智能化中压开关柜的在线监测和传感器技术

用于电力系统测量和保护的新型电子式互感器New Type Electronic Transformer for Measurement & Protection of Power System（西安高压电器研究所，任稳柱 陕西，西安 ）1 概述电力工业在国民经济中占有重要的地位，现代工业、农业、交通、国防以及人民生活的许多方面都离不开电。输变电设备是电力设备的重要组成部分，电站发出的强大电能，只有通过输变电设备才能输送到各个用户。互感器是输电线路中不可缺少的重要设备，其作用就是按一定的比例关系将输电线路上的高电压和大电流数值降到可以用仪表直接测量的标准数值，以便于用仪表直接进行测量。互感器除用作测量外，还可以为各种继电保护提供电流和电压信号和动作电流。电力系统一直用电磁式CT （电流互感器）和PT (电压互感器)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，CT 的额定输出信号为1A 或5A ，PT 的额定输出信号为100V 或100/V。它们的结构和变压器相似，在其铁心上绕有一、二次绕组，靠一、二次绕组之间的电磁耦合，将信号从一次侧传到二次侧。在铁心与绕组间，以及一、二次绕组之间必须有足够耐电强度的绝缘结构，以保证所有的低压设备与高电压相隔离。电磁式互感器的缺点是：绝缘难度大，特别是500kV以上，因绝缘而使得互感器的体积、质量、及价格均提高。例如，常规的油浸式电流互感器500kV产品的价格要比330kV的价格增加一倍；动态范围小，电流较大时，CT会出现饱和现象，输出的二次电流会严重畸变，影响二次保护设备正确识别故障，造成保护拒动，使电力系统发生严重事故；互感器的输出信号不能直接与微机化计量及保护设备接口；易产生铁磁谐振等；其频带响应特性较差，频带窄，系统高频分量无法传递，从而使新型的基于高频分量的快速保护无法实现，等等。电子技术与计算机技术的进步推动了新型互感器的研究，随着以微处理器为基础的数字保护装置、电网运行监视与控制系统的发展，互感器输出值仅需要数伏，极小功率输出，因此，必须调整互感器结构以适应电参数采集的新要求。许多科技发达国家已把目光转向新型电子式电压、电流互感器的研究。国际电工协会也已发布电子式电压、电流互感器的标准，分别是：IEC60044-7:1999 Instrument transformer part7.electromic voltage transformer.IEC60044-8:2002 Instrument transformer part8.electromic current transformer.电子式互感器的含义，除了包括光电式互感器，还包括其他各种利用电子测试原理的电压、电流传感器。在中压领域，电子式电压互感器一般采用电阻分压器、电容分压器或阻容分压器的原理。电子式电流互感器一般采用空心电流互感器（罗哥夫斯基线圈）和具有小铁心的轻载电流互感器。其二次输出均为小电压信号。在高压领域，电子式电压互感器一般采用同轴式电容分压器或光电电压互感器器，电流互感器采用上述两种原理或光电电流互感器原理。这些电子式互感器和传统的电磁式互感器相比较均具有下列种种优点。电子式互感器的原理汇总于表1。（1）优良的绝缘性能以及便宜的成本价格电磁感应式互感器的高压母线与二次线圈之间通过铁芯耦合，它们之间的绝缘结构复杂，其造价随电压等级呈指数关系上涨。而电子式电流互感器所用材料为玻璃、光纤、SF6等绝缘材料，所以绝缘结构简单，其造价一般随电压等级升高呈线性增加。表1. 电子式互感器的原理汇总中压领域电压测量电流测量l l 电阻分压器l l 电容分压器l l 感应式宽带传感器l l 罗哥夫斯基线圈高压领域l l 阻容分压器l l 电容分压器l l 光学互感器（玻克斯效应）l l 感应式宽带传感器l l 罗哥夫斯基线圈l l 光学互感器（法拉第效应）l l 混合式光电互感器（2）不含铁芯，消除了磁饱和及铁磁谐振等问题电磁感应式电流互感器由于使用了铁芯，不可避免地存在磁饱和及铁磁共振和磁滞效应等问题，而电子式互感器则不存在这方面的问题。（3）抗电磁干扰性能好，低压边无开路高压危险，低压边短路无过热危险电磁感应式电流互感器二次回路不能开路，低压边存在开路产生高压危险。由于电子式电流互感器没有铁芯，或在二次输出端内部已短接有小电阻，所以在二次开路时不会因为铁芯耦合产生高电压。电子式电压互感器主要是分压器原理，二次短路时也不会产生过热现象，因此从根本上保证了人身及设备安全。（4）动态范围大，测量精度高电网正常运行时，电流互感器流过的电流并不大，但短路电流一般很大，而且随着电网容量的增大，短路电流越来越大。