1、电子式互感器的关键技术及应用 国电南京自动化股份有限公司 黄建华 目录定义及分类基本原理关键技术几点思考结论电子式电流互感器的定义及分类根据IEC60044-8Electronic current transformers(2002)的定义：光学电流互感器（光学玻璃、全光纤、光栅）空芯电流互感器（传光型）铁心线圈式低功率互感器（传光型）电子式电压互感器的定义及分类根据IEC60044-7Electronic voltage transformers(1999)的定义：光学电压互感器（传感型）阻容分压型电压互感器（传光型）光学电流互感器的基本原理根据Faraday磁光效应,线偏振光在磁场的作用下
2、,其偏振面会发生旋转。ViNHdlVllBLopt 光学电流互感器的基本原理光学玻璃型全光纤型（FOCT)偏振检测方法干涉检测方法双折射是指光纤中传输的两个模双折射是指光纤中传输的两个模式的传播常数或相速随着模式偏式的传播常数或相速随着模式偏振不同而不同的现象振不同而不同的现象，反映了反映了由线性双折射在两个偏振本征模由线性双折射在两个偏振本征模之间引入的相位延迟之间引入的相位延迟。（形状双（形状双折射、应力双折射）折射、应力双折射）sin2-P2sin2121IIIIP无双折射无双折射有双折射有双折射光学电流互感器的基本原理由于线性双折射的存在，将使得电流测量灵敏度减小，并且不稳定。减小了电
3、流测量灵敏度。这是因为双折射使线偏光的两个正交光振动分量之间产生一个位相差，结果输出光变成了椭圆偏振光。对于不同的入射偏振面，传感器具有不同的测量灵敏度。灵敏度随偏振面方位的改变而周期性变。测量灵敏度受外界温度的调制。2sin2121IIIIP无双折射无双折射sin2-P有双折射有双折射光学电流互感器的基本原理在光纤电流传感器中，由于光纤内存在的线性双折射对于温度与振动等环境因素变化十分敏感，而双折射会造成偏振光偏振态输出的不稳定，影响测量的精确度，因此利用各种方法降低双折射是FOCT实用化过程中需要解决的关键问题。采用保偏光纤是最主要的技术手段。保偏光纤是利用光纤的双折射特性、对传输的偏振光
4、的偏振态能够加以保持并传输的光纤。（螺旋（Spun）光纤、扭转光纤等）光学电流互感器的基本原理基于干涉检测方法的全光纤电流互感器（FOCT）干涉型的FOCT并不是直接检测光的偏振面的旋转角度，而是通过受Faraday效应作用的两束偏振光的干涉并检测其相位差的变化来测量电流。干涉型FOCT主要可以分为Sagnac环形结构（也称Loop结构）和反射结构（也称in-line结构）。光学电流互感器的基本原理基于Sagnac反射结构的FOCT由光源发出的光经过保偏光纤耦合器后由由光源发出的光经过保偏光纤耦合器后由光纤起偏器起偏变成线性偏振光，恰在保光纤起偏器起偏变成线性偏振光，恰在保偏光纤的光轴上的光能
5、保持这种偏振状态，偏光纤的光轴上的光能保持这种偏振状态，然后经过一个然后经过一个4545度度融解进入第二段保偏光融解进入第二段保偏光纤，因此在这段光纤两个光轴上的电场矢纤，因此在这段光纤两个光轴上的电场矢量的分量相等。这两个分量成为两个分别量的分量相等。这两个分量成为两个分别在两个光轴上互相垂直（在两个光轴上互相垂直（X X和和Y Y轴）的线性轴）的线性偏振光，分别沿保偏光纤的偏振光，分别沿保偏光纤的x x轴和轴和y y轴传输。轴传输。这两束光经过这两束光经过/4/4波片，分别转变成为左波片，分别转变成为左旋和右旋的圆偏振光，并进入传感光纤。旋和右旋的圆偏振光，并进入传感光纤。由于被测电流会产
