g i s )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。 国外大公司虽己 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。 1 . 5 本文的主要工作 本文描述了o e t 7 0 0系列电子式互感器的用途、范围、特征及工作原理， 并对电子式互感器与二次设备的接口现状进行分析，研制电子式互感器与 w x h - 1 1微机保护装置与传统录波器的接口 部件，并分析了 其在焦作电网中的 实际应用中的相关问题。 由于国际上得到长期运行考验的电子式互感器基本 仁 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 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，目 . 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a b b , a l s t o m 等公司) 的水平。 前几年，国内研究重点主要是无源光电式互感器、电压互感器，并在 广东新会挂网试运行。近年来，由于有源式电子式互感器的技术较为成熟，且 便于工业化生产，我国在有源式电子式互感器的研究己走在无源式的前面， 有 的产品己在多个变电站试运行近一年的经验， 运行情况良好， 可满足保护和计 量的要求，并通过了部级鉴定，达到国际先进水平。同时国内的二次设备制造 商开发了可与电子式互感器直接接口的数字接口继电保护装置、 数字接口电能 表等二次设备， 为电子式互感器的实际使用提供了基础。 如南瑞继保电气有限 公司己 研制出可用于 1 1 0 k v 及 2 2 0 k v g i s 的有源电子式电流互感器，实验表明 在 ( -4 0 - 4 0 )范围内，其计量精度达到0 . 2 级 1 . 4 应用前景 目前，电子式互感器己有国际标准 i r c 6 0 0 4 4 - 7 电子式电压互感器)和 i e c 6 0 0 4 4 - 8( 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。国内外研究实践证明，电子式互感器具有明显的技术和价格优势， 估 计1 1 0 k v 电子式互感器每台成本约1 万元左右，2 2 0 k v 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、s f 6气体绝缘开关 ( g i s )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。 国外大公司虽己 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。 1 . 5 本文的主要工作 本文描述了o e t 7 0 0系列电子式互感器的用途、范围、特征及工作原理， 并对电子式互感器与二次设备的接口现状进行分析，研制电子式互感器与 w x h - 1 1微机保护装置与传统录波器的接口 部件，并分析了 其在焦作电网中的 实际应用中的相关问题。 由于国际上得到长期运行考验的电子式互感器基本 仁 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 采用有源式， 而且国内尚没有通过鉴定的无源式电流电压互感器，因此本项目 选用有源式电子式互感器作为应用研究对象。 电子式互感器包括电子式混合互感器、 电子式电流互感器和电子式电压互 感器。其中电子式混合互感器同时具有电流互感器和电压互感器的功能。 电子式互感器的应用研究，将带来以下直接及间接效益: 1 , 容问题; 2 , 3 , 用光缆取代信号电缆，降低变电站投资，且无电子式互感器无电磁兼 电子式互感器绝缘结构简单，可采用干式绝缘，减少维护工作量; 电流互感器无饱和现象，大大提高各类保护的故障测量的准确性，从 而提高保护装置的正确动作率，保证电网的安全运行; 4 、二次设备不产生附加误差，降低计量回路二次损耗，提高计量装置测 量精度及灵敏度， 可保证低电流情况下的计量装置可靠动作，一长期经济效益不 可估量; 5 、节省二次设备更换投资，每站2 0 0 - - - 3 0 0 万元; 6 、每站占 地面积节省约1 0 % ; 7 、年度节省每间隔设备维护费用约 1 0 % 0 电子式互感器的应用研究项目不但可降低变电站的综合成本， 更重要的是 可大幅度提高系统内保护装置及计量装置的动作可靠性及精度， 对保证电网安 全及有效提高计量回路的整体精度有重大的现实意义。 