电子式互感器技术特点及应用前景

电子式互感器技术特点及应用前景

电子技术和通信技术的快速发展促进了数字能源传感器技术的应用。作为数字能源传感器技术体系中的重要环节，电子传感器在实际工程中也有所增加的应用需求。数字化变电站内新一代的二次装置支持电压电流值的小功率信号输入及数字信号输入,以及基于IEC61850标准的过程总线通信技术的发展,这都使得电子式互感器在技术上有了应用的可能性。许多发达国家已经把眼光投向新型电子式电流互感器和电子式电压互感器的研发,国际电工委员会也发布了电子式电压互感器(IEC60044-7)、电子式电流互感器(IEC60044-8)的标准,国内已经将这两部标准等同采用并转化为相应的国标:GB20840.7-2007(电子式电压互感器)和GB20840.8-2007(电子式电流互感器)。1共同体单元电子式整体传感关键技术电子式互感器的典型结构如图1所示,主要包括高压部分的采集器单元、信号传输部分以及低压部分的合并单元三个部分。采集器单元将一次电压电流值变换为二次信号输出,根据不用工作原理的采集器单元,二次信号可以是数字信号,也可以是小模拟信号。合并单元接收各路采集器单元的二次信号,并以标准的通信报文格式传输给二次设备。根据采集器单元不同的工作原理,电子式互感器可以划分为以下类型:(1)罗氏线圈电流互感器(采用Rogowski线圈电流传感器原理);(2)低功率线圈电流互感器(LPCT);(3)光学电流互感器(OCT,采用Faraday磁光效应原理);(4)分压原理电压互感器(采用电容分压、电阻分压或阻容分压原理);(5)光学电压互感器(OVT,采用Pockels晶体纵向电光效应原理)。2电子通信能力的原理和技术分析2.1rogowski线圈测量原理如图2所示,Rogowski线圈为一空心环形线圈,二次绕组缠绕在非磁性骨架上,被测电流垂直穿过线圈中心,根据电磁感应原理可以得到线圈输出电压:e=-μ0NAdI/dt=HdI/dt(1)式中μ0——真空磁导率;N为匝数密度,匝数/m;A——单匝面积,m2;H——线圈灵敏度,Vs/A。Rogowski线圈传感器没有铁心,因此没有非线性影响,如饱和等问题。它允许隔离的电流测量,并具有直达兆赫的带宽。它不需要消耗一次回路的能量并且尺寸很小,重量很轻。因为没有饱和,可以测量从数安培到数十kA的电流,且具有良好的线性特性。但从式(1)中可以看出,Rogowski线圈的输出电压正比于电流的时间导数,必须积分后才可以使用。而且二次输出是非常微弱的电压信号(mV级),必须在高压侧数字化后才能送到二次设备,见图3。微分/积分的处理环节,使得故障电流中的直流分量测量变得困难;高压侧存在采样回路和积分器,使得高压侧电子电路的供电成为工程难题;高压侧电子电路的工作寿命影响了互感器的整体设计寿命;另外,Rogowski线圈的测量精度很难满足计量需要,也易受到环境的干扰。这些制约条件均限制了罗氏线圈电流互感器的工程应用。2.2次设备在lpct中的应用LPCT是是传统电磁式电流互感器的一种改良和发展,基于电磁感应原理,工作原理如图4所示,它包含一次绕组、小铁心和损耗极小的二次绕组。它基本原理与传统的CT相仿,不同之处是LPCT输出信号为电压信号,由RSH取样实现。Vs=Rsh(Np/Ns)Ip(2)从式(2)可以看出,LPCT二次电压正比于一次电流且同相位。LPCT按照高阻抗设计,使得传统电磁式电流互感器在非常高一次电流下出现饱和的缺点得到改善,并因此显著扩大测量范围。而且LPCT在非常宽的范围内有相同的传输特性,这样使用一个线圈可以同时满足测量和保护的需要。LPCT的设计主要面向于低电压等级电网(35kV及以下),而在这些电压等级间隔内,二次设备一般都就地布置在一次电气设备附近,因此LPCT的二次输出大多直接进入二次设备进行采样,避免了中间环节,这也是LPCT最为常见的典型应用。LPCT也存在一些局限性:对二次设备的输入阻抗要求比较苛刻,二次设备如果增加或减少,会影响测量精度;二次输出为小模拟信号,易受到外界环境干扰;二次设备在电路上为并联模式,如何妥善处理小信号的分压,是工程应用的一个难题。2.3线偏振光的旋转角度tOCT采用Faraday磁光效应以及安培环路定律来完成对一次电流的测量,工作原理见图5。Faraday磁光效应指光的偏振面因受到外加磁场的作用而产生旋转的现象。线性偏振光通过置于磁场中的法拉第旋光材料后,如果磁场的方向与光的传播方向平行,则出射线性偏振光与入射线性偏振光的偏振面将产生旋转角θ=υ∮LHdL(3)式中υ——材料的Verdet常数,H——磁场强度,L——通过法拉第旋光材料的光程。为了使实际测量电流时不受载流母线位置变化及其他相电流产生的磁场影响,依安培环路定律使介质内的光束在被测电流周围取闭环,此时θ=υ∮LHdL=υi(4)i为载流导体中流过的交流电流。因而测得线偏振光的旋转角度θ就可以求出导体中的电流i(t)。OCT就是基于这一原理工作的。线偏振光的载体可以是光纤,也可以是光学玻璃。OCT具有不受电磁干扰、不饱和、测量范围大、有效频带宽、体积小、质量轻及便于数字传输等优点,OCT同时适合于各种电压等级,特别是超高压电网中。