標(biāo)簽：智能電網(wǎng)  電子互感器 電力系統(tǒng)

摘 要:詳細(xì)介紹了關(guān)于電子式互感器的定義、分類及原理,分析了有源式和無源式電子式互感器的類型、原理及其存在的主要問題,并就其技術(shù)特征進(jìn)行對比,討論了電子式互感器是如何在智能變電站中起到關(guān)鍵的作用以及未來電子式互感器的發(fā)展趨勢。

為保證電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,需要對電力系統(tǒng)及其電力設(shè)備的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行測量,以便對其進(jìn)行必要的計(jì)量、監(jiān)控和保護(hù)?；ジ衅鞯淖饔帽闶菍⒏唠妷夯虼箅娏靼幢壤儞Q成標(biāo)準(zhǔn)低電壓或標(biāo)準(zhǔn)小電流,供給測量儀器、儀表和繼電保護(hù)控制裝置。傳統(tǒng)的互感器多為電磁式互感器,其由于自身存在絕緣性能差,動(dòng)態(tài)范圍小,易發(fā)生磁飽和等缺陷, 而電子式互感器已然成為解決這些問題的“鑰匙”。近年來,智能電網(wǎng)已逐步成為電力行業(yè)的發(fā)展趨勢, 其核心便是智能變電站。相比于常規(guī)變電站,智能變電站是數(shù)字化變電站的升級(jí), 而數(shù)字化變電站的特點(diǎn)是以電子式互感器取代傳統(tǒng)的互感器, 以數(shù)字信號(hào)取代傳統(tǒng)的模擬電量采集,通過光纖、通信線組成數(shù)字化網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)精確地電壓電流數(shù)據(jù)測量,以便于智能電網(wǎng)的控制、監(jiān)控與保護(hù)。因此, 電子式互感器在智能變電站中的應(yīng)用將在未來智能電網(wǎng)建設(shè)中起到不可估量的作用。

1 電子式互感器的定義及分類

1 . 1 電子式互感器的定義

電子式互感器是具有模擬量電壓輸出或數(shù)字量輸出,供頻率15～100Hz的電氣測量儀器和繼電保護(hù)裝置使用的電流/ 電壓互感器。

顧名思義, 電子式互感器分為電子式電流互感器和電子式電壓互感器兩種,其通用框圖如:圖1所示。

圖1 電子式互感器通用框圖

在圖1中,一次傳感器產(chǎn)生與一次端子通過電流或者電壓相對應(yīng)的信號(hào), 經(jīng)過一次轉(zhuǎn)換器傳送給二次轉(zhuǎn)換器, 然后二次轉(zhuǎn)換器將傳輸系統(tǒng)傳來的信號(hào)轉(zhuǎn)換為供給測量儀器、儀表和繼電保護(hù)或控制裝置的量。

1 . 2 電子式互感器的分類

圖2 電子式互感器分類示意圖

圖2 中, 若一次轉(zhuǎn)換器是電子部件, 需要一次電源供電, 則稱此類電子式互感器為有源電子式互感器; 若一次傳感器是光學(xué)原理的, 光纖傳輸系統(tǒng)可以直接將光測量信號(hào)送出,無需一次轉(zhuǎn)換器,當(dāng)然也無需一次電源, 則稱此類電子式互感器為無源電子式互感器。

2 電子式電流互感器

2 . 1 無源式電子式電流互感器

無源式電子式電流互感器可分為全光纖式和磁光玻璃式,其主要原理是Faraday效應(yīng)原理,亦稱為磁致旋光效應(yīng)。LED發(fā)出的光近起偏器后為一線偏振光, 線偏振光在電流產(chǎn)生的磁場作用下通過磁光材料時(shí),其偏振面將發(fā)生偏轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)角q 正比于磁場H 沿著線偏振光通過材料路徑的線積分,即

V 為Verde常數(shù); N 為光路與電流交鏈的匝數(shù); i 為導(dǎo)體中流過的電流。

由此可見,電流i 與q 角成正比,因此,測出偏振光旋轉(zhuǎn)角q 即可測出電流i 。

由于無源式電子式電流互感器采用的是光學(xué)材料, 環(huán)境因素對其性能的影響很大,主要表現(xiàn)在溫度漂移和長期穩(wěn)定性,所以其能否最終實(shí)用化推廣的關(guān)鍵就是解決這兩方面的問題。