6、生磁场和在传感光纤中由于被测电流会产生磁场和在传感光纤中的的FaradaFarada磁光效应，这两束圆偏振光的相磁光效应，这两束圆偏振光的相位会发生变化位会发生变化(=2VNI)=2VNI)，并以不同的，并以不同的速度传输速度传输。光学电流互感器的基本原理基于Sagnac反射结构的FOCT两束圆偏振光在反射膜端面处反射后，偏振两束圆偏振光在反射膜端面处反射后，偏振模式互换模式互换(即左旋光变为右旋光，右旋光变即左旋光变为右旋光，右旋光变为左旋光为左旋光)，然后再次穿过传感光纤，使，然后再次穿过传感光纤，使FaradayFaraday效应产生的相位加倍效应产生的相位加倍(=4VNI)=4VNI)
7、。两束光再次通过两束光再次通过/4/4波片后，恢复成为线偏波片后，恢复成为线偏振光，并且原来沿保偏光纤振光，并且原来沿保偏光纤X X轴传播的光变轴传播的光变为沿保偏光纤为沿保偏光纤y y轴传播，原来沿保偏光纤轴传播，原来沿保偏光纤y y轴轴传播的光变为沿保偏光纤传播的光变为沿保偏光纤x x轴传播。轴传播。分别沿保偏光纤分别沿保偏光纤x x轴、轴、y y轴传播的光在光纤偏轴传播的光在光纤偏振器处发生干涉。振器处发生干涉。通过测量相干的两束偏振光的非互易位相差，通过测量相干的两束偏振光的非互易位相差，就可以间接地测量出导线中的电流值。就可以间接地测量出导线中的电流值。光学电流互感器的基本原理基于S
8、agnac反射结构的FOCT在理想情况下，探测器探测到的光强信号大在理想情况下，探测器探测到的光强信号大小为小为：)cos(1 210IIout相位调制器在检测电路的驱动下产生相位调制器在检测电路的驱动下产生一个与一个与 大小相等方向相反的反馈大小相等方向相反的反馈相移相移，通过检测反馈信号的大小即能，通过检测反馈信号的大小即能确定相位，从而得到被测电流的大小。确定相位，从而得到被测电流的大小。空芯电流互感器的基本原理整个线圈均匀地绕在非磁性骨架上，由全电流定律和电磁感应定律可得到线圈互感系数M 0ln2aiNhRMR E=MjIp对于稳态下的正弦电流，空芯线圈的输出电压为 优点：不饱和，线性
9、范围宽缺点：信号小，且需要积分还原低功率电流互感器的基本原理LPCT仍然是基于电磁感应原理的铁芯CT，它实际上代表了传统CT的发展。特别之处在于所用的铁芯材料是微晶合金铁芯，并且集成了一个取样电阻，将电流输出转换成电压输出。P P1 1I Ip pN Np pP P2 2N NS SR Rs sh hS S1 1S S2 2R Rb bU US S二次输出电压US=RshIS=RshNp/NsIp=1/KRIp 光学电压互感器的基本原理基于Pockels效应:电光晶体在外电场的作用下,其折射率会线性地发生变化,从而使偏振光的两个分量之间产生位相差。VVdlVrn)(2413Pockels 晶体
10、波片起偏器检偏器自聚焦透镜自聚焦透镜电容分压型电压互感器的基本原理10kV、35kV一般采用电阻分压。110kV以上一般采用电容分压或阻容分压。(A)电容分压器;(B)信号调理单元;(C)光供电单元;(D)供能光纤;(B)(E)激光器;(F)信号解调单元;(G)信号传输光纤.传统互感器与电子式互感器的比较传统CT、PT、CVT CT、PT测量准确度高，温度稳定性好；可靠性高（故障率？）CVT体积小,成本低q CT具有铁芯结构，易发生磁饱和，造成保护拒动或者误动；PT、CVT（补偿电抗器、中间变压器）易产生铁磁谐振；q 高频响应差，新型的基于高频暂态分量的快速保护难以实现 电子式互感器没有铁芯，
