电子式高压电力互感器的发展现状

郭小燕 胡旭喆 朱波涛

【摘要】随着电力系统自动化、智能化和数字化的发展，传统的电磁式电流互感器由于其自身传感机理限制很难满足电力系统发展要求。电子式高压电力互感器取代传统的电磁式互感器已成为发展的必然趋势。本文论述了电子式高压电力互感器的特点，介绍了电子式高压电力互感器的分类，以及其在电力系统中的应用情况。

【关键词】智能化;数字化;电子式高压电力互感器

引言

互感器是为电力系统进行电能计量、测量、控制、保护等提供电流电压信号的重要设备，其精度及可靠性与电力系统的安全、稳定和经济运行密切相关。随着电力工业发展，电力传输系统容量不断增大，电网运行电压等级不断增高。高电压、大电流的测量对于电力系统安全、经济地运行具有重要的意义。准确地测量各种电压、电流值是电能测量、继电保护、系统监测诊断以及电力系统分析的前提条件。电子式互感器的诸多优点决定了其在数字化变电站的建设中发挥重要作用。

1.电子式高压电力互感器的特点

国际电工委员会（IEC）制定了电子式电压互感器标准IEC60044-7、电子式电流互感器标准IEC60044-8，按照标准，电子式互感器的含义包括所有的光电互感器及其他使用电子设备的互感器。根据IEC标准[1]，新型互感器统称为电子式互感器。与传统电力互感器相比，具有以下特点：

（1）绝缘结构简单，体积小，重量轻。因无铁心、绝缘油等，一般电子式互感器的重量只有电磁式互感器重量的1/10，便于运输和安装。

（2）不存在磁饱和与铁磁谐振问题，能在很大的电流与电压变化范围内，以高速动作、准确、抗干扰的宽频带性能来测量电流、电压。

（3）由于传感和信号处理部分外形小和重量轻，可以装入成套电器或成套配电装置中，适应电力设备向集成化方向发展的趋势。

（4）采用光纤或其它加强绝缘方式实现高电压回路与二次低压回路在电气上的完全隔离，消除这些回路不希望有的相互影响，保护了二次设备和工作人员的安全。

（5）适应了继电保护装置（包括微机保护）的发展。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，对互感器的线性度、动态特性等都有较高的要求，电子式互感器的出现满足了这一要求。

（6）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信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传输更加可靠和迅速。

2.电子式高压电力互感器的类别

电子式高压电力互感器有两个主要类别：光学电子式互感器和混合电子式互感器。

2.1 光学电子式互感器

光学电子式互感器的电流测量原理包括磁致伸缩效应、Faraday效应、Kerr效应和逆压磁效应等，电压测量原理包括Pockels效应、Kerr效应和逆压电效应等。其中利用Faraday效应测量电流和Pockels效应测量电压的方法最直接，装置最简单、精度高，所以应用范围最广[2]。

我国对光学互感器的研究，沈阳变压器研究所从上世纪70年代开始研究，以后在清华大学协助下于1979年研制出第一台样机，并先后研制出三台样机，在220KV线路上试运行，后来于1984年退出运行。国家对光学电子式互感器的研究工作非常重视，将其列为“七五”、“八五”重点研究项目。先后有清华大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学等多家科研院校相继从事过光学电子式互感器方面的研究。其中华中理工大学研制的计量用光学电流互感器于1993年在广东新会110kV电网试运行，尽管未达到计量目标，但标志着我国的光学互感器研究已向实用化迈进[3]。

2.2 混合电子式互感器

混合电子式互感器是指采用Rogowski线圈、带铁心的低功率电流互感器、霍尔器件以及分压器等作为传感器，利用光纤完成从高压端到低压端的数据传输，通常高压传感部分需要电源供能的各类电子式互感器。从上世纪九十年代开始，混合电子式互感器作为传统互感器的一种替代产品，受到人们关注[2]。

