第三章 互感器(3)

1、 国际上将有别于传统的电磁型电压国际上将有别于传统的电磁型电压/电流互感器电流互感器的新一代互感器统称为非常规互感器。主要有两类：的新一代互感器统称为非常规互感器。主要有两类：(1) 半常规变换器：电流变换基于小功率输出的传半常规变换器：电流变换基于小功率输出的传统电磁感应，电压变换应用电容和电阻分压技术。统电磁感应，电压变换应用电容和电阻分压技术。 (2) 电光变换器：电压变换主要是利用石英晶体的电光变换器：电压变换主要是利用石英晶体的普克尔效应测量电场强度来量测导线的对地电压。普克尔效应测量电场强度来量测导线的对地电压。电流变换主要是利用石英晶体的法拉第效应，即光电流变换主要是利用石英晶体

2、的法拉第效应，即光束通过磁场作用下的晶体产生旋转，测量光线旋转束通过磁场作用下的晶体产生旋转，测量光线旋转角度来量测电流。角度来量测电流。一、非常规互感器的组成和特征一、非常规互感器的组成和特征电子互感器电子互感器二、与常规互感器相比的优点二、与常规互感器相比的优点 （1）高低压完全隔离，安全性高，具有优良的绝缘性能）高低压完全隔离，安全性高，具有优良的绝缘性能 电磁式互感器的被测信号与二次线圈之间通过铁芯耦合，绝缘结构复杂，其造价随电压等级呈指数关系上升。非常规互感器将高压侧信号通过绝缘性能很好的光纤传输到二次设备，这使得其绝缘结构大大简化，电压等级越高其性价比优势越明显。 （2）不含铁芯，

3、消除了磁饱和及铁磁谐振等问题）不含铁芯，消除了磁饱和及铁磁谐振等问题 。 电磁式互感器由于使用了铁芯，不可避免地存在磁饱和及铁磁谐振等问题。非常规互感器在原理上与传统互感器有着本质的区别，一般不用铁芯做磁耦合，因此消除了磁饱和及铁磁谐振现象，从而使互感器运行暂态响应好、稳定性好，保证了系统运行的高可靠性。 （2）抗电磁干扰性能好，二次电缆少、接线简单。）抗电磁干扰性能好，二次电缆少、接线简单。 电磁式互感器传送的是模拟信号，电站中的测量、控制和继电保护传统上都是通过同轴电缆将电气传感器测量的电信号传输到控制室。当多个不同的装置需要同一个互感器的信号时，就需要进行复杂的二次接线，这种传统的结构不

4、可避免地会受到电磁场的干扰。 非常规互感器的高压侧和低压侧之间只存在光纤联系，信号通过光纤传输，光纤通信网固有的抗电磁干扰性能，在恶劣的电站环境中更是显示出了无与伦比的优越性。 非常规互感器输出的数字信号可以很方便地进行数据通信，可以将电子式互感器以及需要取用互感器信号的装置构成一个现场总线网络。实现数据共享，从而节省大量的二次电缆。 （4）暂态响应范围大，测量精度高，频率响应范围宽。）暂态响应范围大，测量精度高，频率响应范围宽。 电网正常运行时电流互感器流过的电流不大，但短路电流一般很大。电磁式电流互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围精确测量，同一互感器很难同时满足测量和继电保护的需要。电

5、子式互感器有很宽的动态范围，可同时满足测量和继电保护的需要。 电子式互感器的频率范围主要取决于相关的电子线路部分，频率响应范围较宽。电子式互感器可以测出高压电力线上的谐波，还可以进行电网电流暂态、高频大电流与直流的测量，而电磁式互感器是难以进行这方面工作的。 电子式 互感器的测量精度不受负载多少、大小的影响。 （3）不存在二次侧开路、短路的危险。）不存在二次侧开路、短路的危险。 电子式高压回路与二次回路在电气上完全隔离，不存在电压互感器二次回路短路或电流互感器二次回路开路给设备和人身造成的危害，安全性和可靠性大大提高。 （5）没有因充油而潜在的易燃、易爆炸等危险。）没有因充油而潜在的易燃、易爆