11、无磁饱和现象，提高了故障测量的准确性 绝缘结构简单，没有因含油而产生的易燃、易爆炸等危险 ECT二次侧开路时不会产生危险的高压 抗电磁干扰能力强 频率响应范围宽，可促进保护新原理的研究 适应了电力计量和保护数字化、微机化和自动化发展的方向 传统互感器与电子式互感器的比较关键技术电容分压型的电子式电压互感器偏差式测量原理，易受温度、振动的影响线圈的准确度、积分器的性能优化、高压侧供电串级分压易受外界干扰、暂态特性空芯电流互感器光学电流、电压互感器光学电流、电压互感器的关键技术光学电流、电压互感器被认为是传统互感器的理想替代品，但是经历了几十年的发展，仍然没有得到大面积的推广应用长期稳定性问题是阻
12、碍OCT实用化的关键。造成OCT长期漂移的主要因素温度 使传感头内部产生线性双折射 使材料的Verdet常数发生变化振动 造成光强的波动 产生应力双折射造成OCT长期漂移的根本原因光学传感头为开环结构,测量原理为偏差式测量原理，因而测量准确度难以提高。测量原理的分类偏差式测量：在测量过程中，用仪表指针的位移(即偏差)决定被测量的测量方法，称为偏差式测量法。零位式测量：在测量过程中，用指零仪表的零位指示，检测测量系统的平衡状态；在测量系统达到平衡时，用已知的基准量决定被测未知量的测量方法，称为零位式测量法。可以获得比较高的测量准确度。测量过程比较复杂，在测量时，要进行平衡操作，花费时间长。测量原
13、理的分类微差式测量：将被测的未知量与已知的标准量进行比较，并取得差值，然后，用偏差法测得此差值。微差式测量法的优点是反应快，而且测量精度高，它特别适用于在线控制参数的检测。例如：传统互感器的校验仪OCT实用化的另外的问题测量的动态范围有限：测量小电流时准确度和分辨率都不高。测量频带和其他原理的互感器存在同样的问题，受信号处理电路的限制：传感头的测量频带宽，但是仍需要后续电路进行信号的分离、滤波等信号处理，为了提高测量准确度，降低噪声，需要压缩频带。FOCT实用化存在的问题反射式光纤电流互感器实质上是一种偏振干涉仪，要求光在传播过程中保持特定的偏振态，而非理想的光学器件会造成偏振光之问的串扰，影
14、响测量准确度。FOCT的户外部分为全光学器件，光学器件工作在变电站恶劣的环境下，因此FOCT同样存在所有干涉检测型传感器的偏振态变化和相位随机漂移而导致的信号衰落问题。虽然和FOCT技术类似的光学陀螺已经有产品面世，但这两种产品相比较，从运行环境、稳定性来看，显然FOCT具有更加严格的要求。变电站一次额定电流较小，同时被测电流的变化范围较大，当电流较小时，信噪比较低，对FOCT的信号调制和解调均提出了更高的要求。构成FOCT的关键光学器件（如激光器、保偏光纤等），甚至高性能的保偏光纤熔接机，都需要从国外进口，不但价格高，而且受制于人。空芯电流互感器关键技术之一空芯线圈的制作原则实现对电流的准确
15、测量取决于一个稳定的互感系数。为了获得高测量准确度，空芯线圈绕制时必须遵循以下原则：二次绕组在一定大小的非铁磁材料骨架上对称均匀分布；每一匝绕组的形状完全相同；每一匝绕组所在平面与骨架所在的圆周的中心轴垂直。几何尺寸在微米量级均匀空芯电流互感器关键技术之二积分器的性能优化输出必须采用积分器还原被测电流信号。211lR Ch由运算放大器本身的增益带宽积决定由运算放大器本身的增益带宽积决定1101RCo2211(1)*V()H(s)=()inRR C SRsVs oo1o12()V()V(),V(0)0inVtdttCRdtR空芯电流互感器关键技术之二积分器的性能优化输出必须采用积分器还原被测电流