电磁感应式电流互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量，同时满足高精度计量和继电保护的需要。电子式电流互感器有很宽的动态范围，额定电流可测从几十安培到几千安培，过电流范围可达几万安培；一个电子式电流互感器可同时满足测量和继电保护的需要，节约了成本、减小了体积。（5）频率响应范围宽电子式电流互感器已被证明可以测出高压电力线上的高次谐波，还可以进行电网暂态、高频大电流与直流的测量。而电磁感应式电流互感器是难以进行这方面的工作的。（6）体积小、重量轻、节约空间电子式互感器体积和重量一般小于传统式互感器的三分之一。据美国西屋公司公布的345kV的MOCT，其高度为2.7m，重量为109kg。而同电压等级的油浸式电流互感器高为5.3m，重量为2300 kg，这给运输和安装带来了很大的方便。（7）适应了电力计量和保护的数字化、微机化和自动化发展的潮流。随着计算机和数字技术的发展，电力计量和继电保护已日益实现自动化、微机化。电磁感应式电流互感器的5A或1A输出规范必需采用二次电路转换才能与计算机接口，而电子式互感器本事就可直接输出模拟低压电压信号和数字信号，可直接输出给计算机，避免中间的复杂环节。综上所述，电子式互感器有着传统电磁式互感器无法比拟的优点，它结构简单、灵敏度高，是一种传统电磁式互感器的理想替代产品，必将在未来的电力工业中得到广泛的应用。因此，主要发达国家竞相投资研制，电子式互感器已成为互感器的研究热点。2 对变电站自动化系统的影响（1）电子式互感器简化了继保设备目前电力系统中广泛应用以微机为基础的数字保护，不需要大功率驱动，只需弱电压信号就可以了，因此采用电子式互感器不必经过电量变送器等设备就可以将高电压、大电流变换为微机保护所要求的电压、电流水平。电子式互感器模拟输出省去了继保的小CT、PT，电子式互感器数字输出省去了继保的AD采样环节。（2）促进了微机保护的精度和可靠性电子式互感器促进了微机保护的发展，提高了微机保护的精度和可靠性，例如使纵差保护的可靠性大大提高。（3）对电力系统的故障响应速度快，灵敏度高现有的保护装置（包括微机保护）由于受传统的互感器性能的限制，其保护原理基本上是基于工频量进行保护判断的。易受过渡过程和系统振荡、磁饱和等因素的影响，其保护性能难以满足当今电力系统向着超高压、大容量、远距离方向发展要求。利用故障时的暂态信号量作为保护判断，是微机保护的发展方向。它对互感器的线性度、动态特性等都有较高的要求，电子式互感器能满足这一要求，而传统互感器则不能。（4）促进变电站自动化的发展电子式互感器与微机保护接口的标准化将大大促进电子式互感器和变电站自动化的发展。（5）满足电力系统精确计量的要求电子式互感器的测量精度高，可以达到0.2级，测量范围宽；输出数字信号，更方便与数字电能表接口；可动态显示和存储电能、有功/无功功率等参数。电子式互感器更容易满足电力系统精确计量的要求。（6）可方便实现电力系统自动化功能将电压、电流传感器集于同一绝缘结构中，构成组合型电子式互感器，大大提高性价比；电子式互感器不仅可以做成独立式的互感器，而且可以安装在GIS、PASS等高压开关和变压器的电流套管中，与其它传感器一起，使一次设备智能化和多功能化。（7）有利于实现变电站数字化、光纤化和智能化电子式互感器的信号和传输形式都可以采用光缆（光纤）实现，而光信号的突出优点和光纤通讯技术的广泛采用使得变电站内部以及和上级站之间的数据输出更加可靠和迅速。电子式互感器与光纤通讯技术和微机相结合组成光纤局域网应用于电力系统是变电站自动化的一个重要的发展方向。开创了未来光纤化变电站的美好前景。3 中压电子式互感器3.1 小信号电流互感器铁芯线圈式低功率电流互感器（LPCT）是传统电磁式电流互感器的一种发展。由于现代电子设备的低输入功率要求，LPCT可以按照高阻抗Rb进行设计。结果是，传统电磁式电流互感器在非常高（偏移）一次电流下出现饱和的基本特性得到改善，并因此显著扩大测量范围。总消耗功率的降低，便有可能无饱和地高准确度测量高达短路电流的过电流。对有很大直流分量的短路电流也能满足。除了量程比较宽，LPCT可以设计得尺寸比传统电磁式电流互感器小。所以，在整个使用范围内可以由单个（多用途）电流互感器承担，同时用于测量和保护的目的。LPCT是一种电磁式电流互感器，它包含一次绕组、小铁芯和损耗极小的二次绕组，后者连接并联电阻Rsh设计为互感器的功率消耗接近于零。二次电流Is在并联电阻上产生电压降Us，其幅度正比于一次电流且同相位。而且，互感器的内部损耗和负荷要求的二次功率越小，其测量范围和准确度越理想。小信号电流互感器等效电路示于图（1）。图（1）铁芯线圈电子式互感器原理图图（2）电压输出的铁芯式电流互感器等效电路由于小信号电流互感器这样的特性，一次电流从50A5000A范围内具有相同的传输特性，并且使用一台小信号电流互感器可以同时作为测量和保护使用。