电磁式c和p的原理及应用

电磁式c和p的原理及应用

电气系统使用电磁式ct（电压传感器）和pt（电压传感器）测量一次侧电压和电压，并提供二次测量和保护设备的电压和电压信号。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100/3√V100/3V。电磁式互感器的缺点是①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;②动态范围小,电流较大时,CT会出现饱和现象,饱和会影响二次保护设备正确识别故障;③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;④易产生铁磁谐振等。电子式电流、电压互感器是无铁芯、绝缘结构简单可靠、体积小、质量小、线性度好、无饱和现象、输出信号可直接与微机化计量及保护设备接口的电力互感器。现代光学技术、微电子学技术的发展使得电子式互感器的发展及实用化成为现实。1电子表达的工作原理根据传感方式的不同,电子式CT、PT可分为无源光电式CT、PT和有源电子式CT、PT两类。1.1光学电压传感器的工作原理图1所示为无源组合式电压、电流互感器的结构框图。光学电流传感器是利用Faraday磁光效应测量电流的,如图2所示。LED(发光二极管)发出的光经起偏器后为一线偏振光,线偏振光在磁光材料(如重火石玻璃)中绕载流导体一周后其偏振面将发生旋转。据法拉第磁光效应及安培环路定律可知,线偏振光旋转的角度θ与载流导体中流过的电流i有如下关系:θ=V∫lH·dl=V∮H·dl=V·i(1)式中,V为磁光材料的Verdet常数。角度θ与被测电流i成正比,利用检偏器将角度θ的变化转换为输出光强的变化,经光电变换及相应的信号处理便可求得被测电流i。光学电压传感器是利用Pockels电光效应测量电压的,如图3所示。LED发出的光经起偏器后为一线偏振光,在外加电压作用下,线偏振光经电光晶体(如BGO晶体)后发生双折射,双折射两光束的相位差δ与外加电压V有如下关系:δ=2πλn30γ41ldV=πVπ‚(Vπ=λ2n30γ41dl)(2)δ=2πλn03γ41ldV=πVπ‚(Vπ=λ2n03γ41dl)(2)式中,n0为BGO的折射率;γ41为BGO的电光系数;l为BGO中光路长度;d为施加电压方向的BGO厚度;λ为入射光波长;Vπ为晶体的半波电压。相位差δ与外加电压V成正比,利用检偏器将相位差δ的变化转换为输出光强的变化,经光电变换及相应的信号处理便可求得被测电压。1.2电子文件输出图4所示为有源电子式CT的结构示意图。感应被测电流的线圈通常采用Rogowski线圈,Rogowski线圈的骨架为非磁性材料,如图5所示。若线圈的匝数密度n及截面积S均匀,Rogowski线圈输出的信号e与被测电流i有如下关系:e(t)=−dΦdt=−μ0nS⋅didt(3)e(t)=-dΦdt=-μ0nS⋅didt(3)e(t)经积分变换及A/D转换后,由LED转换为数字光信号输出,控制室的PIN及信号处理电路对其进行光电变换及相应的信号处理,便可输出供微机保护和计量用的电信号。图6所示为有源电子式PT的结构示意图。被测高压经分压器分压后,经信号预处理、A/D变换及LED转换,以数字光信号的形式送至控制室,控制室的PIN及信号处理电路对其进行光电变换及相应的信号处理,便可输出供微机保护和计量用的电信号。有源电子式CT、PT的一次高压侧有电子电路,其电源的供给方式主要有两类,一类是光供电,即控制室内LD发出的光由光纤送至高压侧,再经光电变换转换为电能供电路工作;另一类是利用一小CT从高压线路上获取电能供电路工作。2国内外研究下面对ABB和ALSTOM等公司近年来研制的有代表性的电子式互感器进行简要介绍。2.1光学测量设备目前,ABB公司已研制出多种无源光电式互感器及有源电子式互感器,如磁光电流互感器(MOCTMagneto-OpticCurrentTransducer)、电光电压互感器(EOVTElectro-OpticVoltageTransducer)、组合式光学测量单元(OMUOpticalMeteringUnit)、数字光学仪用互感器(DOITDigitalOpticalInstrumentTransformer)等。其电子式互感器已在插接式智能组合电器(PASS)、SF6气体绝缘开关(GIS)、高压直流(HVDC)及中低压开关柜中得到应用。