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 2 o e 丁 7 0 0系列电子式互感器的基本原理 2 . 1 概述 o e t 7 0 。系列电子式互感器是利用电磁感应原理的r o g o w s k i 线圈以及串行 感应分压器实现的混合式交流电流电压互感器。o e t 7 0 0系列包括电流电压互 感器，电流互感器，电压互感器。 图1电 子式混合互感器的原理框 如图1 所示， 传感头部件包括串行感应分压器、 r o g o w s k i 线圈、 采集器等。 传感头部件与电力设备的高压部分等电位， 传变后的电压和电流模拟量由采集 器就地转换成数字信号。 采集器与合并器间的数字信号传输及激光电源的能量 传输全部通过光纤来进行。 o e t 7 0 。系列互感器绝缘结构非常简单，传感头部件在使用了分流器和 r o g o w s k i线圈后，电子式互感器可应用于直流系统，传感头部件中的采集器 以及互感器的其它部件不需另做设计。 为兼顾电子式互感器能够与传统互感器混合应用，合并器除了可以接收并 处理来自多个采集器的数字信号外， 还可以接收并处理电磁式互感器提供的电 压、电流模拟量。合并器提供同步信号输入通道， 可以接收变电站同步信号以 同步连接的各采集器; 如果变电站同步信号丢失， 合并器将告知二次设备采用 插值法进行同步。当变电站无同步信号源或同步源丢失时， 可以手动设定一台 合并器工作于同步信号输出，其余合并器接收。 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 2 o e 丁 7 0 0系列电子式互感器的基本原理 2 . 1 概述 o e t 7 0 。系列电子式互感器是利用电磁感应原理的r o g o w s k i 线圈以及串行 感应分压器实现的混合式交流电流电压互感器。o e t 7 0 0系列包括电流电压互 感器，电流互感器，电压互感器。 图1电 子式混合互感器的原理框 如图1 所示， 传感头部件包括串行感应分压器、 r o g o w s k i 线圈、 采集器等。 传感头部件与电力设备的高压部分等电位， 传变后的电压和电流模拟量由采集 器就地转换成数字信号。 采集器与合并器间的数字信号传输及激光电源的能量 传输全部通过光纤来进行。 o e t 7 0 。系列互感器绝缘结构非常简单，传感头部件在使用了分流器和 r o g o w s k i线圈后，电子式互感器可应用于直流系统，传感头部件中的采集器 以及互感器的其它部件不需另做设计。 为兼顾电子式互感器能够与传统互感器混合应用，合并器除了可以接收并 处理来自多个采集器的数字信号外， 还可以接收并处理电磁式互感器提供的电 压、电流模拟量。合并器提供同步信号输入通道， 可以接收变电站同步信号以 同步连接的各采集器; 如果变电站同步信号丢失， 合并器将告知二次设备采用 插值法进行同步。当变电站无同步信号源或同步源丢失时， 可以手动设定一台 合并器工作于同步信号输出，其余合并器接收。 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 合并器还可以通过辅助c p u 和扩展开入开出直接提供保护、测量等功能， 同时通过光纤以太网接 口给监控、测量等装置提供数据。 o e t 7 0 0 系列互感器设计寿命为2 0 年。 电子式互感器的以上特点决定了其具备以下优点: 1 . r o g o w s k i 线圈实现的大电流传变，使得电子式电流互感器具有无磁饱 和、频率响应范围宽、 精度高、暂态特性好等优点，有利于新型保护原理的实 现及提高保护性能。电流互感器测量准确度达 。 . 1级，保护优于 5 t p e 。电子 式电压互感器采用了串行感应分压器， 测量准确度达到0 . 2 级，并解决了传统 电压互感器可能出现铁磁谐振的问题。 2 、采集器处于和被测量电压等电位的密闭屏蔽的传感头部件中，采集器 和合并器通过光纤相连，数字信号在光缆中传输，增强了抗e m t 性能，数据可 靠性大大提高。 3 、电子式互感器通过光纤连接互感器的高低压部分， 绝缘结构大为简单。 以绝缘脂替代了传统互感器的油或 s f 6 ，互感器性能更加稳定，同时避免了传 统充油互感器渗漏油现象，也避免了 s f 。 互感器的 s f 。 气体对环境的影响。无 需检压检漏，运行过程中免维护。 4 、无油设计彻底避免了充油互感器可能出现的燃烧爆炸等事故;高低压 部分的光电隔离， 使得电流互感器二次开路、电压互感器二次短路可能导致危 及设备或人身安全等问题不复存在。 5 、电子式互感器完备的自 检功能，若出现通讯故障或光电互感器故障， 保护装置将会因收不到校样码正确的数据而可以 直接判断出互感器异常。 