该互感器采用特殊的环氧树脂浇注结构，输出电压可以通过不同的网络终端负载来转换，可以通过精密薄膜或厚膜四端电阻实现。其误差在4080范围内，准确度仅仅变化0.05%，国外ABB公司、Trench公司和国内西安高压电器研究所等单位已研制出了相应的产品，并在开关柜中得到了应用。图（3）LPCT屏蔽电缆示意图为了防止暂态干扰电压，小功率输出信号的传感器必须采取相应的屏蔽措施，在引出线范围，绞合的双屏蔽电缆被证明是合适的，如图（3）所示。铁芯本身有各种各样的屏蔽方法。表2表示几种屏蔽方式及其对于与具有不同上升时间的瞬态脉冲的屏蔽效果。表2. 对小信号电流传感器采取的屏蔽措施，相对于标么值1屏蔽方式上升时间二次电压在塑料外壳中未屏蔽250ns91V在塑料外壳中未屏蔽5ns1475V在金属外壳中未屏蔽250ns15V在金属外壳中未屏蔽5ns67V在塑料外壳中用导电箔屏蔽250ns15V在塑料外壳中用导电箔屏蔽5ns350V3.2 罗哥夫斯基电流传感器空心线圈电流互感器以Rogowski线圈为传感头，Rogowski线圈是一种密绕于非磁性骨架上的空心螺线管，结构如图（4）所示。图中i为穿过线圈的被测电流。图（4）Rogowski线圈示意图设n为线圈单位长度上的匝数，S为线圈截面积，则线圈dl段上的磁链为： （1）式中：H为线圈dl段处的磁场强度。整个线圈的磁链为： （2）若线圈各处的n及S均匀，根据全电流定律，有：= （3）若i为交变电流，则线圈的感应电势e(t)为： （4）由式（4）可知，Rogowski线圈的感应电势e(t)与被测电流i的微分成正比，利用电子电路对e(t)进行积分变换便可求得被测电流i。罗哥夫斯基线圈由于采用非磁性的线圈芯，故没有任何非线性饱和效应。它允许隔离的电流测量，并具有较宽的带宽，最大可达1兆赫兹。罗哥夫斯基线圈具有良好的线性特性，且体积和重量轻。可以认为是理想的电流传感器。罗哥夫斯基线圈不存在饱和性，它可以用来测量从几安培到几百千安的电流，最小值和最大值主要取决于测量的电子元件。线性特性带来以下特点：l l 所需要的不同规格的电流互感器数目减小l l 高故障电流的准确测量（故障定位，断路器的状态监控）由于罗哥夫斯基线圈的输出与电流的时间导数成正比例，因此需进行积分。早期使用的模拟式积分器误差较大，应用不理想，现采用数字方法积分，效果较好。影响电流传感器的准确性有如下原因：l l 温度变化l l 装配出差错l l 其他相电流的影响（串扰）l l 初级导体的非无限长度（例如：接近线圈的90角）通过严格的设计及制造的质量控制，可以降低线圈芯和绕组装配对精确度的影响，目前传感器的准确度可以达到0.5%。但0.5%的精确度很难满足电力设计规范对计量的0.2.%的要求，针对上述影响电流传感器精确度的因素，可采取如下方法进行解决。1) 采用对温度反应不敏感的特殊材料，以降低温度对其的影响（见图5）。图（5）罗哥夫斯基线圈电流传感器与温度的关系2) 测量传感器的温度，然后对温度进行补偿。3) 装配误差可以用适当的机械安装来消除。一般情况下，电流传感器是集成在套管中，这样装配误差就可以降低。4) 串扰（其他相电流对于被测量电流的影响）可以通过传感器的优化设计，从而使串扰影响降到最低。标准传感器的串扰如图（6）所示。在一般保护算法中，相位角的准确度是很重要的。铁芯电流互感器的缺点是相位移随电流而改变，特别是在欠激励或过激励的过程中。而这种情况对罗柯夫斯基线圈来说，已不是问题，因为相位移很小，并且不随电流而改变。通过上述措施，罗哥夫斯基线圈测量电流的准确度也能达到计量要求的0.2级。图（6） 串扰影响图（7）罗哥夫斯基线圈/频率关系频率范围：电力系统工频为50赫兹，而罗哥夫斯基线圈的频率范围为从几十赫兹到1兆赫兹以上。故对于保护、监控和电力测量来说，已经完全满足要求。图（7）表示了罗柯夫斯基线圈与频率的关系。3.3 电阻分压器电阻分压器在高压测量技术中的应用经受了长期的考验，但是直到目前在供电电网中的应用还较为罕见。现在，由于电力系统使用数字式继电保护和新的传输技术，为分压器的使用提供了新的前景。专门为在中压电网运行而开发的电阻分压器可以使开关设备的结构和二次保护技术得到革新并且降低成本。电阻分压器可以取代感应式或电容式电压互感器，它直接和处理测量信号的二次设备相连接。其原理图如图（9）所示。电阻分压器的主要特点是，在设计合理的情况下，测量、计量和保护的所有要求都能得到满足。3.3.1性能与传统互感器相比，电阻分压器具有以下优点：l l 结构体积小l l 与传统互感器相比，费用明显降低l l 可以用电阻分压器作为支撑绝缘子l l 与电子式测量和保护装置的匹配简单l l 具有较宽的传输带宽（0f1kHz），在多数的条件下可以直到10kHz而不发生谐振l l 一台分压器就可用于测量和保护的目的l l 与感应式互感器相反，在对连接电缆进行耐压试验时不需要拆卸相对的缺点是：l l 在运行期间分压比可能由于老化而发生变化l l 分压比可能与温度有关l l 没有电位隔离下列表格对电压互感器、电容互感器器和电阻分压器进行了比较。