电子式互感器测试方法的研究

曹敏，梁仕斌，李毅，陈郑，张忠才，苏逢春

（云南电力试验研究院（集团）有限公司，云南 昆明 650051）

 (The research of testing technique 

of electro-transformator)

Cao Min,Li Yi,Liang Shibin,Chen Zheng, Zhang Zhongcai, Su Fengchun

（Yunnan Electric Power Test ＆ Research Institute,Kunming 650051,China ）

Abstract：Compare with conventional electro-transformator，the electro-transformator has a good few advantage,along with the technical development of photoelectron、micro-electronics and communication, presently, electro-transformator already have entered into the practical phase stage by stage. Introducing the principle and structural characteristic of fountainous and no fountainous electro-transformator in this article, and bring forward the testing technique of electro-transformator, and Analyzing the function、structure and technical index of this testing system. The testing system with the high-precision simulative quantity collection、switching module、synchronous signal and timepiece,be able to test all series and all type electro-transformator 、electromagnetic  transformator and capacitive transformator. Be the same with testing transformator at noumenon in the laboratory, and testing data veracity and consistency of the electro-transformator and its collection、incorporate cell 、the whole data transmit chunnel out of doors. Passing contrastive testing that in the laboratory and out of doors,the result of the system is that the capability is steady and the testing result is correct.

key words: transformator；electro-transformator；ECT；EVT；Rogowski loop；laser taking energy

摘要：电子互感器与传统电磁式互感器相比具有诸多的优点，随着光电子技术、微电子技术及通信技术的发展，目前电子式互感器已逐步进入实用化阶段。本文对有源式、无源式电子互感器的工作原理、结构特点进行介绍，并提出电子式互感器的测试方法，进而分析了电子式互感器测试系统的功能、结构及其技术指标。该测试系统采用高精度模拟量采集、转换模块及同步信号时钟源，能够对全系列、各类型电子式、电磁式、电容式互感器进行测试；不仅适用于在实验室互感器本体进行测试，还适用于现场对电子式互感器及其采集器、合并单元、甚至整个数据传输通道的数据准确性、一致性进行测试。通过实验室及现场比对测试，该系统性能稳定、测试结果正确。

关键词：互感器；电子式互感器；ECT；EVT；Rogowski线圈；激光取能

0 前言

电子互感器与传统电磁式互感器相比具有诸多的优点，例如：电子式互感器具有无磁饱和、频率响应范围宽、暂态特性好、绝缘结构简单、不存在二次开路或短路的隐患等，能够以数字信号输出，传输中用光缆代替了电缆，从根本上解决了互感器在电流、电压信号传输过程中所产生的附加误差，有利于变电站实现数据共享，能够满足更高程度的变电站自动化需求。长期以来国内外许多机构致力于电子式互感器的研制，瑞士ABB、法国ALSTOM、日本NGK等国际知名公司都研制出成型产品，并且已有较长的挂网运行经验。我国的研究工作起步较晚，但是进步较快，国内南京新宁光电自动化有限公司、西安同维电力技术有限公司等厂商生产的电子式互感器最长的已有4年的挂网运行经验，并且在许多试点变电站被采用，如：云南曲靖110kV翠峰数字化变电站整站采用了电子式互感器，目前电子式互感器已经逐步进入实用化阶段。

互感器作为电力系统的主设备之一，广泛应用于电力系统计量、监控、保护、录波和测距等技术领域，为了保证电子式互感器的准确度，确保系统安全、稳定，必须对这些互感器进行测试。但是，电子互感器与传统互感器相比，在测量原理、结构和输出信号的方式上发生了根本的改变，传统互感器测试方法并不适用于电子式互感器，因而有必要对这些问题进行研究。

1 电子式互感器的原理、结构

根据电子式互感器传感头（测量元件）有无供电电源，可将电子式互感器分为有源式和无源式两种，下面分别进行简单介绍。需要说明的是由于技术及材料，目前无源式电子互感器的应用比较少，广泛被采用的是有源式的。