2 . 2 有源式電子式電流互感器

基于Faraday電磁感應(yīng)原理的有源式電子式電流互感器可分為Rogowski線圈型和低功率線圈型。低功率線圈型與傳統(tǒng)電磁式互感器實(shí)現(xiàn)原理基本一致,而Rogowski線圈,亦稱為空心線圈,是由漆包線均勻繞制在環(huán)形骨架上制成的, 不會(huì)出現(xiàn)磁飽和及磁滯等問題。

載流導(dǎo)線從線圈中心穿過, 當(dāng)導(dǎo)線上有電流流過時(shí), 在線圈兩端將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電勢e ,它與一次電流i 的關(guān)系如下:

截面積; R 為線圈中心和導(dǎo)電桿中心之間的距離。

可見,理想的Rogowski線圈對電流的測量依賴于一個(gè)穩(wěn)定可靠的互感系數(shù),將測得的感應(yīng)電勢進(jìn)行積分處理, 并結(jié)合該空心線圈的互感系數(shù)進(jìn)行計(jì)算, 即可得到被測電流的大小,圖3。

因?yàn)镽ogowski線圈型電子式電流互感器的基礎(chǔ)是Faraday電磁感應(yīng)定理,所以決定了其不能用于測量恒穩(wěn)直流, 對于變化比較緩慢的非周期分量的測量也有一定的局限性, 即存在測量信號(hào)頻帶的限制。

3 電子式電壓互感器

3 . 1 無源式電子式電壓互感器

無源式電子式電壓互感器分為Pockels效應(yīng)型和逆壓電效應(yīng)型, 由于基于逆壓電效應(yīng)的無源式電子式電壓互感器需要特種光纖且信號(hào)解調(diào)較為復(fù)雜, 現(xiàn)在研究的大多數(shù)為Pockels效應(yīng)型。

根據(jù)Pockels效應(yīng),某些晶體在外電場作用下將導(dǎo)致其入射光折射率改變, 這將使沿某一方向入射晶體偏振光產(chǎn)生電光相位延遲, 且延遲量與外加電場成正比, 因此,可將被測電壓加在晶體上,測其入射晶體偏振光產(chǎn)生電光相位延遲(相位差),可得被測電壓值,其公式如下:

Pockels效應(yīng)型電子式電壓互感器由于同樣采用了光學(xué)材料,所以與基于Faraday效應(yīng)原理的無源式電子式電流互感器存在著相同的有待解決的問題。

3 . 2 有源式電子式電壓互感器

有源式電子式電壓互感器主要采用阻容分壓型,與上述幾類互感器不同的是,阻容分壓型互感器是最早的測量高電壓方式。其中, 電阻分壓型電壓互感器多用于10kV和35kV電壓互感器,而電容分壓多用于中高壓電壓互感器。其工作原理示意圖(見:圖4)與Rogowski線圈式互感器極為相似,區(qū)別在于在經(jīng)過電阻電容分壓后,需要經(jīng)過信號(hào)預(yù)處理之后進(jìn)入A / D轉(zhuǎn)換。對于分壓型互感器, 對二次回路阻抗的要求十分苛刻,特別是母線電壓互感器,如何將二次輸出分給多個(gè)二次設(shè)備, 而且保證信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_性和可靠性, 是亟需解決的一個(gè)技術(shù)難題。

4 在智能變電站中的應(yīng)用

智能變電站是指采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備, 以全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求。自動(dòng)完成信息采集、測量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測等基本功能,并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)功能的變電站。

智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)可以劃分為站控層、間隔層和過程層三層。其中, 過程層包括變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電流電壓互感器等一次設(shè)備及其所屬的智能組件以及獨(dú)立的智能電子設(shè)備。

智能電網(wǎng)中的智能變電站主要是要實(shí)現(xiàn)測量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化、信息互動(dòng)化。而這些目標(biāo)的基礎(chǔ)全部基于對電壓電流的精確測量。

電子式互感器是實(shí)現(xiàn)變電站運(yùn)行實(shí)時(shí)信息數(shù)字化的主要設(shè)備之一, 在電網(wǎng)動(dòng)態(tài)觀測、提高繼電保護(hù)可靠性等方面具有重要作用, 是提高電力系統(tǒng)運(yùn)行控制得整體水平的基礎(chǔ)。