6、炸等危险。 电子式互感器的绝缘结构相对简单，一般不采用油作为绝缘介质，不会引起火灾和爆炸等危险。 （6）体积小、重量轻，运输方便。）体积小、重量轻，运输方便。 电子式互感器无铁芯，其重量较相同电压等级的电磁式互感器小很多。 （7）耐腐蚀、耐老化）耐腐蚀、耐老化 信息载体是光，用光纤传输信号，因此具有光学敏感和光纤传输的优点， 综上所述，电子式互感器以其优越的性能、适应了电力系统数字化、智能化和网络化发展的需要，并具有明显的经济效益和社会效益，对于保证日益庞大和复杂的电力系统安全可靠运行并提高其自动化程度具有深远的意义。 三、非常规三、非常规互感器的分类互感器的分类按一次传感部分是否需要供电划分

7、按一次传感部分是否需要供电划分有源式电子互感器无源式电子互感器按应用场合划分按应用场合划分GIS结构的电子互感器AIS结构(独立式)电子互感器直流用电子式互感器高压开关设备按其绝缘可分为三种类型高压开关设备按其绝缘可分为三种类型:(1)空气绝空气绝缘的敞开式开关设备缘的敞开式开关设备(AIS);(2)气体绝缘金属封闭开气体绝缘金属封闭开关设备关设备(GIS);(3)混合技术开关设备混合技术开关设备(MTS)。按原理划分：按原理划分：四、几种非常规四、几种非常规互感器的互感器的传感原理传感原理（1）法拉第(Faraday)磁光效应 光是一种电磁波，电磁波是横波。而振动方向和光波前进方向构成的平面

8、叫做振动面，光的振动面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或线偏振光。 线偏光通过某些透明介质后，它的振动方向将绕着光的传播方向旋转过某一角度，称为旋光现象。 1846 1846年，法拉第发现，在磁场的作用下，本来不具有旋年，法拉第发现，在磁场的作用下，本来不具有旋光性的介质也产生了旋光性，能够使线偏振光的振动面发生光性的介质也产生了旋光性，能够使线偏振光的振动面发生旋转，这就是法拉第磁光效应。观察法拉第效应的装置结构旋转，这就是法拉第磁光效应。观察法拉第效应的装置结构 如图所示：将一根玻璃棒的如图所示：将一根玻璃棒的两端抛光，放进螺线管的两端抛光，放进螺线管的磁场中，再加上起偏器磁场中，再加

9、上起偏器P P1 1和和检偏器检偏器P P2 2, ,让光束通过起偏让光束通过起偏器后顺着磁场方向通过玻器后顺着磁场方向通过玻璃棒，光矢量的方向就会璃棒，光矢量的方向就会旋转，旋转的角度可以用旋转，旋转的角度可以用检偏器测量。检偏器测量。 后来，维尔德后来，维尔德(Verdet)对法拉第效应进行了仔细的研究，对法拉第效应进行了仔细的研究，发现光振动平面转过的角度与光在物质中通过的长度发现光振动平面转过的角度与光在物质中通过的长度l和磁感和磁感应强度应强度B成正比，即：成正比，即：=VBl 式中，式中，V是与物质性质有关的常数，叫维尔德常数。是与物质性质有关的常数，叫维尔德常数。（2 2）泡克尔

10、斯（）泡克尔斯（PockePockel ls s）效应）效应 光束入射到各向异性的晶体，分解为两束沿不同方向折射的光,为双折射现象。两束光为振动方向互相垂直的线偏振光。 某些单轴晶体（如磷酸二氢钾、磷酸二氢铵）在外加电场作用下转变为双轴晶体，可发生双折射。这类感生双折射现象最早由Pockels于1893年开始研究，因此称为Pockels效应。 Pockels效应是一种线性电光效应，它一般有两种：一种是外加电场平行于光的传播方向，称为纵向Pockels效应。 另一种是外加电场垂直于光的传播方向，称为横向Pockels效应。 P1和P2是两块透振方向互相垂直的偏振片，中间放一块磷酸二氢钾(KDP)