电压互感器电容互感器器电阻分压器准确度l l 测量互感器l l 保护互感器0.1级以下3P，6P1级（3P）0.2级3P负载容量直到100VA10VA毫瓦校准能力是是可以受电磁场影响可能性小小需要屏蔽措施传输带宽受谐振现象限制针对额定频率屏蔽DC直到kHz范围LSA的接口中间互感器中间互感器隔离放大器费用高高低（分压器）频率不等于50/60Hz时EMC措施特性中高（抗铁磁谐振线路）小到母线的接触连接二次，无一次，有无有电缆试验拆卸互感器拆卸互感器不需要采取措施电阻分压器是非传统互感器，因为它的小功率输出小信号不需要在没有辅助能量的情况下进行处理。IEC60044-7把这种互感器称为“电子式电压互感器”，相应的德国标准是VDE 0414-206。标准中有电子式电压互感器的结构图，图中有电阻分压器（图8）。 图（8）在电子式电压互感器（ESW）中安排着电阻分压器3.3.2 到电阻分压器的接线两个电阻R1和R2按照需要的分压比T进行选择，它们构成电阻分压器。图（9） 电阻分压器下列等式适用于无负载的分压器： 电阻分压器的输出信号在IEC60044-7中规定，对于单相互感器是：6.5/V 3.25/V 1.625/V所连接的负载对分压比有影响。图（10） 连接装置的内阻（Ri）对误差的影响图11所示的比差和角差允许误差带相对应于用作一级测量互感器和3P级保护互感器，该误差带对于完整的电子式电压互感器是有效的，即包含了传输导线、必要的中间网络（例如隔离放大器）和连接装置的输入阻抗的影响。优先考虑的准确度等级是0.5级或0.2级同时满足3P级。图（11） 分压器对误差的影响3.3.3 电阻分压器的频率特性通过对支柱绝缘子结构的分压器采取不同的结构并做成SF6分压器，可以使分压器在较高的频率范围内具有不同频率特性。在额定频率下，纯电阻负载对分压器的频率特性的影响可以忽略，当然，分压器的内部电容对频率特性有影响。支柱绝缘子结构的分压器在较高频率下具有高通特性，这导致分压器高压端子和电阻带构成电容，从而使高频下得分压比减小。通过在电阻分压器后面连接测量装置可以得到补偿，图（12）表示补偿前后的电压比差。图（12）补偿的和未补偿的分压器的频率特性用四端网络方程的原始型式对分压器的接口进行补充说明是有意义的，这样可以通过二次设备的软件对由于二次设备负载而引起的分压比变化所产生的比差和角差进行修正。这里，分压器应是这样设计的，既可以认为修正与二次设备和它的输入组件与制造厂无关。如果二次设备的制造厂可以用软件对比差和角差进行修正，则分压器的传输特性可以用多项式说明：3.4 电容分压器多年来电容式带电显示或测量系统在中压设备中得到了应用，首先采用的是一体化在支柱绝缘子、套管和电流互感器中的电容测量极板。如果显示装置或保护装置的输入阻抗不够大，则一次电压和二次电压之间会产生相位移，这个可以被进行修正，当然在设计几何尺寸式必须考虑引出头的电压分布。电阻连接和相应的有源放大线路已经证明是明显有利的，同时可进行适当的进行相位修正。如果使用屏蔽的电容分压器即金属封闭式结构，则它对外界电磁场的干扰不敏感，样机结构目前可以达到1级，当然还必须进一步对集中结构元件的温度影响进行最佳化，并且用用户指定的接口进行。图（13）电容式中压分压器电容分压器不适用于低于10Hz的很低频率，这个系统的另一个缺点是在电网分闸和重合闸时不能正确传输一次电压的图像，因为分压器不能把电容部件中储存的电荷导走到地。在保护范围，分压器的准确度等级对于中压来说是一种简单的可靠的系统。4 高压电子式互感器4.1 光电电流互感器（OCT）OCT是根据法拉第效应（Faraday effect）的原理工作的，如图（14）所示。图（14）法拉第效应当一竖线偏振光以与磁场平行的方向通过某些光学材料（光学传感器）时，由于磁场的作用，偏振面将发生旋转，其旋转角度为 （1）式中V为光学材料的Verdet常数，其单位是rad/A;H为磁场强度，它是由导体中流过的待测电流引起的；L为光线在材料中通过的路程。若光路设计为闭合回路，由全电流定理可得： （2） 测得线偏振光的旋转角度就可求出导体中的电流i(t)。OCT即时基于这一原理工作的。其工作过程如图（15）所示。用恒流源驱动某一波长的发光二级管（LED）提供一个恒定的光源，光通过一根光纤从控制室传输到高压区，到达高压区的光经准直透镜成为平行光，再经起偏器（Polarizer）成为线偏振光后射入光学传感器，光在传感器中环绕导体一周。