非常规互感器对二次系统的影响

赵 园,蔚晓明,郑 芸

(1.山西电力科学研究院,山西太原 030001;2.山西省电力公司,山西太原 030001)

非常规互感器对二次系统的影响

赵 园1,蔚晓明1,郑 芸2

(1.山西电力科学研究院,山西太原 030001;2.山西省电力公司,山西太原 030001)

针对非常规互感器在二次系统应用方面与传统互感器进行了比较;分析了非常规互感器对数字化变电站二次系统各个方面的影响,说明了非常规互感器自身特性与二次设备原理相结合的研究是数字化变电站的一项关键技术。

非常规互感器;数字化变电站;二次系统

0 引言

数字化变电站技术应用的主要标志之一就是在电流电压的采集环节采用非常规互感器,国际上将区别于电磁式电流电压互感器的新一代互感器统称为非常规互感器NCIT(Non Coventional Instrument Transformer)[1]。光电子、光纤通信和数字信号处理技术的发展,推动了数字化电气测量技术的研究。数字化电气测量系统由电压和电流变换器、数字信号处理器以及它们之间的连接电缆 (包括光缆)组成,其中的电压和电流变换器可以通过不同的物理原理来实现。

非常规互感器有两种基本类型[2],即电子式互感器和电光效应互感器。其最大特点就是可以输出数字信号,直接用于微机保护和电子式计量设备,去除了许多中间环节,适应电力系统数字化、智能化和网络化的需要。这种互感器动态范围较大,能同时满足测量和保护的要求。由此可见,非常规互感器的使用,将会给变电站自动化系统的发展带来重要的推动作用。

1 非常规互感器的基本特点

目前已经进入实际工程应用的非常规互感器主要有:有源电子式互感器主要是罗科夫斯基空心线圈的电流互感器ECT(Electrical Current T ransformer),电子式电压互感器 EVT(Electrical Voltage Transformer)采用电阻或电容分压技术;光电式电流互感器 OCT(Optics Current T ransformer)有法拉第磁光效应和赛格耐克效应,光电电压互感器OVT(Optics Voltage T ransformer)采用普克尔效应和逆压电效应。

非常规互感器分为有源和无源两个系列,有源系列的称为电子式电压/电流互感器 (EVT/ECT),其特点是需要向传感器提供电源;无源系列的主要指法拉第效应光学测量原理的电流互感器,又称为光电式电压/电流互感器,其特点是无需向传感头提供电源。

光电式电流变换是利用石英晶体的法拉第效应,即光束通过磁场作用下的晶体产生旋转,测量光线的旋转角度来测量电流,而光电式电压变换是利用石英晶体的普克尔效应测量电场强度来测量导线对地电压。此外,还有基于逆压电效应原理的光电式电压互感器。

非常规互感器具有下列优点。

a)高低压完全隔离,安全性高,具有优良的绝缘性能。电磁式互感器的高压信号与二次线圈之间通过铁芯耦合,因此绝缘结构复杂;非常规互感器将高压信号通过绝缘性能良好的光纤传输到二次设备,绝缘结构大大简化。

b)不含铁芯,消除了磁饱和以及铁磁谐振等问题。非常规互感器在原理上与传统互感器有着本质的区别,一般不用铁芯做耦合,因此消除了磁饱和以及铁磁谐振现象,互感器运行暂态响应灵敏、稳定性好,保证了系统运行的高可靠性。

c)抗电磁干扰性能好。非常规互感器的高压侧与低压侧只存在光纤联系,高压回路与二次回路在电气上完全隔离,互感器具有良好的抗电磁干扰能力。电磁干扰对罗氏线圈本身有一定的影响。电容分压式的测量误差容易受到对地杂散电容的影响,而且其暂态特性存在俘获电荷和电压过零误差较大的现象。

d)动态范围大,测量准确度高。电网的正常运行电流和故障短路电流相差很大,电磁式电流互感器由于存在磁饱和问题,难以实现大范围测量。非常规互感器有很宽的动态范围,可以同时满足测量和继电保护的要求。

e)频率响应特性好。非常规互感器的频率响应范围主要取决于相关电子电路部分,频率响应范围较宽;非常规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。罗氏线圈、法拉第磁光效应与赛格耐克效应均有很好的频率响应特性。

f)法拉第磁光效应与赛格耐克效应均可以对含有非周期分量的线路电流进行测量,而罗氏线圈无法测量非周期分量。

g)法拉第磁光效应、普克尔效应与逆压电效应的测量误差受温度影响较大。

h)没有因冲油而潜在的易燃、易爆缺陷,体积小、重量轻[1]。

2 非常规互感器对二次系统的影响

2.1 对智能电子装置的影响

数字化变电站中的自动化系统是由基于微电子技术的智能电子装置IED(Intelligent Electronic Device)和后台控制系统所组成的变电站运行控制系统,包括监控、保护、电能质量自动控制等多个子系统[1]。