11、晶体，由于光束要通过电极，所以电极通常用是透明的。晶体本身不加电场时通常是单轴晶体，并且其光轴沿光束的传播方向。不加电场时，光沿光轴方向传播，不产生双折射。 沿光轴方向加电场后，当一束线偏振光垂直入射到上述装置的晶体中时，若光振动方向与晶体主轴方向成夹角，那么，这束偏振光将可以分解为两个振幅相等、互相垂直的线偏振光。 它们在晶体内传播方向虽然相同，但传播速度并不一样，所以从厚度为L的晶体出射后，这两束线偏振光将有一个固定的相位差Lnnminmax2进一步研究得Un302上式表明相位差与外加电压成正比。 逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、

12、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。 晶体变形与电压成正比。（3 3）逆压电效应逆压电效应五、几种非常规互感器简介（1）铁心线圈低功率电流互感器（）铁心线圈低功率电流互感器（LPCT）具备低功率输具备低功率输入接口的设备入接口的设备铁心线圈低功率电流互感器铁心线圈低功率电流互感器psrprsVshNRINI/V变换变换对电磁式电流互感器的改进对电磁式电流互感器的改进B铁芯线圈铁芯线圈电流电流I IRRb电流电流-电压转换器电压转换器高阻高阻VS（2）罗可夫斯基空心线圈电流互感器）罗可夫斯基空心线圈电流互感器空心线圈的空心线圈的感应电压与被测电流的导数感应电压与被测电流的

13、导数成正比成正比（ Rogowski，1912年）年）( )()ddIe tkdtdt 被测电流被测电流线圈感应电压线圈感应电压B空心线圈空心线圈电流电流 I( )e t罗氏线圈是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈。输出信号是电流对时间的微分。通过一个对输出的电压信号进行积分的电路，就可以真实还原输入电流。该线圈具有电流可实时测量、响应速度快、不会饱和、几乎没有相位误差的特点。有源电子式电流互感器的实现方案有源电子式电流互感器的实现方案激光器驱动电路PIN数据处理合并单元保护测控计量LPCT空芯线圈远端模块复合绝缘子光纤光缆IEC60044-8IEC61850-9-1/2保护、测控、计量合

14、并单元线路保护母线保护变压器保护录波测控计量有源电子式互感器的供电方式有源电子式互感器的供电方式功电方式功电方式供电原理供电原理主要缺点主要缺点CT供电供电利用特殊利用特殊CT从母线上感应电压，从母线上感应电压，经整流、滤波、稳压后供电经整流、滤波、稳压后供电散热（大电流）散热（大电流）死区（小电流）死区（小电流）电容分压供电容分压供电电利用电容分压，经整流、滤波、利用电容分压，经整流、滤波、稳压后供电稳压后供电电气隔离电气隔离激光供电激光供电低压侧通过光纤传输光能，由光低压侧通过光纤传输光能，由光电池将光能专为电能（最大功率电池将光能专为电能（最大功率1W）能量有限能量有限/成本成本/寿命寿

15、命组合供电组合供电CT供能（或电容分压供电）供能（或电容分压供电）+激光供电激光供电供能系统复杂供能系统复杂切换问题切换问题（3）开环块状玻璃光学电流互感器）开环块状玻璃光学电流互感器SRU&MU(室内安装或就地安装)开环块状玻璃光学电流互感器开环块状玻璃光学电流互感器外卡式外卡式GIS方案方案SRU&MU(室内安装或就地安装)光缆卡体(内置光学传感器)（4）全光纤光学电流互感器（）全光纤光学电流互感器（FOCT） 基本工作原理是：由低压侧光源发出的光束经过光纤起偏器后变为线偏振光，其偏振方向与椭圆心光纤的长、短轴成45角，故在传光光纤中传输的是互为垂直的两束线偏振光。通过高压侧的延迟器后再变为旋转方向相反的圆偏振光，即左旋偏振光和右旋偏振光。它们在传感光纤中继续传输，并在电流产生的磁场作用下，各自旋转了不同角度。两束光在光纤末端被反射镜反射，根据反射定律，它们的旋转方向将发生交换，即左旋偏振光变为右旋偏振光，右旋偏振光变为左旋偏振光。返程的两束光在电流作用下，偏振角再次发生旋转，再经波片后，变为互相垂直的两束线偏振光，但它们原来的偏振方向发生了交换，即前进时在x方向的偏振光，返程时变为y方向的偏振光，反之亦然(所谓的“x方向偏振光、y方向的偏振光”是针对反射镜处而言)。经过电流调制的两束光状态与