6 、 价格低廉的光纤光缆的应用，大大降低了电子式互感器的综合使用成本。 由于绝缘结构简单，在高压和超高压中，电子式互感器这一优点尤其显著。 2 . 2 主要用途及适用范围 o e t 7 0 0 系列电子式互感器可实现交直流高电压大电流的传变， 并以 数字信 号形式通过光纤提供给保护、 测量等相应装置; 合并器还具有模拟量输入接口， 可以把来自其它模拟式互感器的信号量转换成数字信号，以 1 0 0 b a s e -f x或 i o b a s e - f l 接口 输出数据，简化了保护、计量等功能装置的接线。 电子式互感器涵盖了电磁式互感器的所有应用场合，其中对交直流高压、 超高压以及对精度、暂态特性要求高的场合尤其适合。 2 . 3 结构特征与工作原理 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 合并器还可以通过辅助c p u 和扩展开入开出直接提供保护、测量等功能， 同时通过光纤以太网接 口给监控、测量等装置提供数据。 o e t 7 0 0 系列互感器设计寿命为2 0 年。 电子式互感器的以上特点决定了其具备以下优点: 1 . r o g o w s k i 线圈实现的大电流传变，使得电子式电流互感器具有无磁饱 和、频率响应范围宽、 精度高、暂态特性好等优点，有利于新型保护原理的实 现及提高保护性能。电流互感器测量准确度达 。 . 1级，保护优于 5 t p e 。电子 式电压互感器采用了串行感应分压器， 测量准确度达到0 . 2 级，并解决了传统 电压互感器可能出现铁磁谐振的问题。 2 、采集器处于和被测量电压等电位的密闭屏蔽的传感头部件中，采集器 和合并器通过光纤相连，数字信号在光缆中传输，增强了抗e m t 性能，数据可 靠性大大提高。 3 、电子式互感器通过光纤连接互感器的高低压部分， 绝缘结构大为简单。 以绝缘脂替代了传统互感器的油或 s f 6 ，互感器性能更加稳定，同时避免了传 统充油互感器渗漏油现象，也避免了 s f 。 互感器的 s f 。 气体对环境的影响。无 需检压检漏，运行过程中免维护。 4 、无油设计彻底避免了充油互感器可能出现的燃烧爆炸等事故;高低压 部分的光电隔离， 使得电流互感器二次开路、电压互感器二次短路可能导致危 及设备或人身安全等问题不复存在。 5 、电子式互感器完备的自 检功能，若出现通讯故障或光电互感器故障， 保护装置将会因收不到校样码正确的数据而可以 直接判断出互感器异常。 6 、 价格低廉的光纤光缆的应用，大大降低了电子式互感器的综合使用成本。 由于绝缘结构简单，在高压和超高压中，电子式互感器这一优点尤其显著。 2 . 2 主要用途及适用范围 o e t 7 0 0 系列电子式互感器可实现交直流高电压大电流的传变， 并以 数字信 号形式通过光纤提供给保护、 测量等相应装置; 合并器还具有模拟量输入接口， 可以把来自其它模拟式互感器的信号量转换成数字信号，以 1 0 0 b a s e -f x或 i o b a s e - f l 接口 输出数据，简化了保护、计量等功能装置的接线。 电子式互感器涵盖了电磁式互感器的所有应用场合，其中对交直流高压、 超高压以及对精度、暂态特性要求高的场合尤其适合。 2 . 3 结构特征与工作原理 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 合并器还可以通过辅助c p u 和扩展开入开出直接提供保护、测量等功能， 同时通过光纤以太网接 口给监控、测量等装置提供数据。 o e t 7 0 0 系列互感器设计寿命为2 0 年。 电子式互感器的以上特点决定了其具备以下优点: 1 . r o g o w s k i 线圈实现的大电流传变，使得电子式电流互感器具有无磁饱 和、频率响应范围宽、 精度高、暂态特性好等优点，有利于新型保护原理的实 现及提高保护性能。电流互感器测量准确度达 。 . 1级，保护优于 5 t p e 。电子 式电压互感器采用了串行感应分压器， 测量准确度达到0 . 2 级，并解决了传统 电压互感器可能出现铁磁谐振的问题。 2 、采集器处于和被测量电压等电位的密闭屏蔽的传感头部件中，采集器 和合并器通过光纤相连，数字信号在光缆中传输，增强了抗e m t 性能，数据可 靠性大大提高。 3 、电子式互感器通过光纤连接互感器的高低压部分， 绝缘结构大为简单。 以绝缘脂替代了传统互感器的油或 s f 6 ，互感器性能更加稳定，同时避免了传 统充油互感器渗漏油现象，也避免了 s f 。 互感器的 s f 。 气体对环境的影响。无 需检压检漏，运行过程中免维护。 