电子式互感器在电力系统测量和保护应用 - 图文

电子式互感器在电力系统测量和保护应用

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/

3V。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：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。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；②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；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；⑤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 ? ? ? ? ? ? 电阻分压器 ? 电容分压器 ? 阻容分压器 ? 电容分压器 ? 光学互感器（玻克斯效应） ? ? 高压领域 ? ? ? ? ? 感应式宽带传感器 ? 罗哥夫斯基线圈 ? 感应式宽带传感器 ? 罗哥夫斯基线圈 ? 光学互感器（法拉第效应） ? 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50A～5000A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－40℃～80℃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 在塑料外壳中未屏蔽 在塑料外壳中未屏蔽 在金属外壳中未屏蔽 在金属外壳中未屏蔽 在塑料外壳中用导电箔屏蔽 在塑料外壳中用导电箔屏蔽 上升时间 250ns 5ns 250ns 5ns 250ns 5ns 二次电压 91V 1475V 15V 67V 15V 350V 3.2 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：

d???0SnH?dl （1）

式中：H为线圈dl段处的磁场强度。 整个线圈的磁链为：

????0SnH?dl （2）

若线圈各处的n及S均匀，根据全电流定律，有：

????0SnH?dl?0Sn?H?dl?0nSi== （3）

若i为交变电流，则线圈的感应电势e(t)为：

e(t)??

d?di???nS0dtdt （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： ?

? 所需要的不同规格的电流互感器数目减小

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