1.1有源式电子互感器的工作原理

有源型电子互感器在传感头部分没有使用特殊的功能性光纤或其它光学元件，而是采用了传统的电流、压传感器件，如小功率电流互感器、Rogowski线圈、感应分压器、电容分压器、电阻分压器等，实现起来比较容易，并具有良好的可靠性和长期的稳定性。本文不介绍小功率电流互感器、感应分压器等元件，因为它们的工作原理并没有变化。图1所示为有源电子式CT的Rogowski线圈结构示意图，Rogowski线圈的骨架为非磁性材料，如图2所示。若线圈的匝数密度n及截面积S均匀，Rogowski线圈输出的信号e与被测电流i有如下关系：

e(t)=-(dΦ/dt)=-μ0nS·(di/dt)         (3)

e(t)经积分变换及A/D转换后，由LED转换为数字光信号输出，控制室的合并单元（PIN）及信号处理电路对其进行光电变换及相应的信号处理，便可输出供微机保护和计量用的信号。

图1  有源电子式CT结构示意图

图2 Rogowski线圈

图3所示为有源电子式PT的结构示意图。被测高压经分压器分压后，经信号预处理、A/D变换及LED转换，以数字光信号的形式送至控制室，控制室的PIN及信号处理电路对其进行光电变换及相应的信号处理，便可输出供微机保护和计量用的信号。

图3  有源电子式PT的结构示意图

     有源电子式CT、PT的一次高压侧有电子电路，其电源的供给方式主要有两类，一类是光供电，即控制室内LD发出的光由光纤送至高压侧，再经光电变换转换为电能供电路工作；另一类是利用一小CT从高压线路上获取电能供电路工作。

1.2 无源式电子互感器研制情况

无源式电子互感器以利用法拉第磁光效应的装置为主，当一束线性偏振光通过放置在磁场中的光纤或块状晶体玻璃时，如果光的传播方向与磁场方向相同，偏振平面将发生旋转，旋转角正比于磁场强度沿偏振光通过路径的线积分。电流传感的灵敏度正比于材料的费尔德常数，但通常费尔德常数越大，温度系数越大，故互感器灵敏度受到温度变化的影响。同时，光学元件内部的残余应力产生随温度变化的线性双折射，当光学玻璃和光纤受到振动和其它机械扰动时，等效于引入应力，同样引起线性双折射。线性双折射的存在降低了传感头的灵敏度，且使灵敏度随振动和温度而变化，影响了整个系统精度和稳定性。各国研究人员针对存在的这些问题做了大量深入的研究工作并多次挂网运行，但设计与加工难度以及长期运行中的稳定性问题仍是阻碍无源式电子互感器的实用化进程。国内的研究项目最终也在光纤固有双折射或温度影响等问题上受阻，未能实现无源式电子互感器的实用化。

1.3 有源式电子互感器的结构

图4是有源式电子互感器的典型结构原理图，其电流互感器保护绕组采用Rogowski线圈，测量/计量绕组采用小功率铁心线圈作为测量元件，电压互感器采用串行感应分压器。电子式互感器有型式：（1）电子式电流电压互感器，（2）电子式电流互感器，（3）电子式电压互感器。

如图4所示，传感头部件包括串行感应分压器、Rogowski线圈、铁心线圈、采集器等。传感头部件与电力设备的高压部分等电位，传变后的电压和电流模拟量由采集器就地转换成数字信号。采集器的电源由激光供给，采集器与合并器间的数字信号传输及激光电源的能量传输全部通过光纤来进行，另外许多产品也可以通过获取一次高压系统的能量作为采集器电源，从而延长激光电源的寿命，由于光纤的绝缘性能优良，所以电子式互感器的绝缘结构非常简单。

合并器可以接收并处理来自多个采集器的数字信号，有的产品还可以接收并处理电磁式互感器提供的电压、电流模拟量，对这些信号进行汇集处理后，输出到监控、保护、计量等装置。另外，合并器还能提供同步信号输入通道，接收变电站同步信号以同步连接的各采集器。

图4  电子互感器的结构原理

2 测试方法

目前标准互感器广泛采用传统电磁式互感器（还没有标准电子式互感器），其输出是模拟量，电流为1A、5A，电压为100V、100/V，在对电子式互感器进行准确度测试时有两种基本方法可选择，一种是将电磁式互感器输出的模拟量转变为数字量与电子式互感器输出的数字量进行比较测量；另一种是将电子式互感器输出的数字量转变为模拟量与传统互感器输出进行比较，两种方法的核心是必须保证转换过程的准确度。由于A/D转换的精度更容易保证，我们采用了前一种方法。

2.1 电子互感器现场测试方案

现场条件下，电子互感器与采集器、合并器配合工作，测试方法见图5、图6，该测试方法的特点是除互感器本体外，还兼顾对数据采集、汇总、传输等整个过程的准确性，一致性测试。

