电子式电流互感器在罐式断路器中的组合应用

周 星，陈 晓

（国核电力规划设计研究院，北京 100032）

电子式电流互感器在罐式断路器中的组合应用

周 星，陈 晓

（国核电力规划设计研究院，北京 100032）

0 引言

国家电网公司现已提出建设具有“信息化、自动化、互动化”特征的坚强智能电网[1-3]，作为智能电网的重要组成部分，智能变电站的设计和建设应充分体现智能电网的特征。

智能变电站是以数字化变电站为依托，通过采用先进的传感器、电子、信息、通信、控制、智能分析软件等技术，建立全站所有信息采集、传输、分析、处理的数字化统一应用平台，实现变电站的自动运行控制、设备状态检修、运行状态自适应、分布协同控制、智能分析决策等高级应用功能，提高管理和运行维护水平[4-5]。

电子式互感器是电力系统中用于电能计量和继电保护的重要设备之一，是智能变电站建设的重要组成部分，是实现“信息化”的关键技术，其测量准确度及可靠性对电力系统的安全、稳定和经济的运行有着重要的影响[6-9]。

电子式互感器与一次设备有多种安装方式，包括与GIS组合方式，与隔离开关组合方式等，本文针对智能变电站中电子式电流互感器与罐式断路器的组合应用，首先分析了罐式断路器的运行特点，并比较了有源、无源电子式电流互感器的原理与构造，重点分析了在罐式断路器特殊的运行和操作环境下，振动和电磁干扰对有源和无源电子式互感器测量精度的影响，为智能变电站中罐式断路器与电子式电流互感器的组合应用提供参考[10-13]。

1 组合方案

根据电子式互感器传感头测量元件有无供电电源，可将电子式互感器分为有源式和无源式2种。有源式主要基于电磁感应原理，主要包括罗氏线圈和低功率线圈组合型互感器；无源式主要基于法拉第磁旋光原理，主要包括磁光玻璃式互感器和全光纤型互感器[14]。

现阶段，罗氏线圈和低功率线圈组合型互感器已经大量应用于工程，稳定性和运行经验较高，但同时在现场应用中也出现了一些问题；基于法拉第磁光效应原理的光学电流互感器在国内外进行了大量的研制和开发,但是其性能受菲尔德(Verdet)常数和光纤的固有双折射的影响,始终没能在国内实际工程中大量使用[15]。全光纤电子式电流互感器采用全光纤光路加闭环控制技术，克服了有源电子式互感器的缺点，使得产品的稳定性、可靠性、安全性和免维护寿命得到很大提高，但有待现场运行情况的检验。

罐式断路器可选用与磁光玻璃、全光纤型或者罗氏线圈和低功率线圈组合型电子式电流互感器组合安装，形成组合电器。常用的方法是将其安装于罐式断路器进出线套管升高座外侧，如图1所示，主要有以下几个优点：

1）电子式电流互感器装在罐体外侧，处于低电位，所以数字转换部分可以采用就地电源（220V直流供电），无需激光或母线取能；

2）可以充分利用罐式断路器自身固有的绝缘系统；

3）组合后的电子式电流互感器的传感部分置于低压侧，大大增强了安全性和运行的可靠性；

4）与独立式互感器相比，节约了占地，同时降低了互感器造价。

图1 电子式互感器与罐式断路器组合示意

2 罐式断路器运行环境特点

罐式断路器采用了箱式断路器的优点，结构紧凑，抗地震和防污能力强，但系列性较差[16]。此种断路器为三相分装式，单相由基座、绝缘瓷套管、电流互感器和装有双（单）断口灭弧室的壳体组成。每相配有液压机构和一台控制柜，可以单独操作，并能通过电气控制进行三相操作。断路器采用双向纵吹式灭弧室，分闸时，通过拐臂箱传动机构，带动气缸及动触头运动。

罐式断路器在运行过程中的开关操作、短路故障等暂态过程中会产生强电磁干扰，磁场主波形的频率范围为150～800kHz，地面上2m处的磁场幅值(峰-峰值)在数十至数百A/m,而相应的地面处磁场幅值降低约一个数量级；于此同时，罐式断路器操作时会产生剧烈的振动，这些因素都会对电子式电流互感器的测量精度产生影响。

3 电磁干扰对互感器的影响

操作断路器时在电流互感器二次侧产生的干扰暂态电流的波形为阻尼衰减振荡波,电流波形频率在1.5kHz～1.5MHz之间,幅值从几十到几百A，此时对电子式电流互感器的测量影响较大，如果不加以控制，精度会受很大影响[17-18]。

对于有源电子式互感器而言，由于有常规互感器的抗电磁干扰的经验，此方面的进展较快。部分有源电子式电流互感器用电路盒已进行了电快速瞬变脉冲群抗绕度、浪涌冲击抗扰度、振荡波抗扰度、电压波动和电压跌落等项目的测试，均可达到标准要求。

对于磁光玻璃式电子互感器而言，光信号输入端和输出端不在同一点，走的路径是一个单向路径，当受到来自外界的温度变化，振动以及电磁场辐射等因素的干扰，单向路径受干扰源的影响就可能会产生同向误差，使得产品的精度出现不稳定性，也影响了产品的实际使用效果。而对于全光纤电子互感器而言，光信号输入输出端在同一点，采用同一个光路，即使来自外界的温度变化，振动以及电磁场辐射等因素的干扰，同一光路路径受干扰源的影响出现的误差也会互相抵消，从而提高了产品的稳定性。表1列出了磁光玻璃式和全光纤式电子互感器在抗干扰能力上的不同。