在磁场作用下，偏振光将发生旋转，出射光经检偏器（Analyzer）检偏后，再经耦合透镜进入另一根光纤传输至控制室，经光电检测后转换成电信号进行放大滤波，再进入微机系统进行处理。图（15） OCT的工作原理目前尚没有精确测量偏振面旋转的检测器，通常将线偏振光旋转角度变化的信息转化为光强变化的信息，这是通过图（15）中的检偏器来实现的。令起偏器、检偏器的偏振化方向（透光轴）之间的夹角为45，根据马吕斯定律有 （3）式中P为穿过检偏器的光强；pin为投射到检偏器的光强。将式（3）进行化简得 （4）因很小时有 （5）代入到式（4）得 （6）将式（2）代入到式（6），得 （7）式（7）中的直流和交流分量分别经过低通和带通滤波器滤波后为交流分量 （8）直流分量 （9）将式（8）除以式（9）可得 （10）其检测方法如图（16）所示。图（16） 检测方法略图采用除法可以消除光源波动、光在光纤中的传输损耗及光纤连接器的耦合损耗所带来的误差。从图（15）中的测量原理可见，整个OCT系统由3部分组成，即：光发射部分、光路部分和光接受部分。系统工作时，控制室中的光源经驱动电路把电信号转换成与强度成比例的光信号，并经过光纤传到安装在高压区的光学传感器中，在导体被测电流产生磁场的作用下，使偏振光的偏振面发生偏转（即所谓的Faraday效应）之后，线偏振光经过偏振器转换成含有偏振角信息的光强信号，再经光纤传输到光信号接收部分，通过光电转换成电信号，再进行放大、滤波、除法等运算，得到被测电流。此外，经OCT提供给保护装置的电信号是经过交、直流分离后相除得到的。此类滤波器的设计应满足不同保护算法的要求，如：大多保护算法要求提供工频分量，在变压器保护算法中实现制动原理需要二次谐波分量，在发电机定子绕组发生单相接地故障的保护算法中还需要三次谐波分量，而在消弧线圈接地的小电流系统中发生单相接地进行选线及定位时还可能会用到五次谐波分量，这些应在设计中予以考虑。4.2 混合式光电电流互感器混合式光电电流互感器框图如图（17）所示，数字光电测量电路由传感头、积分器、串行A/D转换、电压电流转换、电光转换等模块组成。光脉冲信号经光纤从线路高电位端传输到低电位端。数字光电接收电路由光电转换、数据存储、串行D/A转换和通信接口等模块组成。处于线路高电位处的数字光电测量电路的工作电源由附加电流互感器共给，成本低、安全可靠。图（17）组合光电互感器信号流程图系统设计l l 高压区的设计高压区由罗柯夫斯基线圈、积分电路、A/D转换电路、光源组成。当被测电流i通过罗柯夫斯基线圈时，在线圈出线端感应出电势e，e与初级电流i的变化率di/dt成正比。该信号经积分后得到一个与i成正比的电压信号；接着再高压端把这个信号通过A/D转变成数字信号，通过数字信号驱动光源产生光脉冲。再把这个光脉信号通过光纤传到低电位。罗柯夫斯基线圈作为系统的核心部件，尤为重要。罗柯夫斯基线圈前面已经介绍，这里不再重复。l l 积分环节在实际应用中，由于输出二次电压与一次母线电流的导数成正比，故在相位上两者相差90，这样我们需要在线路里加一个RC积分环节，使其相位一致。积分器是一个重要环节，积分信号精确才能保证后面信号数字变换的准确及整个系统的精度。图（18）为简单的RC积分电路，其传递函数为： (1)式中：U1、U0分别为积分器的输入、输入信号； R、C分别为积分器的电阻、电容。图（18）RC积分电路当RC1，即时，上时为： （2）即 （3）本系统中，Ui（t）即为罗氏线圈输出e(t)，故： （4）在具有同样的R、C值时，无源积分器只有对其频率比1/RC大的信号才可得到近似的积分关系，有源积分器则没有这个限制。实际系统中采用图（19）所示的有源积分器。图（19） 有电源积分电路l l A/D转换与E/O转换A/D转换将模拟信号转换成数字信号，通过数字信号驱动发光二极管来发光。通过A/D转换与E/O转换，可以传输数字的光脉冲信号，这种信号的优点是抗干扰能力强，信号的损耗小。随着数字信号处理技术的发展（DSP）这种光数字信号的传输方式越来越受到人们的普遍应用。l l 光纤传输光纤传输系统具有两个重要的作用，一是作为高低电压之间的电绝缘介质，二是实现高压侧电流采样数据向低压侧的高速传送。光纤传输系统的原理如图（20）所示。图（20）光纤传输系统的原理从光源发出的光耦合到光纤，利用光在光纤中的全反射来传输光信号，在接收端通过O/E变换，还原成电信号。为了减少光信号在光纤传输过程中的色散与损耗，一般选用由比较纯净的石英的单模光纤。可以避免由杂质吸收引起的损耗和不同模式传播引起的色散。l l 低压端的信号处理信号经光纤传送到低压端后经过O/E转换后可作两方面处理：一是通过电子线路将信号还原成电流信号，供测量和保护装置用；二是将信号直接通过通讯口，送到控制室的计算机进行处理。根据实际需要，在低压端可提供模拟信号和数字信号接口。