2.1.1 电子电流互感器现场测试方法

图5是电子电流互感器现场测试原理图，模拟量采集/转换模块采用了美国NI公司的NI4070 6½位高精度模拟量采集插件，将标准互感器的输出转换为数字信号，搭配专用的测量PC，数字量采集方面使用网卡接收合并器/采集器输出的数字信号，通过专用测量程序直接比较得到测量结果。

2.1.2 电子电压互感器现场测试方案

图6是电子电压互感器现场测试原理图，该测量系统的测量原理与电子电流互感器基本一致，电子电压互感器采用感应分压器作为测量元件，通过采集器，将测量元件测到的电压信号转换为光电信号由光纤输送到合并器。测试时，将合并器输出的光电信号输入测试计算机，另外NI4070采集插件将传统标准电压互感器的模拟信号转换为数字信号也输入测试计算机，进而通过专用测量程序测量电子互感器的比差、角差。

2.2 电子式互感器实验室测试方案

在实验室，主要针对电子式互感器本体进行测试，根据IEC60044-7、IEC60044-8的规定，电子式互感器本体可输出多种幅值的电压信号，为便于测量，我们采用图7所示的方案。对于极少数输出电压大于10V的电子式互感器，采用感应分压器对其进行变换后再输入到互感器校验系统的模拟量采集通道。对于要求互感器与采集器、合并器一起进行测试的情况，实验室也可采用图5、图6的方法进行试验。

2.3 电子式互感器校验系统自检方法

在本项目的研究过程中，为分析电子式互感器校验系统对于测试结果的影响，我们通过图8所示的方案进行自检。用标准交流源输出电压信号，接至互感器校验系统的两路模拟量采集通道进行测量，理论上测量误差应为零。

3 电子式互感器测试系统的研制

根据电子式互感器的测量原理及结构特点，对各种测试方法进行分析并经过大量的现场、实验室测试，兼顾发挥传统互感器性能稳定、测量精度高的优点，我们研制出电子式互感器测试系统（装置），如图9所示，下面对其结构、功能、技术指标进行介绍。

3.1 功能及结构

为了兼顾对传统互感器的测试，该测试系统采用了两路NI4070六位半高精度模拟量采集、转换插件，将传统互感器输出的模拟信号转换为数字信号输入到专用测量计算机进行直接比较。考虑到该方法应能满足现场、及实验室测试，将同步时钟源整合到装置中；数字量采集方面使用网卡接收合并器的数据报文，使用NI公司的Labview软件开发的测试软件，搭配专用的测量用计算机，通过程序解析得到测量结果。方便的在界面上显示。同时还可以完成测试报告生成、测试参数设置等功能，测试前输入标准源的变比等参数，直接将测试结果以报告形式输出，具有较高的自动化水平。其结构框图见图10。

图10  电子式互感器测试系统结构框图

目前该测试系统能满足下述功能：

（1）能够对满足IEC60044-7、8标准采用数字量输出的电子式互感器进行测试；

（2）能够对满足IEC60044-7、8标准采用模拟量输出的电子式互感器进行测试；

（3）能够对传统电磁式、电容式互感器进行测试。

下面是测量系统的各组成部分。

（1）NI4070 6½位高精度模拟量采集插件

该插件采用高精度时钟和高精度运放、A/D转换对电压进行采样，最高采样率为1.8 MS/s 完全可以满足0.2S级互感器的校验要求。NI4070的最大测量电压为10V，测量以及同步信号输入端口采用镀金接口，保证了长期使用的可靠性。

同时NI4070还具有非常强大的自检测功能，可以根据不同的环境温度自动对A/D转换进行补偿，从而避免了温漂对测量系统的影响，它还具有自稳零，ADC自校正等等保证测量精度的功能。

（2）同步时钟源：

同步脉冲的作用是将合并器的计数位清零，并同时触发NI4070开始采集，在采集系统中，同步脉冲上升沿时刻记为零时刻，而查找合并器被同步后发送过来的带有时标数据，计数器为零的数据可以看作零时刻的数据，用计算机将数据提取出来进行计算，同时将NI4070采集的数据进行相同的计算，这样就可以精确求得电子式互感器的比差和角差。

