关于电子式互感器及工程应用分析的研究

刘晓云

摘要：作为数字化变电站的核心，电子式互感器具有传统电磁式互感器难以比拟的优势，数字化变电站安全稳定运行的重要保障就是电子式互感器的信号测量精度和运行稳定性。本文主要介绍了电子式互感器的基本概念及特点，阐述了有源电子式互感器、无源电子式电流互感器的结构及其应用。

关键词：电子式互感器;工程应用;分析

一、引言

目前，变电站自动化技术的发展趋势是建造数字化变电站，110kV及以上电压等级的工程试点正在各网省电力公司的带领下积极开展。作为数字化变电站的核心，电子式互感器具有传统电磁式互感器难以比拟的优势，数字化变电站安全稳定运行的重要保障就是电子式互感器的信号测量精度和运行稳定性。本文在分析电子式互感器的分类及其标准的基础上，着重探讨了有源式和无源式电子式互感器的基本原理及其结构，并分析了关于电子式互感器的工程应用的几个关键问题。

二、电子式互感器的基本概念及特点

电子式电压互感器实现一次电压信号的转换采用的主要是电容分压器、串联感应分压器、电阻分压器或光学原理等方式。电子式电流互感器实现一次电流信号的转换主要是采用Rogowski线圈、传统电流互感器或光学装置等方式。电子式互感器可直接输数字量信号，实现采集信号对外的光纤传输。根据传感头部分是否需要提供电源，电子式互感器可分为有源式和无源式两类，主要实现原理如表1所示。

表1电子式互感器主要实现原理

傳统电磁式互感器相比，电子式互感器主要有以下特点：（1）具有较宽的频率和较大的动态范围，对于高频大电流能够进行有效的测量，对于直流的测量，基于光学原理的电子式电流互感器完全可以胜任;（2）电子式互感器可从实现原理上根本地避免磁路饱和、铁磁谐振等问题，提高采集精度;（3）二次侧信号通过光纤传输，也没有电缆传输方式的电磁干扰问题;（4）没有电磁式互感器因采用油绝缘而导致的易燃易爆等缺陷，二次信号通过光纤传输，也没有电磁式互感器二次侧TA开路和TV短路等危险。

三、有源电子式互感器结构

（一）有源电子式电流互感器结构

有源电子式电流互感器主要有罗高夫斯基线圈和低功耗铁心线圈两种一次电流传感器，其应用范围主要是敞开式变电站、GIS变电站。低功耗铁心线圈和传统电磁式互感器具有基本一致的实现原理，主要用于计量信号的测量，但是上海MWB公司也研发出了保护用的低功耗铁心线圈。罗高夫斯基线圈为缠绕在非铁磁性材料上的空心线圈，不会出现磁饱和及磁滞等问题。罗高夫斯基线圈的输出电压与电流变化率成正比关系，因此通过输出电压的积分即可获取一次电流大小。有源电子式电压互感器结构有源电子式电压互感器主要有电阻分压器原理、电容分压器原理及串联感应分压器原理等实现方式。目前基于电阻分压器的电压互感器最高电压只能做到132kV，在更高电压等级中将会受电阻功率和准确度的限制，因此实际应用不多。

（二）有源电子式电压互感器及其应用

电阻分压器原理、串联感应分压器原理、电容分压器原理是有源电子式电压互感器的主要实现形式。现在，基于电阻分压器的电压互感器其电压最高能够达到132kV，在超高压交流电网中使用还将会受电阻功率和准确度的限制，实际使用不多。基于电容分压器的实现原理也比较简单，将电容分压器的输出信号经数字变换器处理后转换为串行数字光信号输出，设计了一种220kVGIS用电子式电压互感器;基于电容分压器的电压互感器也进行了相应的试验，但目前都还没有成功的工程实用化报道。

考虑到电容器渗油、漏油会带来运行安全问题，而且，电容器电容量受环境温度的变化也会降低测量精度，于是人们利用不饱和电抗器进行分压，研制了串联感应分压器测量系统，基本结构如图4所示。输出电压信号可在高压端或者低压端从串联在电路中的小电抗上取出。结构图中N2平衡绕组和N3耦合绕组的作用是保证感应分压器在不同电压、不同负载（允许范围内）时的各个电抗器单元的磁势平衡，使各个单元承受电压均衡;同时，通过N2、N3的调整达到互感器测量的精度要求。

四、无源电子式互感器原理及其应用

（一）无源电子式电流互感器及其应用

我们把采用光学原理实现一次电流的测量称为无源电子式电流互感器，也称为光学电流互感器，基于法拉第效应原理的无源电子式电流互感是现在研究最多的一种方式。

在磁场作用下，当一束平面偏振光的传播通过介质时，其偏转平面受到正比于平行传播方向的磁分量的作用而旋转，这种平面偏振光在磁场作用下的旋转现象，称为法拉第效应。据学者统计，偏振角H与被测一次电流成正比，利用检偏器将偏振角的变化转换为输出光强的变化，经光电变换及信号处理即可得到一次电流的大小。基于法拉第效应的电子式互感器测量系统不仅可以测量变化电流，而且还可对稳恒直流和非周期分量进行有效测量，不存在测量频带问题。但传感头部分光学装置复杂，光学材质易受温度影响而影响电流测量精度，研究人员试图通过改变材料配方、煺火工艺，采用温度补偿和隔热等方法来改善温漂的影响，结果并不理想。

（二）无源电子式电压互感器及其应用

光学电压互感器是无源电子式电压互感器的别称，主要有基于Pockels效应和基于逆压电效应这两种测量原理。

根据Pockels效应，在外加电场的作用下，某些晶体的折射率将发生相应的变化，该变化将产生明显的光学效应，因此，可以借助双折射效应和干涉方法精确地测出外加电场（一次电压）的强度（大小）。用于Pockels效应研究的电光晶体种类较多，其中BGO（Bi4Ge3O12）晶体理论上无热释电性、无旋光性、无自然双折射，且稳定性好，较受关注。

由于受到诸如光源中心波长随温度的漂移、光电检测精度随温度漂移、传感头电光晶体材质和环境变化等因素影响的原因，虽然基于Pockels效应的光学电压互感器在目前有一部分样机并入电网进行试运行，但是尚无真正运行成功的案例，要打到实际应用仍然需要继续进行研究试验。

五、结语

电子式互感器技术已经开始走向成熟，尤其是有源电子式互感器技术已经开始由挂网运行走向试点工程的应用，。在应用过程中出现了诸如现场校验困难、实际运行经验少的问题，这些都随着技术的进一步成熟和运行经验的积累逐步得到解决，在未来，电子式互感器的应用前景是十分广阔的。

参考文献

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