l l 高压端电源供电由于罗柯夫斯基线圈工作在高压或超高压环境下，不能直接给罗柯夫斯基线圈连接的功能电路供电，因此OCT测量系统高压测电路的电源问题是混合式光电电流互感器测量系统的一个技术难点。其供电方式主要有悬浮互感器供电、高压电容分压器供电和激光供电等几种方式：1. 用悬浮互感器的供电方式悬浮互感器的供电方式的原理框图见图（21），它利用电磁感应原理，由普通铁磁式互感器从高压母线上感应原理，由普通铁磁式互感器从高压母线上感应交流电压，然后经过整流、滤波、稳压后为高压侧电路供电。其戴维南原理等效电路见图（22）（其中， ZC为可控阻抗，ZL为负载阻抗），电路方程为：I=U（1/ ZC +1/ZL）,即ZC =U/（I-U/ZL）图（21） 悬浮互感器供电方式的原理结构图因此只要设计可控阻抗ZC满足上述条件，就可稳压。由图（21）可知悬浮式电源存在死区：当IU/ ZL时，ZC0。ZC相当于一定容量的发电机或某一外部电源。这时若无外加电源，则高压侧电路无法正常工作。 图(22) 悬浮互感器供电等效电路图 图（23）电容分压供电原理电力系统负荷很大，母线电流随之变化很大（几A至kA）;母线短路瞬时电流可超过十倍额定电流。如此大工作范围为电源变压器和稳压电路的工作带来严重困难。因此，设计一是要尽量降低死区电流，保证在电力系统电流很小时能提供足以驱动处于高压侧电子电路的功率，二是当系统出现短路大电流时，能吸收多余的能量，给电子线路提供一个稳定的电源，其本身也不因电动力而损坏。2. 用高压电容分压器的供电方式在高压母线与地之间连接高压电容分压器从高压母线上取得能量经过整流、滤波、稳压后，向高压侧电路供电，其电路原理见图（23）。其中，C为高压电容分压器，R1为稳压电路等效电阻，r1为负载电阻。图（24）模拟实验的U、I关系用直径为90cm两块圆形铜板模拟高压电容分压器，调整铜板间距，测出U、I值。表1列出两铜板间距为10cm时所测出的U、I，其曲线图见图（24），可见U和I成线性比例关系。调整铜板间距或者在铜板之间放置不同介质来调整电容C的大小，可以得到不同的电流输出。表1 铜板间距为10cm时的电压、电流U/kV20304050607080I/mA0.410.660.871.081.301.551.80如330kV级OCT 供电电源要求电压+5V，电流10mA，具有50 mW稳定功率输出，则因1/CR1+r1 ,330Kv母线相电压U=190.5kV，故C=I/u=167pF,即高压电容分压器只要满足C=167pF,就可达到供电电源对电流的要求，再采用稳压电路得到+5V电压输出。实际中，高压电容分压器采用集中式电容分压器，见图（25），这种方法的优点是，利用传统电容式电压互感器（CVT），即能提供OCT的高压侧供电电源，又可应用光纤技术于CVT从而实现测量对电力系统的电压、电流、功率（VIP）。 图（25） 集中式电容分压器模型 图（26） 低压侧激光供电原理3. 低压侧激光供电方式OCT低压侧激光供电方式其原理图见图（26），他由激光二极管（LD），光电池（PD），光电转换器和DC-DC变换器构成。激光供电用光推动原理将光源（即低压侧激光二极管）的光能量经光纤传送给高压侧的光电转换器件，转换成电能量后经过DC-DC变换后向高压侧电路供电。根据系统总功率需要选用合适的光功率和输出效率的激光二极管，可以非常满意地得到光电池的恒定功率和电压输出。这种方式的优点是电源能量供给稳定，不受高压母线上电流大小和电压高低的影响。 除激光供电方式外，还有太阳能电池供电方式、超声波供电方式等。这些方式的能量都取自外部，不受电力系统运行情况的影响。4.3 光电电压传感器（OVT）外加电场引起介质折射率改变的现象成电光效应。折射率对应电场的函数关系表示为：n=n0+bE+b1E2+-式中的一项n0余电场无关，为弱电场下的折射率；第二项表示折射率与电场一次方成正比，称一次电光效应（Pockels效应）。一次电光效应只存在于不具有对称中心的20类电群中，也就是说压电晶体一定具有一次电光效应。KDP类晶体在室温下属m点群，单轴晶体，光轴为C轴。家电厂后，由于电光效应引起KDP晶体折射率椭球参数改变，如果外电场平行于X3轴，E=E3,则得到如下折射率椭球方程 -(3-1)(3-1)式中交叉项x1x2表明折射率椭球的形状和方位均发生变化，即椭球绕x3轴旋转了角度。(3-1)式经过坐标变换后，可得到 -（3-2）式中： （i , j=1,2,3）图(27) 电场作用下，KDP晶体折射率椭球切面变化 在E3电场作用下，KDP晶体由单轴晶体变成双轴晶体，折射率椭球在x1x2平面切面由圆变成椭圆，见图（26）中虚线图形。