2.1.1电流和电压传感器图7所示为ABB研制的电流电压组合式光学测量单元(OMU),电流传感器位于OMU的顶部,电压传感器位于OMU的中部,硅橡胶复合绝缘子内充SF6绝缘气体。电流传感器的工作基于Faraday磁光效应,电压传感器的工作基于纵向调制Pockels电光效应。图8和图9分别为电流传感器和电压传感器的结构。OMU可方便地分解为磁光电流互感器及电光电压互感器。242VOMU的质量为142.9kg,550kVOMU的质量为276.7kg。ABB研制的OMU的有关技术参数如表1所示。2.1.2基于pld的双系统光电子测量电压测量原理图10所示为ABB研制的数字光学仪用互感器(DOIT)。DOIT是一种有源电子式电流电压组合互感器,其测量电流的工作原理如图11所示,图中PLD是光致发光二极管(PhotoluminescenceDiode)。PLD一方面可将波长为λ1的光转换为电能供高压侧电路工作,另一方面可将经高压侧电子电路处理后载有被测电流信息的数字电信号转换为波长为λ2的数字光信号。DOIT测量电压的原理是利用复合绝缘子内的电容分压器进行分压,然后用与测量电流类似的电子装置进行处理。DOIT的有关技术参数如表2所示。2.1.3电流和电压的测量图12所示为ABB研制的用于PASS和GIS中的有源电子式电流电压组合互感器。电流的测量采用Rogowski线圈,电压的测量利用电容环分压原理。信号处理单元将被测电流电压信息转换为数字光信号进行传输,信号处理单元的工作电源由外部提供。2.1.4电子式整体广的电子式整体广图13为ABB研制的用于新型智能化开关柜(i-ZS1)中的电子式互感器。其电流的测量基于Rogowski线圈,电压的测量基于电阻分压。2.2alstom公司的电子式整体传感技术ALSTOM公司主要研究无源电子式互感器,目前已研制出123kV至756kV的光学电流互感器(CTOCurrentTransformerwithOpticalsensors)、光学电压互感器(VTOVoltageTransformerwithOpticalsensors)及组合式光学电流电压互感器(CMOCombinedMeasurementcurrent-voltagetransformerwithOpticalsensors)等电子式互感器。自1995年以来,ALSTOM公司的电子式互感器已有多台在欧洲及北美运行。无源组合式光学电流电压互感器(CMO),其电流传感器的工作基于Faraday磁光效应,电压传感器的工作基于横向调制Pockels电光效应。电流传感器和电压传感器均位于互感器的顶部,被测高压先经电容分压器分压,然后加至光学电压传感器上。ALSTOM公司研制的电子式互感器的有关技术参数如表3所示。2.3国内研究现状目前我国有清华大学、电力科学研究院、武汉高压研究所、华中科技大学、上海互感器厂、沈阳变压器制造有限公司、顺德特种变压器厂、西安高压开关厂及南瑞继保电气有限公司等单位在从事电子式互感器的研制工作,且已有多种样机研制出来,但绝大多数仅限于实验室阶段,还没有实用化产品投入运行。我国的电子式互感器的研究还处于跟踪国外大公司(如ABB、ALSTOM等公司)的水平。前几年,国内各单位的研究重点主要是无源光电式互感器,如华中科技大学1998年曾研制出110kV光学电流、电压互感器,并在广东新会挂网试运行。近年来,由于有源电子式互感器的技术较为成熟,且便于工业化生产,国内多家研制单位已开始注重有源电子式互感器的研究,如南瑞继保电气有限公司已研制出可用于110kV及220kVGIS的有源电子式电流互感器,实验表明在(-40～+40)℃范围内,其计量精度达到0.2级。3电子式传感技术应用分析目前,电子式互感器已有国际标准IEC60044-7(电子式电压互感器)和IEC60044-8(电子式电流互感器),标准对电子式互感器的构成、试验及输出接口等进行了规定。标准的制定将进一步规范并推进电子式互感器的研制及推广应用。国内外研究实践表明,电子式互感器具有明显的技术和价格优势,估计110kV电子式互感器每台成本约1万元左右,220kV电子式互感器每台成本约2万元左右。因绝缘结构简单,电压等级越高,电子式互感器的价格优势越明显。目前研究较为成熟并投入变电站运行的主要是有源电子式互感器,应用场合主要有高压直流输电、SF6气体绝缘开关(GIS)及中低压开关柜等。无源光电互感器因其一次侧光学电