一方面, 電子式互感器信號(hào)采用數(shù)字輸出、接口方便、通信能力強(qiáng), 其應(yīng)用將直接改變變電站通訊系統(tǒng)的通信方式。采用電子式互感器輸出的數(shù)字信號(hào)后, 可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)/ 多個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)或過程總線通信方式,完全取代二次電纜線,解決二次接線復(fù)雜的問題, 同時(shí)能夠大大簡化測量或保護(hù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),降低對絕緣水平的要求,從根本上減少誤差源, 簡化了智能電子裝置的結(jié)構(gòu), 實(shí)現(xiàn)真正意義上的信息共享。

另一方面, 電子式互感器的輸出均采用電纜傳輸, 光纜的數(shù)量很少, 因此, 相比于常規(guī)變電站的電纜, 敷設(shè)工作量遠(yuǎn)遠(yuǎn)減少。傳統(tǒng)電流/電壓互感器每1～3個(gè)月例行檢查一次,1～3年進(jìn)行一次小修,30年壽命周期內(nèi)大修兩次。電子式互感器巨大的優(yōu)勢,使得其在全壽命周期內(nèi)基本“免維護(hù)”。因此, 其維護(hù)工作主要是對遠(yuǎn)端模塊或電氣單元中的電子器件進(jìn)行維護(hù)或更換,一般每5 年維護(hù)一次, 相比較而言, 運(yùn)行維護(hù)工作量大為減少。

由此可見, 電子式互感器應(yīng)用在智能變電站中可以促進(jìn)其智能化、自動(dòng)化、精確化, 將極大地促進(jìn)智能電網(wǎng)輸配電模塊的建設(shè)和發(fā)展。

5 結(jié)語

電子式互感器的誕生是互感器傳感準(zhǔn)確化、傳感光纖化和輸出數(shù)字化發(fā)展趨勢的必然結(jié)果。有源式電子式互感器技術(shù)已經(jīng)趨于成熟,基本達(dá)到實(shí)用化要求,故目前國內(nèi)大部分?jǐn)?shù)字化變電站使用的均為有源式電子式互感器。但有源式電子式互感器存在著自身的缺陷和不足, 無法完全滿足智能電網(wǎng)中智能變電站的智能化要求,此時(shí)無源式電子式互感器投入使用即為最佳解決方案。無源式互感器由于利用光學(xué)原理克服了有源式互感器的一些缺點(diǎn), 但卻存在溫度影響以及穩(wěn)定性運(yùn)行問題, 阻礙著無源式電子式互感器的實(shí)用化。

近年來, 無源式電子式互感器的研究取得了較大的進(jìn)展,特別是基于Faraday效應(yīng)的全光纖電子式電流互感器的性能指標(biāo)已接近實(shí)用化要求。由此可見,無源式電子式互感器才是未來電子式互感器的發(fā)展方向, 其在智能變電站中的應(yīng)用也將推動(dòng)著智能電網(wǎng)的發(fā)展與建設(shè)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉延冰,李紅斌,余春雨,葉國雄,王曉琪. 電子式互感器原理、技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

[2] 劉振亞.智能電網(wǎng)知識(shí)問答[M].北京:中國電力出版社,2010.

[3] 許曉慧.智能電網(wǎng)導(dǎo)論[M].北京:中國電力出版社,2009.

[4] 何光宇,孫英云.智能電網(wǎng)基礎(chǔ)[M].北京:中國電力出版社,2010.

[5] 王紅星,張國慶,郭志忠,蔡興國.電子式互感器及其在數(shù)字化變電站中應(yīng)用[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2009,29(09):115～120.

[6] 王虎生, 王文學(xué). 電子式互感器及其在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用[J].機(jī)電信息,2010,10(36):90～91.

[7] 高鵬,馬江泓,楊妮,高紅杰.電子式互感器技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2009,3(09):39～42.

[8] 許玉香, 項(xiàng)力恒. 電子式互感器的應(yīng)用研究[J].電器制造,2011,8(08):48～51,53.

[9] 陳文升, 顧立新. 電子式互感器的應(yīng)用研究[J].華東電力,2009,25(08):1327～1330.

[10]郭志忠.電子式互感器評述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2008,36(15):1～5.

[11]徐大可,湯漢松,孫志杰.電子式互感器在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用[J].電世界,2008,62(09):14～16,17,18.

[12]吳明波, 梁振飛. 電子式互感器對電力系統(tǒng)的應(yīng)用分析[J].2011,4(04)92～93.