图（28）Pockels效应测量电压原理图（28）是Pockls效应测量电压原理图，电场沿Z方向，线偏振光传播沿Z方向时，不存在自然折射率影响，温度稳定系数好，而且电光效应引起的相位延迟大，其相位延迟为 -（3-3）式中：为KDP施加电压方向的长度；为半波电压；（因采用纵场电光效应，所以）；为KDP纵向效应的一次电光系数。通过检偏器后，在光电管上得到光强为： -（3-4）式中：是输入光强； 是半波电压。图（29） 电光调制器入射光与出射光曲线图（29）是式（3-4）函数曲线，如果不加直流偏置电压，很明显输出波形严重失真，输出信号中含有直流分量和偶次倍频分量；在起偏器与电光晶体之间加一个1/4波片（相当于施加一个直流偏置电压），式（3-4）为：-（3-5） -（3-5）在施加电压很小时， -（3-6）最后得到 因此插入1/4波片，使工作点偏置到处，信号可以完成对输出光强线性调制，可得到不失真输出OVT方案，研究出了Pockels效应的110kV新型光电电压互感器，其原理框图如图（30）。图（30） 110kV新型OVT原理图（如皋高压电器厂）偏振光通过晶体方向与外加电场方向垂直，选用BGO光电晶体，在外加电场的作用下，其折射率随电场强度线性变化，由Pockels效应引起的双折射两束光的相位差，（式中是电光晶体的半波电压，与晶体的Pockels效应系数、通光波长、折射率、几何尺寸d（厚度）和（长度）有关： -（3-8）采用干涉法进行间接测量。如图（31），输出的两路线偏振光的偏振面分别与起偏器的透光轴垂直和平行，输出光强分别为： -（3-9）可以利用光电变换电路及信号处理电路将（3-9）式中直流和交流分量分离后相除，得到与外加电压成正比的输出信号：，从而求出被测电压信号。4.4 高压系统分压器高压系统的分压器主要有三种方式：电阻分压器集中式电容分压器同轴电容式分压器（主要用于GIS中）。图（31）显示了170kV电阻式分压器，过去在分压器低压端子和二次回路之间使用放大器，新开发的分压器可以直接把二次电压连接到保护设备和测量装置上或者使用数字运放的计量单元。分压器可以装在GIS的单相壳体或者三相壳体中。图（31） 170kV电阻式分压器图（32）显示了用于GIS中的同轴式电容分压器。高压导电杆作为同轴电容器的高压极板。低压电极也为同轴圆柱体，其等效电路图（33）如图所示。图（32）同轴电容分压器图（33）同轴电容分压器的等效电路图高压臂电容量 C1= 其中：D、d分别为同轴电容器极板的外、内直径b为低压电极板的长度对于SF6封闭式高压开关设备，高压电容器可以做成圆筒电容器与高压开关设备做成一体，不仅简单易行，而且节约空间位置。在经典的电容式电压互感器中，用电子式低压部分代替耦合互感器可以避免铁磁谐振现象和 KIPP振荡，并可提供较好的暂态特性。电子组件的良好长期稳定性使它可以与适合的高压电容器相连构成0.1级高精度电压互感器，这种互感器可以在现场简单调试，在100/3 V下负载可达25 VA。图34. EVT型电子式电压互感器的原理线路5 电子式电压电流传感器与二次设备的接口传统的电磁式互感器二次输出为5A或1A。电压互感器二次输出为100V,它们是和电磁式继电器保护相匹配的。由于现代数字式保护和控制设备不需要大的输入信号功率,而新型电子式电流电压互感器也不可能提供大的能量,因此需要新型的接口处理系统。IEC在努力工作,正在制定出新的适用标准。有三个IEC委员会致力于新型电子式CT和PT以及它们到二次设备的连接。TC38第23工作组和第27工作组致力于对新技术的要求和由于使用新型技术而引入的试验,TC57第12工作组致力于电站的整体通信。点对点接口在此期间TC38已经发布了电力电压传感器(EVT)标准IEC60044-7和电力电流传感器(ECT)标准IEC60044-8。两个标准规定的典型小功率模拟低压输出在10V范围,这对于数字保护和控制设备特别是中压是最佳的。IEC60044-8(和IEC61850-9-1)也规定了二次设备的数字接口,不是每个传感器分别连接到二次设备,而是外露装置的传感器通过所谓合并单元分组连接到二次装置(图35)。计量单元可以连接7个电流传感器(3个测量ECT,3个保护ECT,一个中性点ECT)和5个电流传感器(3个保护/测量EVT,一个总线EVT和1个中性点EVT)。然后计量单元通过具有电流和电压数据时间相关装置的点对点连接提供给二次设备。图（35） ECT和EVT组和构成的数字输出传感器和计量单元之间的连接是恰当的,具体要求由计量单元的输出决定。这使它应用于计量时有很大不同:因为随着数字传输的应用,没有出现表计中A/D转换引起的附加误差,因此,数字系统的总准确度比传统系统高许多,甚至当采用图（36）中相同的准确度等级时也是如此。或者反过来说:为了达到与传统系统相同的总准确度,采用数字接口时ECT和EVT的准确度等级可以比传统互感器低。