电子式电流电压互感器的应用

1、浅谈电子式电流电 压互感器及其应用环网柜 提供 据国家电网建设中长期发展规划,开发能长期对系统运行状态进行自动监 测、 诊断和保护、 促进高压开关的智能化发展水平的光机电一体化设备, 是城乡 电网迈向自动化的迫切要求。加速开发作为系统一次电量采集单元的电子式电流电压互感器尤显迫切, 这 也是电力系统自动化、 数字化发展的需要。 而电子式互感器是满足现代电力系统 中高压电器设备向智能化、模块化、小型化、多功能、免维护方向发展的关键设 备之一。随着电力系统数字化的普及以及电力系统升级的需要, 电子式互感器已经越 来越多的应用于各种自动化变电站以及城市和农村电网改造中。现代化的微机综合测量保护装置及

2、仪器仪表不再需要互感器提供能量来工 作, 而仅需互感器将一次电流电压信息完整、 及时、 准确的采集并传送过来即可, 仅需几伏的电压信号和极小的功率就能满足其接口需求, 而电子式电流电压互感 器能很好满足这一要求。 作为传统电磁式电流电压互感器理想的换代产品, 将给 电力测量和保护领域带来革命性变革。 将电子式电流电压互感器应用于电器成套 设备中,将全面提升产品的智能化水平。电子式互感器已成为国内外知名企业、 科研院所和大专院校投资和研发的热 点领域。ABB、川奇、西门子等国外著名电器制造商均已投入大量资金进行了长 时间研究试验, 相关产品已在许多国家电网投入运行。 国电南自、 西安高研等中 国

3、电器制造商生产的高、中压产品也有不少产品在国内电力系统挂网运行。我公司是专业从事电子式电流电压互感器及智能电器设备研制、 生产的民营 高新技术企业。自 2002年开始研制电子式电流电压互感器,至今已有多种 12千伏、40.5千伏电子式电流互感器、 电子式电压互感器和电子式电流电压组合互感器通过了 省级新产品(批量生产鉴定,这也是中压领域第一家通过(批量生产鉴定的环网柜 提供 同类企业, 截至目前公司有十多种产品, 两千多台套陆续投放市场, 产品已为中 国电科院电研华源有限公司、 西安高压电器研究所有限公司、 天水长城开关有限 公司、四方华能电气设备有限公司、西安森源集团、国电公司龙源联合体、河

4、北 电力自动化研究所等几十家高压电器设备制造商的产品进行配套, 并在陕西唐都 机械厂变电室、 河南周口郸城配网自动化系统、 福建德化配网自动化系统、 河北 (清苑电力公司刘口变电站, 临城电力公司岗西变电站 、 江西永修电力公司乐 平变电站、 广东鹤山电力公司沙坪变电站、 辽宁盘锦电业局等电力系统投入运行。结合几年来在电子式电流电压互感器研发、 制造过程中的一点经历, 谈一点 粗浅的体会。一、当前研究的电流电压互感器主要思路当前研究的电流电压互感器有两种技术路线:第一种是无源的, 利用法拉第效应做的光纤电流互感器和利用珀尔效应的电 压互感器,都是磁光效应原理做的,是通过光的变化来感测电流或电压

5、的变化;第二种是有源式的, 就是在高压侧构造一个电源, 向用电子原理测量的电子 电路、A/D转换电路以及光电转换电路供电,反映电流或电压变化的数字编码信 号再通过光纤传输到低压侧,光纤在此作为传输介质;二、电子式互感器的基本原理1、目前中压领域(40.5kV及以下的电子式电流互感器原理主要有以下两 种:1.1、采用罗氏线圈(也叫空心线圈原理的互感器。该互感器由罗氏线圈、积分器、A/D转换器组成;电子式电流互感器原理(一如下:环网柜 提供 由罗氏线圈组成的电子式电流互感器原理图电子式电流互感器一次传感部分采用了罗哥夫斯基线圈的原理, 它由罗哥夫 斯基线圈、积分器、A/D转换等单元组成,将一次侧大

