电子式电流互感器的原理和应用.pdf

2011年第 1期天津电力技术1 电子式电流互感器的原理和应用 天津市电力公司发展策划部 天津市 300010 魏联滨 天津市电力公司基 建 部 天津市 300010 邹新梧 摘 要 介绍了电流互感器的原理 对其主要技术优势 进行了说明 介绍了天津地区电网建设工程应用情况 指出 电子式互感器将成为未来电力系统信号测量和互感器技术 发展的必然趋势 关键词 电子式 电流互感器 原理 应用 0 引言 智能变电站是采用先进 可靠 集成 低碳 环保 的智能设备 以全站信息数字化 通信平台网络化 信息共享标准化为基本要求 自动完成信息采集 测 量 控制 保护 计量和监测等基本功能 并可根据需 要支持电网实时自动控制 智能调节 在线分析决 策 协同互动等高级功能的变电站 智能变电站作 为统一坚强智能电网的重要基础和节点支撑 是必 不可少的建设内容 电子式电流互感器是智能化变电站的重要组成 部分 它的测量精度和运行稳定性直接影响到变电 站乃至电网的安全稳定运行 目前 在中国电力系 统中 已经有不同原理的电子式互感器在不同的电 压等级的变电站得到较为广泛的应用 天津地区也 已经开始在变电站建设中逐步试用和推广电子式电 流互感器 1 电子式互感器的基本概念及特点 2002年 IEC根据电子式互感器的研究和发展 情况 制定了 I EC 60044 7电子式电压互感器标准 和 I EC 60044 8电子式电流互感器标准 对电子式 互感器的特点 性能指标和检定原则进行了规范 目前 电子式电流互感器主要采用 Rogowski线 圈 光学装置或传统电流互感器等方式实现一次电 流信号的转换 电子电流式互感器可直接输出数字 量信号 实现采集信号对外的光纤传输 根据传感 头部分是否需要提供电源 电子式电流互感器可分 为有源式和无源式两类 如图 1所示 与传统电磁式互感器相比 电子式互感器主要 有以下特点 1 电子式互感器可从实现原理上根本地避免 磁路饱和 铁磁谐振等问题 提高采集精度 图 1 电子式电流互感器分类 2 频率响应宽 动态范围大 可有效进行高频 大电流的测量 基于光学原理的电子式电流互感器 还可进行直流的测量 3 无油 因此没有易燃易爆等缺陷 二次信号 通过光纤传输 也没有电磁式互感器二次侧开路等 危险 4 二次侧信号通过光纤传输 没有电缆传输方 式的电磁干扰问题 5 绝缘结构简单 一次高压与二次设备通过光 纤连接 无电磁式互感器的绝缘问题 6 体积小 重量轻 造价低 随着电压等级的升 高这些优势更加明显 7 二次侧可直接输出数字信号与其他智能电 子设备接口 2 有源电子式电流互感器原理及其应用 有源电子式电流互感器主要有低功耗铁芯线圈 和 Rogowski线圈原理两种 211 低功耗铁芯线圈 低功耗铁芯线圈与传统电磁式互感器实现原理 基本一致 低功率线圈 LPCT是传统电磁式 CT 的 一种发展 LPCT按照高阻抗进行设计 使传统 CT 在很高的一次电流下出现饱和的基本特性得到了改 善 扩大了测量范围 LPCT 一般在 5 120 额 定电流下线性度较好 适用于测量 212 Rogowski线圈 21211 基本原理 Rogowski线圈为拆绕在非铁磁材料上的空心线 圈 如图 2所示 由于 Rogowski线圈的输出电压与电流变化率 2 天津电力技术2011年第 1期 图 2 Rogo wski线圈基本原理 成正比关系 因此通过获取输出电压的积分即可获 取被测一次电流大小 但是 由于 Rogowski线圈两 端电压仅反应电流的变化率 因此不能用于稳恒直 流的测量 而且 变化比较缓慢的非周期分量的测量 也有一定局限性 即基于 Rogowski线圈原理的电流 互感器存在测量信号频带的限制 Rogowski线圈以非磁性材料做骨架 没有铁心 动态范围较好 高压侧与低压侧之间光纤连接 具有 良好的绝缘性能 罗氏线圈在额定电流至二三十倍 额定电流范围线性度较好 但在 5 20 额定电 流范围误差大 一般用于继电保护通道较适合 21212 Rogowski线圈型电流互感器的优缺点分析 缺点 1 存在测量频带问题 与传统电磁式电流互 感器相比 罗氏线圈 RCT 解决了磁路饱和问题 但其是基于法拉第电磁感应原理感知变化电流 因 此仍然存在测量频带问题不能测量非周期分量 不 能测量稳恒直流 2 需要电子电路的供能 由于高压侧需要完 成信号的模数转换及电光转换等 高压侧电子电路 的需供能 常见供能方式为母线取能和激光供能 优点 1 经济性高 罗氏线圈型电流互感器由于绝 缘结构简单 易于其他一次设备集成 经济性明显 尤其是在 220k V及以上电压等级 2 运行经验丰富 罗氏线圈型电流互感器投 