电子式互感器原理及关键技术综述

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(广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)

1 引言

电子式互感器的应用作为智能变电站的重要标志，其相关技术的发展一直是影响智能变电站继电保护的关键因素之一。电子式互感器本质上是一种将模拟量就地数字化的装置，其目的是将电压及电流的模拟量，在尽可能靠近信号源的地方，采用最具有性价比的可靠方式，将其转换为数字量；从电子式互感器的发展历史中，存在两种基本形式，无源式及有源式，它们以不断竞争的方式向前发展，各有其突出特点。本文将立足如上两个方面，在不同类型的电子式互感器之间进行性能比较，阐述电子式互感器的关键技术及最新研究课题并简述其发展趋势。

2 电子式互感器

2.1 与传统互感器的对比

国际电工委员会(IEC)分别在和年发布针对电子式电压/电流互感器的相关标准——IEC 60044-7/8[1-2]。根据标准中的定义，互感器需提供数字量的输出，并满足智能化及互操作性的特征；同时标准规定了电子式互感器的整体结构，如图1所示，值得一提的是图中的元件并不都是必须的。

针对传统互感器暴露出的固有缺陷，电子式互感器则具有诸多优势，可参见表1，这使得电子式互感器在电力测量中得到了广泛的应用。

2.2 电子式互感器的分类

根据测量对象的不同，电子式互感器有电流、电压及组合互感器之分；按照性能和应用场合的不同，可以分为测量用或保护用电子式互感器；按照高压侧的采集器是否需要提供电源，可分为有源式与无源式；从不同的传感原理出发，则有更为细致的分类方法。

图1 单相电子式电流互感器整体结构框图

注1：绝缘问题同时反映互感器的造价，电子式互感器的绝缘相比传统互感器简单，而绝缘造价受电压等级的升高而升高，故造价差距越明显。

注2：不存在二次回路开路的问题，同时电子式互感器利用光纤传递采集信息绝缘相对简单，不填充绝缘油，因此较为安全。

2.2.1 电子式电流互感器

IEC和GB/T国家标准提出了电子式电流互感器典型的三种类别，这样的分类肯定了下列互感器在线性度、动态范围、测量精度及抗干扰等方面的性能，有较大的发展前景：

(1)光学电流互感器。运用光学原理，同时利用光导材料作为传感元件，通过测量光路变化间接测量导体内电流的方法研制的互感器；如依据Faraday效应研制的全光纤电子式互感器，其通过测量偏振光通过与电流成正比的磁场后的偏振角(工程上多将角度变化转换成光强变化)，间接获得电流值。

(2)Rogowski线圈电流互感器。互感器的传感头运用不含有磁性材料的Rogowski线圈，线圈的结构如图2所示。

图2 Rogowski线圈结构示意图

被测导体竖直贯穿线圈正中心，导体中流过被测的电流i，均匀缠绕在骨架上的线圈其感应出的电动势为e(t)，i与e(t)存在如下线性关系：

(1)

式中φ代表交链于线圈的磁链；M为线圈的互感；μ0为真空磁导率。

从式(1)可以得出，e(t)正比于与导体中流过的电流i的微分值，通过相应的积分处理电路还原e(t)便可获得i值。

由于线圈的骨架中不存在磁导材料，Rogowski线圈没有磁饱和问题，在测量暂态短路电流时仍保证测量的线性度，根据这一特点，Rogowski线圈在电力系统测量中受到了广泛应用。

(3)低功率电流互感器(Low Power Current Transformer, LPCT)。LPCT是在传统电磁式感应线圈上加以改良，具有低功率传输特性的线圈。具有测量灵敏、结构简单、性能稳定、易于大批量生产等特点；此外，由于该类线圈的输出直接供给二次电子线路，故其二次负荷较小，加之采用微晶合金一类的高导磁铁芯材料，不易饱和，可以实现对大动态范围电流的测量。

2.2.2 电子式电压互感器

(1)光学电压互感器。这类互感器基于光电效应，通过光的折射率在磁场中的变化规律，间接测量施加在光学晶体上的电压。以下着重介绍Pockels电压传感器器原理：

当一束光通过起偏器后成为线偏振光(如图3所示)，如果使偏振方向与x轴或y轴成π/4夹角，沿E方向穿过晶体，在x轴、y轴方向上的两个分量会呈现不同的传播速度，波长为λ的光束过长度为l的晶体后，出射时会带有相位差δ：

图3 Pockls电压传感器原理示意图

(2)

根据式(2)，如果知道相位角δ，则可求得外加电场E(电压V)。现在尚无法直接测得这个相位差δ，但是可用类似于磁光式电流互感器中测量偏振面旋转的方法，即使用解偏振器，将光偏角的变化转换为光强的变化。