16、信号，而积分器的时间常数有限，当系统短路、有大的衰减直流分量的时候，其暂态误差特性取决于测量的下限频率。空芯电流互感器关键技术之三高压侧供电技术以空芯线圈为传感单元，将高压侧的含有被测电流信息的电压信号转换成数字信号驱动发光二极管，通过信号传输光纤以光脉冲的形式传输至低压侧。因此，高压侧需要供电。空芯电流互感器关键技术之三高压侧供电技术高压侧电路的功耗过大。已经达到的最低功耗（国外的报道），一般在70mW左右。一般光电转换的效率较高时为30%，这就要求光源（半导体激光器）的出纤功率至少达到200mW以上。出纤功率在这种数量级的光源，其寿命较短。高压侧的光电转换单元长期工作在户外环境，转换效率会
17、逐渐衰减。空芯电流互感器关键技术之三高压侧供电技术如果采用一个CT供电+两个大功率激光器供电的方案成本较高：（900 x1.17)/只可靠性：缺乏长期实际运行的经验和数据。电容型电子式电压互感器关键技术之一串级分压结构多级电容串联分压结构，容易受到外界的干扰。实际电容分压器的电容元件和大地或接地屏蔽之间存在分布电容，是造成分压器误差的主要原因。实际上,串级分压结构的电子式电压互感器的测量准确度很难做到很高。假设分压器高压臂是由n个电容单元串联而成，其中：CK串联电容单元，CK=nC1；CL1各电容单元对地或对接地屏蔽之间的电容；CS各单元之间的纵向电容。电容型电子式电压互感器关键技术之二电荷滞
18、留引起的暂态误差电网中由于过电压和开关操作引起暂态过程。滞留电荷量的大小取决于线路断开时线路电压的相位。线路重新接入时，取样电容上的电压随时间常数衰减，叠加在稳态正弦信号上造成误差。电荷滞留问题可能引入较大测量误差，对重合闸可能造成影响。传统互感器与电子式互感器的比较从测量的传感原理比较从测量的传感原理比较稳定性稳定性稳态准确度稳态准确度暂态准确度暂态准确度传统传统CT高高不适合用于频带不适合用于频带宽的场合宽的场合低低LPCTLPCT高高不适合用于频带不适合用于频带宽的场合宽的场合低低空心线圈空心线圈高高特别适合宽频特别适合宽频较高较高光学互感器光学互感器有待提高有待提高小电流时有待提小电流
19、时有待提高高较高较高CVTCVT有待提高有待提高有待提高有待提高中等中等结论：从保护的角度：空心和光学互感器为首选；结论：从保护的角度：空心和光学互感器为首选；从计量的角度：对于工频测量，从计量的角度：对于工频测量，LPCT是首选；对于冲击性负荷的是首选；对于冲击性负荷的宽频测量，空心线圈是首选。宽频测量，空心线圈是首选。针对传统电流互感器和电子式电流互感器的思考 关于绝缘结构：充油型 充气型关于测量频带：如果采用LPCT，电子式互感器和传统的互感器没有任何差别。关于饱和问题：如果采用空心线圈，可以极大地改善。结论：将两者的优势结合起来，可以走出现有的误区。一种新的绝缘结构的电子式电流电压组合
20、式互感器 特点1：采用倒立式气体绝缘电流互感器的绝缘结构，使得电流测量线圈和信号调制电路板均位于地电位，因而可以直接采用普通电源用电缆供电，不再需要光供电，大大提高了可靠性；特点2：电子式电压互感器利用倒立式气体绝缘电流互感器的一次导体和内层、外层电气连通的双层屏蔽筒构成的地电极，巧妙地构造出同轴圆柱形电容器分压，克服了多级电容串联分压方式易受外界环境因素引起的分布电容变化影响的缺点，测量准确度高，稳定性好；542310612141722251620212324151819811117913一种新的绝缘结构的电子式电流电压组合式互感器 该新型电子式互感器和传统互感器比较：采用了空心线圈作为保护