4 、无油设计彻底避免了充油互感器可能出现的燃烧爆炸等事故;高低压 部分的光电隔离， 使得电流互感器二次开路、电压互感器二次短路可能导致危 及设备或人身安全等问题不复存在。 5 、电子式互感器完备的自 检功能，若出现通讯故障或光电互感器故障， 保护装置将会因收不到校样码正确的数据而可以 直接判断出互感器异常。 6 、 价格低廉的光纤光缆的应用，大大降低了电子式互感器的综合使用成本。 由于绝缘结构简单，在高压和超高压中，电子式互感器这一优点尤其显著。 2 . 2 主要用途及适用范围 o e t 7 0 0 系列电子式互感器可实现交直流高电压大电流的传变， 并以 数字信 号形式通过光纤提供给保护、 测量等相应装置; 合并器还具有模拟量输入接口， 可以把来自其它模拟式互感器的信号量转换成数字信号，以 1 0 0 b a s e -f x或 i o b a s e - f l 接口 输出数据，简化了保护、计量等功能装置的接线。 电子式互感器涵盖了电磁式互感器的所有应用场合，其中对交直流高压、 超高压以及对精度、暂态特性要求高的场合尤其适合。 2 . 3 结构特征与工作原理 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 2 . 3 . 1 总体结构及其特点 2 . 3 . 1 . 1 光电互感器总体结构 宝种宙 开关场 图2电子式互感器总体结构 电子式互感器由 位于室外的传感头部件、 信号柱、 光缆以 及位于控制室的合并 器单元构成。 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 2 . 3 . 1 . 2 传感头部件及信号柱结构图 一次出线 屏蔽环 图3传感头部件及信号柱结构图 传感头部件由电流传感器，串接式感应分压器，采集器单元 ( o e s c ) ，取 能线圈，光电转换单元，屏蔽环，铝铸件等构成。对于 1 0 k v - 3 5 k v互感器， 传感头部件中不包含采集器单元，模拟信号直接由合并器完成模数转换。 信号柱由 环氧筒构成支撑件，筒内 填充绝缘脂，以增强绝缘并保护光缆。 2 . 3 . 1 . 3 合井器主要结构 本装置由以下模件构成:电 源模件 ( p o we r ) ， 数据处理模件 ( c p u ) ， 母 板模件 ( mo t h e r ) ， 交流变换模件 ( a c ) .激光电源模件 ( l a s e r ) ，面板模 件 ( p a n e l ) . 电源模件 ( p o we r ) 电源模件 ( p o we r ) 用于提供装置工作所需电 压。 本模件接收两路电 源输 入，一路直流电源作为主电源，另一路为交流 ( 或直流)冗余电源。交流 ( 或 直流) 冗余电源为主电源的备用电源。为增强电 源模件的抗干扰能力， 本模件 的两路电源输入皆装设滤波器。 电源模件向数据处理模件 ( c p u)和激光电源 ( l a s e r )分别提供独立输 出，两路输出共地。 本模件提供两路电源异常及装置告警输出接点，一路给中央信号提供，另 一路提供给远动装置。 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 直流输入滤波器 + 5 v , + 3 . 3 v ( 数 据 处 理 模 4 ) 1 5 v , 士i n( 光能 提供 模伟 直流 或交流) 冗余输入 滤波器 两路告警接y r 一一今 图4电源模件电原理示意图 1 一 、又 一 告警 1 2 3 告警 2 4 5 6 直流电源输入+ 7 8 直流电源输入一 9 1 0 交/ 直流电源输入+ 1 1 1 2 交值流电源输入+ 1 3 1 4 机壳地 图5电 源模件小面板端子图 数据处理模件 ( o p u ) 数据处理模件有两个处理器。主处理器核心工作频率为2 0 0 m h z ， 集成了 动态内存接口、片选子系统、d m a接口，1 0 0 m / i o m以太网、s p i . s c i , i 2 c 和h d l c接口等外设。辅处理器为f p g a - 数据处理模件具有a / d采样模块，并提供装置告警接点。 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 母板模件 ( mo t h e r ) 母板模件用于为各模件提供电气连接。 为适应不同的合并器机箱结构，提供三种不同的母板模件。 交流变换模件 ( a c ) 交流变换模件提供9 个 t和9 个 p t ， 将来自电磁式互感器的电流和电压 转换为数据处理模件中a / d转换可处理的信号量，同时隔离了强弱电。 激光电源模件 ( l a s e