数字输出的光电式互感器与变电站监控、计量、保护装置的通信通过合并单元实现,给二次设备提供同步的电压、电流信号。非常规互感器对IED的影响主要有以下几个方面。

a)合并单元、仪用传感器单元作为底层基本处理单元,使得变电站自动化系统实现了全新的数字通信。

b)简化了二次设备。传统互感器的模拟信号传送到数字保护装置,需要经过采样保持、多路转换开关、A/D转换;非常规互感器送出的是数字信号,可以直接被数字装置接收,省去了数字信号变换电路,简化了IED的硬件结构。

c)可以消除电气测量数据传输过程引起的误差。电磁式互感器的误差受到二次负载、负荷电流(对电流互感器)等影响;而非常规互感器的误差仅仅是传感器本身的误差。

d)非常规互感器的使用,实现了一、二次真正的隔离,由于使用光缆传输信号,彻底解决了经过传导、感应和耦合带来的对二次设备的电磁干扰问题,而且可以利用光缆传输上传能量。

e)非常规互感器可以同时满足小量程和故障时大电流的测量精度要求,具有较大的动态测量范围,可以解决测控单元与保护装置之间,以及电网动态测量系统与故障录波系统之间的集成问题。

f)实现完全的分布式布置。应用非常规互感器,可以将就地数字化技术应用到所有一次设备上,大大简化了分布式布置方案。

g)原来由间隔层的IED完成的模拟输入模块、低通滤波模块、数据采样及A/D转换等功能下放到过程层,由非常规互感器数字信号处理单元完成,直接输出数字信号,省略了IED的电压形成回路、采样保持 (S/H)和A/D转换,与IED的接口得以简化,如图1所示。

图1 光电互感器(OCT)与IED数据接口

2.2 对二次回路的影响

使用传统互感器时需要大量的电缆与二次系统连接,用以传输来自一、二次设备的交流电气测量和控制信号。非常规互感器直接采用光缆传输电气信号,对二次回路的影响主要有以下几个方面。

a)光缆本身没有极性问题,一、二次的极性是由安装位置决定的。

b)不存在绝缘电阻的问题,无需测试回路的绝缘电阻。

c)采用非常规互感器后,数据的传输均带有识别标记,确保不会错误使用数据,因此,无需进行二次回路的接线检查。

d)整个光缆回路是全绝缘的,没有接地要求,减少了现场检查接地的工作量。

e)采用非常规互感器后,克服了传统互感器误差受二次负载大小的影响,只要合并单元的输出接口足够多,均可输出信号给不同的装置,不存在容量要求限制。

f)非常规互感器不存在铁芯饱和和二次回路断线的问题,因此,减少了现场针对电流互感器CT(Current T ransformer)饱和和断线的试验。

2.3 对保护实现原理的影响

对于常规 CT,差动保护的不平衡电流的大小,与两侧电流互感器的励磁特性的不一致性有关,其差异性越大,由于铁芯饱和造成的不平衡电流也越大。为了保证差动保护的正确动作,通常需要测量和绘制电流互感器的10%误差曲线,依此选择互感器的二次负载阻抗值。

对于母线保护,电磁式互感器VT(Voltage T ransforme r)对各种频率分量的传变特性并不一致,特别是不能有效传变非周期分量,当发生铁芯饱和时,也不能有效传变周期分量。非常规互感器的高保真传变特性为瞬时值母线差动保护提供了保障,由于不会发生饱和,没有励磁电流引起的不平衡电流,可以简化母差保护实现原理。

对于变压器保护,变压器差动保护要求能够正确区分励磁涌流与故障电流,励磁涌流中含有较大的非周期分量,因此,利用光电型互感器可以高保真地传变直流和高频分量的特性,根据励磁涌流发生时电流的非周期分量大而故障时非周期分量小的特点,有效地对励磁电流和故障电流进行判别。变压器两侧的电磁型电流互感器的暂态特性误差不一致,增大了差动保护的暂态不平衡电流。采用非常规互感器后,可以把各个互感器的暂态误差控制到很小。

常规CT的饱和问题是引起线路分相电流差动保护误动的原因之一,对过流保护尤其反时限过流保护影响较大,电磁式互感器的饱和使得二次电流畸变,影响到相位角的测定,而非常规互感器没有饱和的问题。

距离保护的判据是电流中含有非周期分量,电磁式互感器不能有效传变非周期分量,解决方法是增大数据窗来减小测距误差,从而影响到距离保护的快速性。非常规互感器的应用可使基于微分方程原理的阻抗算法缩短数据窗,提高动作速度。