(2)分压型互感器。采用电阻、电容以及阻容器件构成分压电路，得到正比于一次侧电压的电信号，通过电光装换后经光纤传导至低压侧。

电阻分压器与电容分压器各有其优缺点，其中电容分压器是采用较为普遍的分压技术。其优点源于器件内基本是容性电流，不会产生焦耳热，相比电阻分压型有助于长期运行时保证绝缘稳定。工程中，电阻分压型电压互感器多用于10kV和35kV[4-5]；电容分压多用于中高压电压互感器[6-7]。而现今使用的阻容分压器很好的实现了前两者的优势互补。适当的选取所使用的电阻与电容参数，可使分压比与频率无关，同时实现直流与交流的电压测量。综合了电阻分压和电容分压的某些特点，形成了一下新的独有技术优势[8]：

①阻容并联无剩余电荷引起的暂态过程。

②分压元件采用高精度电阻、电容组合，性能稳定、测量精度高。

③输入阻抗高、分压电流小、功耗小、体积小质量轻。

④无频率选择性，可用于交流电压和直流电压的测量。

3 电子式互感器性能比较

3.1 电子式互感器存在的技术难点

无论是有源式还是无源式电子式互感器，共同面对的问题主要有测量精度、暂态特性、绝缘问题、抗干扰能力以及长期运行的稳定性等方面。

对于有源电子式互感器，需要在高压侧供能技术、远端模块的可靠性问题以及采集器的维护问题上做出技术突破。此外，从具体的已投入实践的方面来看，Rogowski线圈及低功率线圈虽然在工程中得到了广泛的应用，但都有各自的不足。根据式(1)可以得出，Rogowski线圈的感应与其结构、材料、杂散参数密切相关，故Rogowski线圈的测量精度受外界温度的影响，存在热平衡问题。此外在母线空载及轻载状态下，Rogowski线圈感应的电势微弱，不能进行精确测量，这被称作Rogowski线圈的精度死区，综上所述Rogowski线圈在工艺上有很高要求，同时需要有温度补偿手段。对于LPCT，由于含有磁导材料，在特定的暂态工程中容易出现饱和情况，测量的动态范围不足以满足测量暂态大电流情况[9]，如发生短路故障时重合闸动作带来的剩磁通，会使LPCT迅速饱和。

在工程应用上无源电子式互感器主要存在的问题是光路系统会随温度发生变化，所以需要消除晶体对于光电效应外的其它光学效应的干扰[10]。另外，磁光材料具有双折射的效应，影响测量精度[11]，磁光材料具有双折射效应，会导致射入磁光介质的线性偏振光变成椭圆形偏振光，导致检偏器检测到的光强度变化与被测电流不成正比，从而会导致光电式电流互感器的测量精度会有所降低。

3.2 电子式互感器横向对比

3.2.1 电子式电流互感器

表2对现今电子式电流互感器性能做出了横向对比。下面就表格的具体内容，以及如今的研究方向做更为详细的说明：

针对有源电子式互感器，对其的研究集中在：Rogowski线圈及LPCT的组合方案[12-13]，以及新型测量原理的研究方面[14-17]。

(1)空心线圈与的组合方案

上一小节已经对空心线圈及存在的问题进行了分析。综合可知，两者间存在互补关系：空心线圈由于没有饱和现象，有良好的暂态特性，是优良的保护用传感设计；而具有高精度且抗干扰能力强的特点，在测量传感方面有优势，故将两者结合的互感器设计方案，可实现优势互补。

文献[9]在这方面做出了研究，提出了Rogowski线圈与LPCT的互补设计以及数据融合算法原理(见图5)，实现组合方案，组合方案同时汲取了两者的优势，阐述了组合方案有助于提高小信号传感的抗干扰能力。

表2 现有电子式电流互感器性能比较

图4 数据融合工作原理

(2)在传感原理方面的新技术

针对如今无源电子式互感器存在的问题(温度影响以及双折射问题)，一些研究集中在现有光学互感器的补偿方案；另一些集中在了新的传感原理方面，主要包括光纤光栅型、磁流体型、模间干涉型和磁畴型。

目前多数补偿方案只针对温度影响下线性双折射和Verdet常数变化的问题进行了补偿，这些补偿方法对温度测量的精度要求很高[19-22]，同时需要增加复杂的光学单元，或者需要精确的偏振态控制，在实际操作中很难实现，补偿效果并不理想。其中文献[23]研究了一种基于比较测量法的光学电流互感器，即比较式光学电流互感器(comparative optical currenttransformer，COCT)。

表3 现有电子式电压互感器性能比较

3.2.2 电子式电压互感器

表3对现今电子式电压互感器性能做出了横向对比，采用分压原理的电子式电压互感器的性能已在上文做出了评述，下面主要就光学电压传感器的特点进行分析：

光学电压传感器提供了一种独特的非电器传感方向，其无源特点决定了它特别适合用于不便获得电源或者必须屏蔽电磁干扰的应用场合。然而在大多数电力电压测量应用中，由于分压器输出的二次电压均可设计在低压端，采用无源传感并非必要，所以光学无源电压传感方案的研制并不像无源电流互感器一样具有吸引力。泡克尔斯电光效应以及其它一些光学测量原理广泛进入实用化，需要在以下几方面做出改进。