（3）数字量采集通道：

数字量采集通道为光纤或RJ45接口的以太网，如合并器输出为光纤输出，则将其信号转换为RJ45接口即可，方便接入测试计算机使用。

（4）专用测量程序：

该专用测量程序具有良好的用户界面，可对两路信号进行比较，实现电子互感器的比差、角差测量，并监测信号波形，该测量程序具有较好的灵活性，能够通过参数设置进行不同变比互感器的比较测量。

3.2 技术指标

⏹准确度：0.04％

⏹使用环境条件

工作温度：0℃～35℃；存储温度：－40℃～＋70℃；相对湿度：0～80%；

⏹校准基准工作环境

工作温度：23℃±2℃；相对湿度：45%～75%；

⏹数字输入电压：额定电压参数：11585（数字量）

⏹数字输入电流：额定保护电流：463（数字量），额定测量电流：11585（数字量）

⏹模拟标准器输入： 0V-10V（峰-峰），额定输入电压50mV-10V可设定。

⏹频率：50Hz

⏹整体功耗：200W

⏹同步信号脉冲：同步源，可同步两路数据采集通道，并提供光纤接口的同步源信号输出，时间精度误差为20PPM。

⏹通讯口：具备满足IEC 61850-9-1协议的电子式互感器光纤接口，并支持IEC 61850-9-2的协议扩充。

⏹配套附件

a.基于LABVIEW开发的电子式互感器测试软件一套。

b.的同步信号源一套（内置于机箱）。

c.感应分压器两台，规格：100V/10V，0.005级。

d.标准电阻四只，其中：两只，规格：1A、10欧、10W、0.01级；两只，规格：5A、 2欧、10W、0.01级；

4 测试数据比较分析

在研究过程中，对110kV翠峰数字化变电站的整站电子式互感器进行了测试，并与实验室测试数据进行比较，见表1、表2。

（1）110kV沾翠线A相TV测试数据

型号:OET711VTZ  准确度等级:0.2   额定电压:110/kV  

温度:21℃   相对湿度:61%  出厂编号：051106

表1  电子式TV实验室及现场测试数据表

型号:OET701CTZ  准确度等级:0.2S  额定电流:300A  

温度:21℃   相对湿度:61%  出厂编号：06020003

表2  电子式TA实验室及现场测试数据表

5 小结

（1）与传统互感器相比电子式互感器有许多优点，多年以来国内外许多机构致力于电子互感器的研制工作，目前有源式电子互感器已逐步进入实用化阶段。

（2）目前标准互感器广泛采用电磁式互感器（还没有标准电子式互感器），其输出是模拟量，在对电子式互感器进行准确度测试时有两种基本方法可选择，一种是将电磁式互感器输出的模拟量转变为数字量与电子式互感器输出的数字量进行比较测量；另一种是将电子式互感器输出的数字量转变为模拟量与传统互感器输出进行比较，两种方法的核心是必须保证转换过程的准确度。

（3）本文介绍的采用高精度模拟量采集、转换模块及同步信号时钟源，建立直接比较测量法的电子式互感器测试系统，是对电子式互感器进行测试的一种可行方法。该系统能够对满足IEC标准的模拟量输出及数字量输出的电子式互感器进行测试，并且也能对常规电磁式、电容式互感器进行测试。该系统不仅适用于在实验室对电子式互感器本体进行测试，还适用于现场对电子式互感器及其采集器、合并单元、甚至整个数据传输通道的数据准确性、一致性进行测试。通过实验室及现场比对测试，该系统性能稳定、测试结果正确。

（4）随着电子互感器及其测试方法的应用，有必要制定科学、合理的“电子式互感器测试规范”，对该项工作提供依据并进行规范，使电子式互感器更快、更好、更安全地应用于电力系统当中。

参  考  文  献：

[1]  JJG313－94  测量用电流互感器检定规程[S].

    JJG313－94  Inspecting Regulations for measuring current transformers[S].

[2]  JJG314－94  测量用电压互感器检定规程[S].

    JJG314－94  Inspecting Regulations for measuring voltage transformer[S].

[3]  IEC 60044-8:2002  Electronic Current transformers[S].

作者简介：

曹敏（1961-），男，本科，高级工程师，主要从事计量、电气测量的试验及研究。 

梁仕斌（1974-），男，本科，高级工程师，主要从事互感器试验及研究。 

李毅（1966-），男，本科，高级工程师，主要从事计量、电气测量的试验及研究。