6、电流转换成二次的低电压 模拟量输出或数字量输出。电子式电流传感器不使用铁芯,使用了原理上没有饱和的罗哥夫斯基线圈, 由这个罗哥夫斯基线圈得到了与一次电流 I1的时间微分成比例的二次电压 E2, 将该二次电压 E2进行积分处理,获得与一次电流成比例的电压信号。电子式互感器在二次回路中采用模拟积分和数字积分技术,通过数字运算, 并利用去除直流偏置回路和不完全积分器的技术, 有效地抑制了因直流偏置使积 分值飞快增大的关键技术难题,并确保了作为叠加值 DC 分量的电流信号的真实 反映, 电流互感器将不完全积分器控制在一个适当的数值内。 在二次回路也利用 抑制雷电过电压和操作过电压的措施, 提高了互感器

7、的耐冲击特性。 电源供给方 式和主讯号的变换及传递, 采用独特的电磁兼容设计技术, 使新型互感器抗干扰 能力得到增强,能有效可靠地工作;1.2、采用低功率线圈(感应式宽带线圈原理的互感器。该产品由一次绕组、 小铁心和损耗最小化的二次绕组组成, 它比传统互感器 有着更大的电流测量范围,代表着经典感应式电流互感器的发展方向;环网柜 提供 电子式电流互感器原理(二如下:由低功率线圈组成的电子式电流互感器原理图电子式电流互感器的另一种原理是采用低功率线圈 (感应式宽带线圈 的原 理,它代表着经典感应电流互感器的发展方向。它由一次绕阻、 小铁芯和损耗最小化的二次绕阻的组成。 二次绕组上连接着 分流电阻

8、RA,该电阻是电流互感器一体化元件,分流电阻 RA 是以这种方式设计 的,使互感器消耗的功率接近为零。二次电流 I2在分流电组 RA 两端的电压降 U2与一次电流 I1成比例,U2可以根据需要设计在 0-5V 之间,这种互感器比传 统互感器的电流测量范围大很多,可以同时满足测量和保护的要求;用上述几种原理制做的互感器均称为电子式电流互感器。2、目前中压领域(40.5kV及以下的电子式电压互感器原理主要有如下两 种:2.1、采用电阻分压原理的电子式电压互感器。电子式电压互感器原理(一如下: 环网柜 提供 电子式电压互感器采用电阻分压的原 理由于采用优化的高压电阻及低压电阻设计, 其分压器的特性无

9、比优越, 其准 确度误差特性表明, 电子式电压传感器可同时满足电压测量和保护的要求, 测量 准确度可达 0.2级,保护级可达 3P 级;电子式电压传感器的二次电压正比于一次电压, 二次电压可以根据需要设计 在 0-5V 之间,很容易与二次智能化设备接口,满足当代智能化、数字化二次仪 表及保护的需要,又因其没有铁芯,因而从根本上消除了产生铁磁谐振的危险。三、电子式互感器与传统电磁式互感器性能对比项目名称 电磁式电流电压互感器 电子式电流电压互感器输出信号5A(1A/100V225mV(电流/3.25V(电压或 1V(电流/3.25V(电压 输出容量 <50VAmVA次级负荷 >10k

10、(电流/1M(电压准 确 级电流:0.2S/5P电压测量:0.2/3P 电流测量:0.2S/5P电压测量:0.2/3P频响范围 窄 宽线 性 度 局部线性 完全线性环网柜 提供 磁 饱 和 有 饱 和 无 饱 和铁磁畸变 存在畸变 无 畸 变温度系数 影响较小 影响较小电磁兼容性 影响较小 影响较小次级短路(PT 次级产生大电流 无 影 响次级开路(CT 次级产生高电压 无 影 响铁磁谐振 产生谐振 不产生谐振与数字化仪表连接 经二次转换 不经二次转换库存需求量 大 小能量消耗 大 小有害材料 多 少重 量 重 轻体积 大 小四、电子式电流电压互感器的技术要点1.互感器设计时采用计算机模拟电场