(1)克服温度、振动和应力对电光晶体传感过程的附加影响，使得光学电子式电压互感器具有稳定的测量性能。

(2)简化光路元件，根据互感器的特定要求，研制光学电子式电压互感器专用的集成光学调整和解调元件，降低造价、装配和维护难度。

4 有源电子式互感器高压侧供能技术

针对有源电子互感器而言，要求其必须在高压侧完成此号的采集和发送，故一次辅助电源一直是电子式互感器发展道路上的关键技术与难点技术。

如今在供能方向获得突破的技术，一种是由激光源、传输光纤、光电池组成的激光供能系统。另一类是利用取能线圈，通过母线磁场感应的电动势，经过整理、滤波、稳压等处理电路后提供高压侧供能的方案。最后一种是综合以上两者供能方案的优点的互补方案即激光供能与取能线圈组合供能方案：当一次电流较小时由激光器提供电源，当一次电流比较大时(一般大于20A时)，切换到取能线圈供能，两种供电方式可以实现无缝切换。

供能方案性能的对比可见表4。

对于激光供能方案，其优点为[9]：光纤传递隔绝了高、低压两侧电路的直接联系，同时也隔绝了两侧的电磁干扰，适合一些强电磁干扰环境下工作；此外发射头和接收头的体积小，有利于触感器和采集器的微型化设计。激光供能包含的技术与问题有：光信号通道的选取问题以及与取能线圈组合时的电源切换问题。

表4 现有电子式互感器供能方案比较

对于取能线圈母线取能的方案，它是一种自供电方式，优势明显，并且供电结构简单，造价低廉，对其的应用也是最为广泛的，下面主要介绍该技术主要存在的两点技术难题：①取能线圈的工作情况依赖一次侧母线，这将导致母线处于轻载状态时，线圈感应的电势不足矣满足采集器的供能需求，此时的情况被称作取能线圈的供能死区；②由于线圈采用了铁芯结构，取能线圈存在因磁饱和带来的供电稳定性问题。

针对以上应用问题，研究者进行了如下相关的研究[24-25]：通过采用平波电抗器[26]、铁芯开气隙[27]、电流互感器取能与储能电池结合[28]、针对铁芯材料的研究[29]、采用补偿措施的铁芯线圈[30-31]、反馈控制或斩波控制[32]，达到取能的目的。

5 在智能变电站中的运用

电子式互感器作为智能化一次设备，它的应用是智能变电站的重要标志之一。而对于电子式互感器的智能化研究，关键在于采样值通信接口问题以及一、二次设备功能集成的问题。IEC 61850标准作为变电站自动化系统(SAS)中第一套全面的通信规约，其对电子式互感器带来的作用及影响可概括为以下几个方面：

(1)互操作性要求。在IEC 61850中，互操作性指的是智能装置(intelligent electronic device，IED)间的通信接口标准化，即来自不同生产厂家的IED可以在同一个网络中交换信息。互操作性是电力公司、设备供应商和标准制定机构共同的目标，所有的通信都必须允许来自多个供应商提供的IED装置实现无缝连接并成为整体，故电子式互感器的通信接口需要符合互操作性这一要求。

(2)合并单元。合并单元定义在IEC 60044-8[2]中有详细说明，其作用在于给电子式互感器提供了数字化接口。合并单元同步收集多路采样值信息，并将相应采样值(SMV)报文发送至间隔层的保护、测量二次设备。图7显示了合并单元的逻辑位置，一次说明了合并单元在智能变电站中的地位与功能。

应该指出，MU本身是电子式互感器的一部分或者一个附件，其标准化的功能同样体现了智能设备的互操作性的特点。

(3)采样值通信服务。合并单元采集多路电子式互感器采样值信息，并封装整理成标准的采样值报文随后对时、出口。采样值报文传输基于ISO/IEC8802-3规定的数据链路层映射，采用标准协议报文IEC61850-9-2或IEC 60044- 8进行通信，以太网方式进行传输。

图5 智能变电站中的电子式互感器

6 发展趋势

如今的电子互感器技术发展不仅是针对现存电子式互感器自身关键技术的研究，对其的发展趋势还应该结合特高压输电技术、组合电子式互感器(ECVT)、GIS设备及智能一次设备等较为前沿的技术。

目前电子式互感器的发展呈现传感无源化、结构组合化、功能复用化及部件标准化的整体趋势。这样的发展将使得电子式互感器的智能化及安装维护的简易化，最大程度的发挥电子式互感器的技术优势。