国内对混合电子式互感器的研究开始九十年代中后期，从事研究的单位有：清华大学、华中科技大学、大连理工大学、西安交通大学和华北电力大学等[7]。研究涉及了高压GIS装置和户外高压互感器等方面的应用，经过近十年的发展，积累了一定的试验和现场运行经验。近年来，随着传感头的工业化设计，高压端电源设计，数据调制传输方案确定，标准化接口设计、电磁兼容和可靠性设计以及系统误差补偿等问题的提出和研究的深入，越来越多的混合电子式互感器样机已进入或准备进入挂网试运行阶段，这标志着我国的混合电子式互感器的研究正逐步进入实用化。

3.电子式高压电力互感器在电力系统中的应用

目前，在电力系统中广泛应用的以微处理器为基础的数字保护装置、计量测试仪表、运行监控系统以及发电机励磁控制装置，都要求采用低功率、紧凑型的电压和电流互感器代替常规的电压和电流互感器，电子式高压电力互感器对电力系统特别是提高设备的安全性和可靠性具有重要意义。

3.1 电网动态观测

以相量测量单元（ PMU）为基础的广域测量系统（WAMS）。PMU的前端是基本的电流和电压测量，电流互感器和电压互感器的动态测量精度是准确观测电网动态过程的基础。传统的电磁式电流互感器不能很好满足动态测量的要求。Faraday磁旋光效应电流互感器，具有大范围的线性测量能力，不存在测量频带问题，是理想的动态测量装置。

3.2 电子式互感器对继电保护的影响

高可靠的保护原理依赖高精度测量，特别是故障情况下的动态测量。传统的电磁式互感器动态测量能力差，尤其是电流互感器。具有准确动态测量能力的电子式互感器，不仅能够准确测量故障的基波，而且能够准确测量非周期分量和各次谐波。一方面，在确保可靠性的基础上，可以简化现行保护装置的保护逻辑和判据，另一方面，在充分利用准确故障动态信息的基础上，可以产生实用化价值的保护新原理，比如利用非周期分量和各次谐波分量准确测量的保护方法。目前已经有了电子式互感器为测量基础的保护装置的挂网运行案例。

以光学互感器为基础，未来可能会实现光学保护的概念：按照保护原理光强信号直接运算和判定。光学保护将具有更高的可靠性和快速性。

3.3 电子式互感器在数字化变电站中的应用

准确的电流/电压动态测量，可以为提高电力系统录波、测距和定位的准确性和可靠性奠定测量基础。电子式互感器是数字变电站和数字化电力系统的测量来源。

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。国内已有数十个应用了电子式互感器的数字化变电站成功运行，如：在太行山区35kV 变电站运行的OCT（光学电流互感器） 和在黑龙江省黑河市110kV 变电站运行的OCT（光学电流互感器）等，这将给国内乃至国际变电站的自动化运行和管理带来深远影响和变革，具有非常重大的技术和经济意义。

4.结论与展望

电子式互感器的诞生是互感器传感准确化、传输光纤化和输出数字化发展趋势的必然结果。电子式电流互感器是电网动态观测、提高继电保护可靠性和数字电力系统建设的基础装备，将在现代电力系统中发挥重要的基础测量作用。电子式互感器以其高精度、高可靠性、宽频带等特点和在实际应用中表现的优良特性表明电子式互感器将成为未来互感器发展的主流方向。

参考文献

[1]李红斌，余春雨，叶国雄，等.电子式互感器数字输出的研究[J].高电压技术，2004，30（2）：10-12.

[2]殷志良，刘万顺，杨奇逊，等.基于IEC 61850标准的采样值传输模型构建及映射实现[J].电力系统自动化，2004，28（21）：38-42.

[3]段雄英，邹积岩，廖敏夫，等.小波变换在电子式电力互感器误差校正中的应用[J].电工技术学报，2002，17（6）：93-96.