运时间较长 工程应用较多 技术较成熟 21313 应用情况 Rogowski线圈型电流互感器在国内许多工程都 得到了成功应用 其中天津市电力公司承建的陈甫 220kV变电站示范工程 是对 IEC61850通信规范技 术和智能化一次设备技术综合应用的大胆尝试 是 被列入国家电网公司研究框架的重大科技创新项 目 集科技攻关与基建示范工程建设于一体 陈甫 220kV变电站项目于 2007年 9月 5日启动 2009年 5月 26日成功投运 目前运行状况良好 该站在 220kV 110kV所有间隔及主变各侧 通过使用 Ro gowski线圈式电子互感器与合并单元取代传统电磁 互感器 保护测控装置的采样过程实现全数字化 如图 3所示 图 3 Rogowski线圈型电流互感器在陈甫变电站的应用 这种形式电子式电流互感器还在青岛午山和郑 州叠彩等变电站获得较为成功的应用 如图 4所示 图 4 Rogowski线圈型电流互感器在午山和叠彩变电站的应用 3 无源电子式互感器原理及其应用 无源电子式电流互感器采用光学原理实现一次 电流的测量 也常被称为光学电流互感器 目前主要 有两种 一种为磁光玻璃型电流互感器 另一种为光 纤型电流互感器 2011年第 1期天津电力技术3 311 磁光玻璃型电流互感器 31111 原理 当一束平面偏振光通过磁场作用下的介质中传 播时 其偏转平面受到正比于平行传播方向的磁分 量的作用而旋转 这种平面偏振光在磁场作用下的 旋转现象 称为法拉第效应 利用检偏器将偏振角 的变化转换为输出光强的变化 经光电变换及信号 处理即可得到一次电流的大小 基于法拉第效应的 电子式互感器测量系统不仅可以测量变化电流 而 且还可对稳恒直流和非周期分量进行有效测量 不 存在测量频带问题 其原理如图 5所示 图 5 磁光玻璃型电流互感器的原理 31112 磁光玻璃型电流互感器的优缺点分析 磁光玻璃型电流互感器的优点很多 但也存在 着测量精度易受环境影响 光学玻璃与光纤的连接 较为困难和工程应用较少等缺点 31113 应用情况 目前在河 北 110kV 承德变电站 江 门沙坪 110kV变电站 晋中 110k V 变电站 陈庄 220kV变 电站 富春江 220kV水电站等有一定的应用 如图 6所示 312 光纤型电流互感器 31211 原理 全光纤型电子式电流互感器 是指传光部分 传 感部分都采用光纤 其中光纤一般选用单模光纤 其传感头结构简单 灵敏度可随光纤长度变化等 如图 7所示 图 6 磁光玻璃型电流互感器的应用情况 31212 光纤型电流互感器的优缺点分析 类似磁光玻璃型电流互感器 光纤型电流互感 器也存在着测量精度易受环境影响和工程应用较少 等缺点 31213 应用情况 目前上海 110k V 封周变电站和景山 220kV 变 电站等有一定的应用 中新天津生态城智能电网示 范工程中的和畅路变电站也计划在 110kVGIS主变 侧采用光纤型电流互感器 该项目目前仍在建设阶 段 计划 2010年 12月投运 4 结论与展望 当前 二次设备微机化的普及使得变电站二次 回路负载大为减小 基于罗氏线圈原理的电流互感 器得以不断发展 产品在变电站中得到较为广泛的 应用 虽然光学电流互感器的光学传感头复杂 但 其在信号测量频带上的优势 也具有广阔的发展前 景 而且已取得了一定研究成果并正向工程实用化 不断推进 电子式互感器以其在绝缘要求 测量精度 安全 性 数字化和自动化配套能力等方面的优势 必将成 为未来数字化变电站互感器技术发展的必然趋势 参考文献 1 夏勇军 苏昊 胡刚 等 数字化变电站研究与 应用展望 J 湖北电力 2007 3 2 张贵新 赵清姣 罗承沐 电子式互感器的现 状与发展前景 J 电力设备 2006 4 3 曾庆禹 电力系统数字光电量测系统的原理 及技术 J 电网技术 2001 4 4 郭志忠 电子式电流互感器研究评述 J 继 电器 2005 14 5 李岩松 郭志忠 杨以涵 等 自适应光学电流 互感器的基础理论研究 J 中国电机工程学 4 天津电力技术2011年第 1期 图 7 光纤型电流互感器的原理 报 2005 22 6 李岩松 郭志忠 杨以涵 等 提高光学电流互 感器运行稳定性的方法 J 电力系统自动 化 2006 18 作者简介 魏联滨 1976 男 天津人 汉族 工程师 主要从事电 力系统规划和项目前期工作 中新天津生态城智能电网综合示范工程智能营业厅项目开工建设 1月 13日 中新天津生态城智能电网综合示范工程 12个子项之一的智能营业厅项目正式开工建设 预 计将于 11月正式建成 据悉 中新生态城智能营业厅总用地面积为 3003平方米 建筑面积 5256平方米 其地