同时，为了满足现场运行要求，互感器的电子线路部分应有4级以上的电磁兼容(EMC)防护措施,在互感器国家标准的要求之外，还需附加高压拉弧干扰试验。为了更好的满足现场运行要求，电子式互感器现场相关的电源、信号引线还应采用抑制高频过压的波阻抗引线，壳体须有充分的接地措施。

表1 磁光玻璃式和全光纤电子互感器在抗干扰能力上的比较

4 振动对互感器的影响

当断路器操作时会产生剧烈的振动，加速度约为20g/0.3mm。基于法拉第磁光效应原理的无源电子式互感器的性能主要受菲尔德(Verdet)常数和光纤的固有双折射的影响，其光学元件内部的残余应力会产生随温度变化的线性双折射，从而影响电流互感器的测量精度。当光学玻璃和光纤受到振动和其它机械扰动时，等效于引入应力，同样引起线性双折射。线性双折射的存在降低了传感头的灵敏度，且使灵敏度随振动和温度而变化，影响了整个系统精度和稳定性。各国研究人员针对存在的这些问题做了大量深入的研究工作并多次挂网运行，但设计与加工难度以及长期运行中的稳定性问题仍是阻碍无源式电子互感器的实用化进程。国内的研究项目最终也在光纤固有双折射或温度影响等问题上受阻，未能实现无源式电子互感器的实用化，由此可见振动对无源电子式互感器影响较大[19]。

当采用有源电子式互感器时，由于其结构类似于传统电磁结构，其抗振动性能也等同于传统互感器,总体上抗振动性能优于光学传感器。750kV有源电子式电流互感器振动前后的准确度实验结果见表2、表3[20]。

冲击振动试验后电子式电流互感器的误差与试验前的差异，应不超过其准确级相应误差限值的一半，从以上实验室试验结果表明：冲击振动试验前后的误差差值未超过0.2S级误差限值的一半，振动试验通过。

表2 产品冲击振动前的准确度试验

表3 产品冲击振动后的准确度试验

5 结论

在使用罐式断路器的智能变电站中，电子式电流互感器一般安装于罐式断路器进出线套管升高座外侧，这种情况下断路器特殊的运行和操作环境会对互感器测量精度产生一定的影响，本文介绍了几种可以和罐式断路器组合的电子式电流互感器，通过对其抗振性和抗干扰能力比较和分析结果可以看出：

1 )对于采用Rogowski线圈和磁光玻璃等电子式互感器而言，大部分采用开环控制技术，这在准确度和动态范围的稳定性方面从原理上来说就有一定的局限性，所以要达到高性能的要求比较困难。

2 )在抗干扰方面，有源电子式互感器可以借鉴常规互感器多年的运行经验，磁光玻璃式由于从原理和技术上存在缺陷，抗电磁干扰能力还有待加强；而全光纤型电子式互感器从原理上来讲抗干扰能力较强。

3 )在抗振动方面，有源型电子互感器在传感头部分没有使用特殊的功能性光纤或其它光学元件，而是采用了传统的电流、电压传感器件，如小功率电流互感器、线圈、感应分压器、电容分压器、电阻分压器等，实现起来比较容易，并具有良好的可靠性。当采用有源式电子式互感器时，由于其结构类似于传统电磁结构，其抗振动性能也等同于传统结构,总体上抗振动性能优于光学传感器。

有源电子式互感器结构类似于传统电磁式互感器，并且已有多年运行经验，抗振性和抗干扰能力较强；从技术角度看，全光纤型电流互感器结构简单，性能可靠，不仅能够准确测量故障的基波，且能够准确测量非周期分量和各次谐波，能为二次设备提供更为准确全面的故障数据，其良好的测量品质及供电可靠性都是有源式无法比拟的，虽然由于其技术门槛、制造工艺均高于有源式电流互感器，且现阶段应用规模小，造价约为同电压等级有源式互感器的1.5～2倍左右，但长期看来，随着应用规模的扩大，其成本有望下降，并且随着技术进步，以及现场运行可靠性和稳定性的检验，全光纤型电流互感器应会成为未来智能变电站中的主流产品。

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Combination Application of Electronic Current Transformer in Tank Circuit Breaker

ZHOU Xing,CHEN Xiao
(State Nuclear Electric Power Planning Design&Research Institute，Beijing 100032,China)

The electronic current transformer(ECT)is an important part of the smart substation,and plays a critical role in realizing the information automation.The measurement accuracy and reliability of the ECT have an important impact on the security,stability and economy of the power system.This paper introduces the combination of the electronic current transformer and the tank circuit breaker,and analyzes the measurement accuracy of the ECT under both vibration and electromagnetic interferences in the special operation and switching circumstances of the tank circuit breaker.By studying the characteristics and the performances of the ECTs,and of different working principles,the paper provides information with regard to combinations of ECTs and the tank circuit breaker in the smart substation.

EMC;tank circuit breaker;ECT;smart substation

电子式电流互感器是智能变电站建设的重要组成部分，是实现信息化的关键技术，其测量准确度及可靠性对电力系统的安全、稳定和经济地运行有着重要的影响。针对电子式电流互感器在罐式断路器上的组合应用，分析了在罐式断路器特殊的运行和操作环境下，振动和电磁干扰对有源和无源电子式电流互感器测量精度的影响，为智能变电站中罐式断路器与电子式电流互感器的组合应用提供参考。

电磁兼容;罐式断路器;电子式电流互感器;智能变电站

1674-3814（2010）09-0009-04

TM561;TM452

B

2010-04-26。

周 星（1984—），男，硕士研究生，工程师，研究方向为电力系统继电保护；

陈 晓（1962—），男，高级工程师，从事系统继电保护工程设计工作。

（编辑 董小兵）