正如IEC规定的那样,计量单元应扩展为具有最佳性能和功能,这种加强了的计量单元就是所谓的仪用传感器单元(ITU)。测量值采集系统ITU设计成不仅能对如上所述的新型传感器的输出进行采集和数字化,而且也能对传统互感器的输出进行采集和数字化。这就为扩展现有的变电站和设计具有具有高度灵活的新型变电站提供了机会。采用ITU的插件式结构这是可能实现的,这里可以考虑把输入组件匹配到传感器。ITU允许二次设备的连接通过点对点连接,处理总线或者同时通过二者。ITU可升级为采用插件式通信线路板,使处理总线(IEC61850-9-2)进一步改善。图（36）常规计量系统与数字输出的ECT和EVT计量系统的误差比较ITU的其他优点是:a) 连接多达6个电压互感器/分压器 b) 一体化故障纪录仪(12kHz)c) 一体化CB-管理(supervision) d) 一体化同步检查在与数字式断路器(DBC)相结合的情况下,ITU允许点对波变换。国际标准变电站通信网络和系统协议IEC61850是关于变电站自动化系统的第一个完整的通信标准体系。大规模集成电路技术的蓬勃发展引起了变电站二次设备从电子-机械装置到数字的发展。越来越多的厂商推出自己的智能电子装置(IEDS)产品,去完成继电保护,当地和远方监视和控制功能,实现非集中的变电站自动化系统。为了实现这些电子装置的互操作性(interoperation),IEC制定了IEC61850标准,它对变电站自动化系统将产生重大影响。ABB,Siemens,Alstom等国际大公司都在积极推行IEC61850。图（37）变电站自动化系统接口模型图（37）为变电站自动化系统接口模型,它是IEC61850标准系列的基础。IEC61850将变电站自动化系统分成变电站层(第2层),间隔层(第1层)和过程层(第0层),在这些层之间通信是由逻辑接口的物理映射所组成。IEC61850考虑了远方保护的接口(接口2)以外,其余所有变电站内部的通信接口。IEC61850根据电力生产过程的特点,归纳了电力系统必须的信息传输和网络服务,设计了与网络独立的抽象通信服务接口(ASCI)。它的第7部分定义了具体的数据模型和IEDS履行的通信服务。第8,第9两部分是这些内容到标准通信协议的映射。图（38）变电站控制保护系统结构图图（38）是根据IEC61850实现的变电站控制保护系统结构图。从图中可以看到,系统共有两条总线:站总线和过程总线。站总线负责变电站控制器同间隔处理单元和保护设备之间的通信。关于这部分标准提出了两种映射,IEC61850-8-1定义了ASCI到ISO/IEC9506即制造报文规范MMS之间的映射,IEC61850-8-2定义了ASCI到Profibus FMS(fieldbus message specifition)之间的映射。它们是分别受到美国和欧洲研究影响的结果。采用过程总线的目的是为了替代过程层与间隔层中的的保护和控制装置之间采用平行布线的传统方法。试验技术在电子式互感器试验过程中必须进行准确度测量。因为这种装置具有新额定值，额定输出为低压模拟电压信号或数字信号输出，传统的互感器校验仪无法满足要求，所以必须研制新的互感器测量装置。对于电压互感器情况而言最低额定电压只有1.625V，而且，试验只需在这个值得80%到120%范围内进行。然而，在互感器制造厂和供电企业的国家认可试验站进行校准时使用的市售互感器检定装置不适应这种低电压，因此必须进行匹配。对于电子式电流互感器而言，不仅是二次额定电压低至25mV那样低，而且这样低的额定二次电压还必须在额定电压的5%甚至1%下进行试验。这意味着在允许比差的1.5%点（0.5级的5%点）二次电压差只有17V（22.5mV的5%的1.5）。同样成问题的还有角差的测量，因为在1.1mV（22.5mV的5%）下应准确测量27毫弧度（90分）。这对于检测机构的测量能力是一个挑战，而且是否可以用合适的价格制作和校准适宜的商业化测量装置还必须进行研究。从测量技术的观点出发，为了解决这些问题，最好把最小额定二次电压选为1V。5.1 带匹配前置放大器的互感器校验仪校验电子式电压互感器利用电子式互感器输出电压例如3.25/3V变换成100/3V的匹配前置放大器，可以把分压器当作传统互感器进行测量（图39）。但是必须注意，匹配放大器要针对分压器的性能确定参数，例如低压电阻为25 k的分压器不能用为低压电阻是18k的分压器设计的匹配放大器进行测量。图39. 带匹配前置放大器的传统互感器校验仪5.2 应用特殊互感器校验仪校验电子式电压互感器以下说明可以在10Hz到10kHz范围测定非传统互感器误差（比差和角差）的测量装置（图40）。被试分压器和标准分压器的输出引入到同样的输入端，与被试分压器内阻的匹配可以通过接通标准回路中的辅助电阻进行。图40. 用于非传统互感器的互感器校验仪输入级可连接可