但OCT的测量精度易受到外界环境(稳定、震动)的影响,增加了OCT的研发难度,也限制了其应用。2.4光学原理在电流传感技术中的应用不同原理的电子式电流互感器技术对比见表1。从表1可以看出,光学原理的电流互感器在各项技术指标中均优于空心线圈和低功率线圈,但其成本较高、产品实现难度大、运行经验少。3电子表达电压损失的原理和技术分析3.1电容分压器精度的影响根据分压回路的结构,分压原理电压互感器分为电阻分压、电容分压、阻容分压原理。相对于传统电压互感器,分压原理电压互感器无饱和,对电压响应线性度好;体积小,重量轻;不会造成铁磁谐振;有较宽的频率相应带宽;一台互感器就可以用于测量和保护的目的。电阻分压器必须耐受所有正常或非正常电压,包括试验电压,这对分压器提出了极高的要求,意味着分压器的电阻必须非常大,当阻抗非常大时,杂散电容的处理就非常关键。影响电容分压互感器精度的主要问题是电容漂移(绝缘老化)、杂散电容和相邻相的干扰,因此产品设计需仔细处理这些问题。分压原理的互感器在常规变电站中的应用已经比较成熟,也是数字化变电站中电子式电压互感器的主要实现方式。在数字化变电站中主要有两种应用模式:高、中电压等级一般分压出的二次输出接入合并单元数字化后送给二次设备;低电压等级一般二次输出的小模拟信号直接接入二次设备。由于是分压原理,对二次回路阻抗的要求更为苛刻,特别是母线电压互感器,如何将二次输出分给多个二次设备,而且保证信号传输的抗干扰性和可靠性,是亟需解决的一个技术难题,也是分压原理电压互感器工程应用的一个制约。3.2晶体内部相位差测量的工艺某些透明的光学介质(也称压电晶体)在没有外加电场作用时是各向同性的,但如果在外加电场作用下,晶体将变为各向异性的双轴晶体,从而导致其折射率发生变化,通过晶体的偏振光将产生双折射,使一束偏振光变为两束相位不同(因两束光的传播速度不同)的偏振光。这种描述电场对透明晶体影响的电光效应被称为Pockels效应。入射光经起偏器形成线偏振光,进入压电晶体后在电场作用下发生双折射,沿感生主轴方向分解的两束光由于折射率不同导致在晶体内的传播速度不一样,从而形成相位差Δφ:Δφ=(2π/λ)n3003γEL=(2π/λ)n3003γU=πU/Uπ(5)Uπ=λ/2n3003γ(6)式中Uπ——使得两束光产生π相位差所需施加的电压,称为半波电压;L——光在BGO晶体内传播的光程;γ——晶体的电光系数;U——待测的交流电压;n0——晶体的寻常折射率;γ——光波长。由式(5)可知,只要测出相位差Δφ就可确定所要测量的电压U的大小,然而,要对光的相位变化进行精确的直接测量是非常困难的,因此增加了OVT的研发难度。目前只有少数研究机构研制出样机,并没有成熟的OVT产品问世。但OVT具有不受电磁干扰、无铁磁谐振、体积小、质量轻及便于数字传输等优点,代表着未来电子式电压互感器的发展方向。4联合单元mu的应用研究4.1采样值传输方案为规范电子式互感器的数字化输出,IEC60044-8首次定义了合并单元,这一概念在IEC61850中也得到引用,但是IEC61850并未完全照搬,最大区别是:IEC60044-8规范采样值报文传输遵循IEC60870-5-1的FT3格式,采用点对点传输,传输速率为2.5Mbit/s,而IEC61850则采用了以太网接口,支持网络传输,传输速率为10Mbit/s、100Mbit/s甚至更高。采样值传输使用IEC60044-8硬件实现简单,软件编码也很简单,比较容易实现;使用IEC61850软硬件较为复杂,但具有更高的带宽和更好的通用性。考虑到站内设备的互操作性,建议遵循IEC61850实现采样值传输。IEC61850建议了采样值传输的两种方式:IEC61850-9-1(点对点传输)和IEC61850-9-2(网络传输)。IEC61850-9-1是一种过渡方案,由于技术发展的制约,国内目前普遍应用的是这种方式。但点对点传输具有很多局限性,没有真正的实现采样值数据源共享,因此IEC61850-9-2是今后的数字化变电站发展方向。4.2采样系统同步问题IEC61850针对不同应用的同步时钟报文定义了5个等级,采样值报文的同步要求最高,为1us。数字化变电站中,电子式互感器的采样值数据最终通过合并单元发送给二次设备,因此采样值同步基本等同于合并单元同步。国内常用的方式是输入外部GPS秒脉冲信号,使得站内各MU之间的采样保持同步。但输入外部GPS信号,需要新增一根对时光缆或电缆,增加了硬件上的复杂性,而且一旦失去外部GPS信号,将面临MU采样失步的危险。目前,国内外许多研究机构将目光放在IEEE1588网络同步方式的研究上。IEEE1588系统包括多个节点,每个节点代表一个1588时钟,时钟之间通过网络相连,并由网络中最准确的时钟基于报文传输的方式同步所有其它时钟,这是该标准的核心思想。IEEE1588同步精度较高,而且不需要增加额外的对时电缆或光缆,可以利用采样值网进行MU的同步。只要采样值网可靠工作,MU就不会存在采样失步的危险。合并单元失去同步或者同步误差不满足要求,会造成继电保护的误动作、测控数据和计量数据不准确,影响到变电站的可靠运行,因此其同步问题意义重大。对于重要的变电站,或许采用两种同步方式