11、及磁场优化仿真计算, 对产品结构进行 优化设计;2.采用合理的电极屏蔽及电极形状设计改善稳态及暂态电场的均匀分布问 题;3.采用先进的微电子技术、A/D转换技术、光电转换技术和 DSP 技术实现产 品的完整功能, 使其能方便地与综合测量保护自动化装置相配套, 实现数字化远 距离传输; 环网柜 提供 4.采用合理的结构设计和特殊的绝缘材料和独到的加工工艺, 解决高压绝缘 问题;5.采用合理的补偿技术, 使用专门设计的高稳定度主元器件, 使产品性能稳 定可靠;五、电子式互感器研发过程中需要考虑的几个问题:1.互感器的技术参数设计、结构布置和工艺路线的合理性;2.低电压信号的传输稳定性和抗干扰性能;

12、3.互感器内部电场的均匀分布;4.有关接口和隔离技术;5.一次及二次的绝缘问题;6.小电流测量准确度与高倍数短路保护可靠性的兼顾。六、解决问题的几种措施 :1、采用仿真设计技术和专用工艺技术,满足产品准确度的要求互感器设计时采用计算机模拟电场及磁场优化仿真计算, 对产品结构进行优 化设计, 根据其特点采用了特殊的工艺技术、 制定出合理的制作、 调试工艺路线, 使电子式电流互感器测量范围在 50A-5000A 内达到 0.2S 级的准确度、保护可达 5p20级,电子式电压互感器测量准确度达到 0.2级、保护可达 3p 级,电子式电 流电压组合互感器测量和保护准确度分别可达电子式电流互感器和电子式

13、电压 互感器的相关技术指标;2、采用多种技术措施解决干扰问题,提高产品性能的稳定性环网柜 提供 在高压电力系统中的电磁干扰是比较较严重的, 由于电子式互感器二次输出 为小电压,是弱信号,高压系统中的电磁干扰信号易于叠加到二次输出信号上, 不仅会带来测量误差, 而且可能使保护系统误动作。 设计中采用双屏蔽同轴电缆 传输低电压信号, 采用低通滤波技术和数字滤波技术、 复合型电磁屏蔽技术及合 理的接地设计等措施, 使互感器能在高电压、 强磁场下可靠工作, 提高了系统的 抗干扰性能。此外, 采用合理的电极屏蔽方式及电极形状设计改善稳态及暂态电场的均匀 分布问题,采用合理的补偿技术,使用专门设计的高稳定

14、度的电器电子元器件, 使产品性能稳定可靠;3、用小电压输出的方式解决与智能数字化处理设备相连接的问题能直接输出计算机接口需要的小电压将信号, 与各种电子仪器仪表、 数字化 设备相连接并进行数据处理时, 接口部分不再需要匹配二次转换单元, 可直接将 互感器二次输出与其输入端相连;4、采用新的设计理念解决了小电流测量准确度与高倍数短路保护的兼顾问 题传统电磁式互感器测量和保护不能兼容,采用 “组合式电流互感器”原理 不仅很好地解决小电流测量准确度与高倍数短路保护的兼顾问题, 能完整、 准确、 及时地反映电网一次电流电压信息, 为系统在故障状态下进行捕捉暂态信号并进 行录波、分析和处理提供了条件;5

15、、选用惯性环节电路解决积分单元的漂移问题由于采用 Rogowski 线圈的电子式电流互感器,其输出正比于被测电流对时 间的微分,因此需要使用电子积分器还原出被测电流信号。由于被测电流较小, 运算放大器存在着失调电压、失调电流、偏置电流、温度漂移等因素,经电容不 断积累,会出现积分漂移,给测量带来误差。选用惯性环节电路来代替普通的环网柜 提供 RC 积分器,能有效抑制积分漂移,并且可以稳定工作点,将误差控制在合理的 范围之内;6、采用新的设计原理解决电力系统运行中的故障隐患问题互感器内部和接口部分采用了新的设计原理, 使得电流互感器二次开路不会 产生高电压、 电压互感器二次短路不会产生大电流且不