在发生短路故障时,电磁式电压互感器的暂态误差很大,造成故障测距不准确,而非常规互感器的稳态和暂态误差均能达到0.2%,同时,其优越的宽带特性尤其适合行波测距。

2.4 对计量系统的影响

传统计量方式的误差包含了电能表的误差,电流电压互感器的测量误差,电压互感器二次导线压降所引起的误差;与传统计量方式相比较,采用非常规互感器的电能计量方式发生了重大变革,其计量误差仅仅为传感器自身的传变误差,而且测量误差可以控制的很小,线性度很好,量程可以很宽。

图2是两种计量方式误差比较的示意图。图2中的a图为传统互感器与传统电能表构成的计量系统,b图为由非常规互感器和全数字系统组成的计量系统。可以看出,由非常规互感器组成的数字式计量系统的误差减小了。

图2 两种计量方式误差比较示意图

非常规互感器二次采用数字输出,把电流、电压采样信号用数据包的形式发送到二次表计 (数字式电能表)。

电子式电能表的核心计量芯片按照工作原理可以分两种。

a)采用数字信号处理单元DSP(Digital Signal Processing)技术,以数字乘法器为核心的数字式计量芯片,它运用了高精度A/D转换器、可编程增益控制等新技术。

b)以模拟乘法器为核心的模拟计量芯片。

数字式计量芯片在计量准确度、线性度、稳定性、抗干扰性、温度漂移和时间漂移等方面,远优于模拟芯片,数字式电能表取代模拟式电能表将是大势所趋。

2.5 对网络通信的影响

非常规互感器对站内通信系统的影响和改进有以下几方面。

2.5.1 信息通信方式的改变

非常规互感器的应用将直接改变变电站通信系统的通信方式,特别是过程层一次设备与间隔层二次设备的通信方式。传统的信号以模拟量送到间隔层,同一个TA/TV可能连接到多个不同设备上,造成二次接线复杂,互感器二次负载加重的问题。利用非常规互感器输出数字信号,使用现场总线技术实现对等通信方式,完全取代二次电缆,彻底解决二次接线复杂现象,可实现真正意义上的数据共享。光电互感器的接口设计方便,利用模块化和面向对象技术实现硬件。软件的标准化设计满足不同传输介质和各种通信协议和标准的需求,有灵活的扩展性和自适应性,这是传统互感器所不具备的。

2.5.2 对通信系统结构的影响

遵循IEC61850标准的变电站通信体系,分为变电站层、间隔层和过程层。站控层总线处理变电站和间隔层的通信,过程层总线处理间隔层和过程层的通信以及合并单元与二次设备之间的串行单向多点通信。

通信方式的改变使得变电站自动化系统由两层结构变为三层结构。目前,比较先进的变电站自动化系统都采用分层分布式结构。

2.5.3 对通信网络要求的提高

由于间隔层和过程层之间的通信频繁,主要为一次电压电流采样实时数据、设备控制命令、设备检测和诊断数据等重要实时数据,为保证数据的实时传输,必须采用速率较高的现场总线网络。

3 结束语

随着光电子技术的不断进步,非常规互感器的制作工艺日益成熟,制造成本不断下降,大规模的走向实际运用是必然趋势。非常规互感器种类较多,其自身特性与二次设备原理相结合、相适应的研究是数字化变电站的一项关键技术。

[1] 高翔.数字化变电站应用技术[M].北京:中国电力出版社,2008:36-68.

[2] 袁季修.保护用电流互感器应用指南[M].北京:中国电力出版社,2004:118-148.

The In fluence of NCIT on Secondary System

ZHAO Yuan1,YU Xiao-m ing1,ZHENG Yun2
(1.ShanxiElectric Power Research Institute,Taiyuan 030001,China;2.Shanxi Electric Power Company,Taiyuan,Shanxi 030001,China)

By comparing non conventional and conventional instrument transformer in terms of their app lications to secondary system,this paper analyses the in fluences of NCIT on the secondary system of digital substation and illustrates that the study on the property of NCIT combined with secondary equipment princip le is a key technology of digital substation.

Non Coventional Instrument Transformer;digita l substation;secondary system

TM 64

A

1671-0320(2010)03-0025-04

2009-12-29,

2010-04-28

赵 园 (1965-),男,天津人,1992年毕业于华北电力学院电力系统及其自动化专业,高级工程师,主要研究方向为电能计量技术;

蔚晓明 (1964-),男,山西汾阳人,1986年毕业于太原理工大学电力系统及其自动化专业,高级工程师,主要研究方向为电能计量技术;

郑 芸 (1966-),女,河南新郑人,1995毕业于中共中央党校经济管理专业,高级经济师,从事电网工程技术管理工作。