21、，提高了暂态性能。采用同轴圆柱形电容器分压，克服了CVT易受外界影响的缺陷。该新型电子式互感器和光供电型的电子式电流互感器比较：采用传统倒立式气体绝缘电流互感器的绝缘结构，不需光供电，可靠性大为提高。542310612141722251620212324151819811117913几点思考电压等级：10kV、35kV、110kV、220kV、500kV测量原理：无源、有源结构型式：独立式；电压电流组合式 组合到断路器中思考之一电子式互感器的出现改变了整个变电站数据采集的格局和结构不管是采用电子式还是传统式互感器，只要是采用61850的数字输出，变电站的过程层的数据采集结构被完全的改变。A/D
22、变换前移，优点：。缺点：风险集成度更高，特别是对计量系统的影响是及其深远的。思考之二对计量系统的影响电子式互感器给计量带来的好处：电压互感器：消除二次回路的压降。电流互感器：频带宽（现在的认识存在很大的误区！），可用于非线性负荷的计量。电子式互感器给计量带来的不利一面：A/D变换前移，使得高准确度的计量受到极大的影响。受A/D位数、采样率（受功耗的制约）等诸多因素的影响。频带的问题？目前缺乏对数字式计量的整体研究。结论：电子式互感器的输出目前不可能用于计量。需要重新修改电子式互感器的标准，并制订有关数字式计量体系的标准，需要有一个相对较长的过程。思考之三有源电子式互感器的可靠性美国的JDSU独
23、家生产有源电子式互感器的供电：对电网的安全有重要影响。电子式互感器在户外含有大量的电子元器件，特别是高压侧。解决方案：采取新的绝缘结构的互感器，彻底去掉光供电的隐患，并建立自身的自诊断系统；采用不同于传统互感器的在线校验方案。思考之四电子式互感器的在线校验传统互感器采用的是定期校验。电子式互感器由于其特殊性，需要随时在线校验，以获得长期运行的经验和提高对事故的预警能力。基于电子式互感器原理的现场校验系统，绝缘结构简单，轻巧。思考之四电子式互感器的在线校验高压侧采用钳型电子式电流互感器，在不停电的情况下，将传输线上的电流转换成电压信号；通过光纤传输至低压侧的数据处理平台。被校验电流互感器的信号也
24、同时被采集送入，数据处理平台将同一时刻的两个信号进行比对，给出校验结果。该结果可以是即时结果，也可以是设定的某时间间隔内的比对存储数据及结果。思考之五电能计量的在线校验电子式互感器在线校验的更高一级目标是：实现电能计量的在线校验。传统互感器和电能表都是分别定期现场校验，再对其误差进行合成，获得电能计量的整体准确度，有一定的不确定性。基于电子式互感器的在线检验系统，可以实现对电能计量的整体校验，准确度、可信度更高。思考之六 电子式互感器贡献给数字化变电站的最大价值究竟是什么？电子式互感器和传统互感器比较，目前一般重点强调的最大优点在于：电流互感器不饱和，电压互感器不谐振。实现自身的状态监测，提高可靠性；实现对非线性负荷的准确计量通过高准确度、宽频的电流、电压测量，为其他一次设备的状态检修提供更多、更可靠的信息。电子式互感器作为数字化变电站的最关键的底层一次设备，它的最大价值在于？结论电子式互感器是数字化变电站的最关键的底层一次设备。有源式电子式互感器是目前相对成熟的技术。无源电子式互感器是发展的方向。电子式互感器的全面推广应用需要长期、大量的运行数据和经验的积累。电子式互感器的在线校验系统是获得运行经验的关键设备和有效手段。并在此基础上，实现电能计量的整体在线校验。电子式互感器的发展应最终实现其自身的状态检修，从而降低运行维护成本，提高可靠性。谢谢！