16、会产生铁磁谐振, 根除了 电力系统运行中的重大故障隐患,最大程度地保障了人身和设备的安全。 七、部分产品图片八、电子式互感器的应用1、与微机综合保护测量装置成套使用 该装置由电子式电流、电压互感器 与微 环网柜 提供 机测量保护装置有机组合而成, 电子式互感器与微机综合保护测量装置之间的接 口, 在产品出厂前就已调试完成, 用户不再需要考虑两者的接口参数匹配, 使用 起来十分方便。 该成套装置具有自检测、 自诊断、 自处理功能, 能准确测量电流、 电压、 频率等参数, 准确计算功率, 可灵活设置保护定值, 并设有标准通讯接口, 可可以输出模拟信号或数字信号, 通过光纤与通讯系统连接, 实现四遥

17、及远方通 讯。成套装置分为户外型和户内型两种。 户外型可与户外真空 (六氟化硫 断路器配 套使用,户内型可配置于各种高压开关柜中,。 2、与户外高压真空断路器配套使用采用电子式电流电压组合互感器采集和传输一次电流电压信息,与 ZW -12/MZ、ZW -40.5/MZ型户外高压真空断路器、分段器和重合配套使用,组成 新一代智能高压电器产品,可提高电力系统信息的数字化传输,提高了城网、 农 网的配网自动化水平。3、与各种高压开关柜配套使用 环网柜 提供 由于电子式电流、 电压互感器具有体积小、 重量轻的特点, 可方便的置于已 有的各种高压开关柜中, 将其用于新型开关柜的设计中

18、, 可大大减小开关柜的尺 寸,减小设备的占地面积,降低变电站的建设成本。九、一种配套电子式互感器的中压数字化变电站系统该系统是电子式互感器实际应用中的一个案例, 在此对该系统的内容作如下 介绍。1.系统概述随着新型传感技术、 光纤通信技术的快速发展, 采用光电电子式互感器代替 传统的电磁式互感器, 光纤数字通讯技术代替普通金属电缆二次模拟电量传输方 式, 用光纤网络代替金属导线通讯网络, 采用光电数字化测控保护设备代替传统 模拟量输入的设备的技术条件已经日益成熟。 光电传输技术的应用将使电力自动 化技术站在一个新的技术平台上。国内许多厂家已经在 110kV 及以上高压变电站中成功研制了数字化变

19、电站 系统。 我们则针对大量的 35kV 农村电站及 10kV 开关站的数字化进行了研究尝试, 提出了“配套电子式互感器的中压数字化变电站系统”的方案。它包括当地监控主机、光纤接口的微机保护 (测控装置、通信服务器等二 次装置和光纤接口的电子式互感器、配备智能终端的断路器等一次设备。2.数字化变电站系统的设计依据和特点数字化变电站引用的标准是 IEC60044-8(电子式电流互感器(ECT、 IEC60044-7(电子式电压互感器(EPT、IEC61850(变电站通讯网络和系统 规约。由于选用了标准的接口和通信规约,可以实现多个厂家 IED(智能电子设 备 的互用性、 互操作性, 在变电站局域

20、网的范围内实现采集和控制数据的无缝 连接。环网柜 提供 该系统有下列主要特点:采用新型传感技术采用电子式互感器代替传统的电流互感器(CT、电压互感器(PT,其具 有突出的优点:1、电子式互感器没有电磁饱和现象,测量范围大;2、无油,不会产生爆炸的危险;3、体积小、重量轻,占地面积少,易于安装,光电互感器的重量一般只有 电磁式电流/电压互感器重量的 1/10;4、无电磁辐射,损耗低,能实现产品绿色化和提高能源利用率;5、绝缘好,漏电流小;高低压完全隔离,具有优良的绝缘性能和优越的性 价比,安全性高;6、信号传输系统抗电磁、射频干扰能力强、受地电位影响小,频带宽、数 据传送容量大、速度快、通讯可靠、能适用电力系统自动化发展的要求;7、组网方便,能实现电力系统的数字化;8、 无二次保护抗信号输入干扰问题, 大幅度提高电力系统自动化的可靠性;9、二次设备无需考虑仪表保安系统,能大幅度提高二次设备的安全性能; 10、二次设备无需承受动