电子式互感器技术及其发展现状

Technology

Application 文章编号：1674-0629(2009)03-0039-04 中图分类号：TM45 文献标志码：A 电子式互感器技术及其发展现状

高鹏1，马江泓2，杨妮1，高红杰1

（1. 西安供电局，西安710032；2. 西北电网有限公司，西安710048）

摘要：超高压、特高压电网对新型的电子式互感器开发和应用提出了迫切的需求。介绍电子式互感器的定义和标准、分类和原理、结构和特点以及电子式互感器的研究和生产现状。鉴于我国还没有制定相应完整的电子式互感器技术标准，还介绍了国际上电子式互感器标准的发展。

关键词：电子式互感器；数字化变电站；原理；技术

Electronic Transducer Technology and Its Current Development

GAO Peng1, MA Jiang-hong2, YANG Ni1, GAO Hong-jie1

(1. Xi’an Power Supply Bureau, Xi’an 710032, China; 2. Northwest China Grid Company Co. Ltd., Xi’an 710048, China) Abstract: EHV/UHV power transmission systems urge the development and application of the modern electronic transducer. The definition, the principles of classification, the structure and characteristics, and the research and production status of the electronic transducer are introduced in this paper. In view of corresponding complete technical standards for the electronic transducer not yet available in China, the existing standard and its development of the electronic transducer are also introduced.

Key words: electronic transducer; digital substation; principle; technology

近年来，随着电力系统容量的增加，电网运行电压的等级也越来越高，一方面传统的互感器在造价、性能上已很难满足电网发展的要求；另一方面，超高压、特高压电网的发展对研发新型的电子式互感器提出了迫切的需求。同时，随着变电站自动化和网络通信技术的飞速发展, IEC 61850标准体系的颁布和推行，传统的变电站已逐渐向数字化变电站过渡。电子式互感器作为数字化变电站的基础和重要的组成部分，其发展和应用受到了广泛的关注。

电子式互感器具有结构紧凑、绝缘性能优越、抗电磁干扰、不饱和、易于数字信号传输等优点，不但可降低变电站的综合成本，更重要的是可大幅度提高系统内保护装置及计量装置的动作可靠性及精度，对保证电网安全及有效提高计量回路的整体精度有重大的现实意义。

1 电子式互感器的定义和标准

1.1 电子式互感器定义

电子式互感器指输出为小电压模拟信号或数字信号的电流、电压互感器。由于模拟输出的电子式互感器仍存在传统互感器的一些固有缺点，现在发展的高电压等级用电子式互感器一般都用光纤输出数字信号（以下的电子式互感器均指此类电子式互感器）。

电子式电流、电压互感器无铁心、绝缘结构简单可靠，体积小、质量小、线性度好、无饱和现象，输出信号可直接输入微机化计量及保护设备接口。由于信号输出采用比电缆廉价的光缆，从而降低了综合成本。电子式互感器具有诸多优点，取代传统互感器将只是一个时间问题。

1.2 电子式互感器标准

电子互感器的标准化工作是由1999年IEC 60044-7（电子式电压互感器）和2002年IEC 60044-8（电子式电流互感器）的发布开始的。在这两个标准中串行数字通信协议被标准化。2003年初，类似的串行协议被用在IEC 61850-9-1标准中，但这种串行协议不能满足61850总线系统的大部分需求。

2004年发布了IEC 61850-9-2，以太网协议作为标准确立了下来，互感器的输出通过交换机提供给其他通过同样的标准连接在网络上的保护、计量等设备。这一系列标准的颁布为电子式互感器的应用和推广奠定了基础[1−3]。

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南方电网技术 第3卷

2 电子式互感器的分类和原理

根据一次传感器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。

若一次传感器是电磁测量原理的，一次转换器就要将一次传感器的电输出信号转换为光信号，再由光纤传输系统送出去。一次转换器是电子部件，需要电源供电，此类互感器叫有源电子式互感器。

若一次传感器是光学原理的，光纤传输系统可以直接将光测量信号送出去，就不需要一次转换器，也就无需电源了，此类互感器叫无源电子式互感器。

电子式电压互感器主要采用电阻分压器、电容分压器、串联感应分压器或光学原理等方式实现一次电压信号的转换；电子式电流互感器主要采用Rogowski 线圈、光学装置或传统电流互感器等方式实现一次电流信号的转换[4−8]。

表1 电子式互感器的主要实现原理

Tab. 1 Main Realization Principle of the Electronic Transducer 类别 电流互感器 电压互感器 无源式

法拉第效应

普克尔效应

有源式 Rogowski 线圈

电阻、电容、串联感应分压原理

2.1 基于法拉第（Faraday ）效应原理的电子式电

流互感器

Faraday 磁致旋光效应是指在光学各向同性的透明介质中，外加磁场可以使在介质中沿磁场方向传播的平面偏振光的偏振面发生旋转。利用Faraday 磁光效应测量电流的电流互感器原理如下：LED （发光二极管）发出的光经起偏器后为一线偏振光，这束线偏振光在磁光材料（如重火石玻璃）中绕载流导体一周后其偏振面将发生旋转。旋转角正比于磁场强度沿偏振光通过材料路径的线积分。

据法拉第磁光效应及安培环路定律可知，线偏振光旋转的角度θ与载流导体中流过的电流i 有如下关系：

d d l

V H l V H l Vi θ===∫∫v . （1）

式中V 为磁光材料的Verdet 常数。

由式（1）可知角度θ与被测电流i 成正比，利用检偏器将角度θ的变化转换为输出光强的变化，经光电变换及相应的信号处理便可求得被测电流i 。其测量原理如图1所示。

图1 基于Faraday 效应的电子式电流互感器原理图

Fig. 1 Schematic Diagram of Electronic Current Transformer based

on Faraday Effect

2.2 使用Rogowski 线圈的电子式电流互感器

这种电流互感器采用Rogowski 线圈感应被测电流。如图2 所示，Rogowski 线圈套在一次导电杆上，实际上是均匀密绕在一环形非磁性骨架上的空心螺线管，其输出电压u (t ) 与被测电流的i (t ) 的时间导数成正比。

()d ()/d u t M i t t =⋅. （2） 式中M 是仅取决于线圈尺寸的比例系数，将u (t ) 积分便可求得被测电流。

图2 使用Rogowski 线圈的电子式电流互感器原理图

Fig. 2 Schematic Diagram of Electronic Current Transformer

with Rogowski Coil

u (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电信号。

2.3 基于普克尔原理的电子式电压互感器

所谓普克尔（Pockels ）效应就是指某些透明的光学介质在外电场的作用下，其折射率线性地随外加电场而变。Pockels 效应又称为线性电光效应。具有电光效应的物质很多，但在电力系统高电压测量中用得最多的是BGO （锗酸铋Bi4Ge3O12) 晶体，BGO 是一种透过率高、无自然双折射和自然旋光性、不存在热电效应的电光晶体。根据电光晶体中通光方向与外加电场(电压)方向的不同，基于Pockels 效应的光学电压互感器可分为横向调制光

学电压互感器和纵向调制光学电压互感器。光学电压传感器是利用Pockels电光效应测量电压的，如图3所示。LED发出的光经起偏器后为一线偏振光,在外加电压作用下，线偏振光经电光晶体（如BGO 晶体）后发生双折射，双折射两光束的相位差δ与外加电压U成正比，利用检偏器将相位差δ的变化转换为输出光强的变化，经光电变换及相应的信号处理便可求得被测电压。

图3 基于Pockels效应电压传感器原理图Fig. 3 Schematic Diagram of Electronic Voltage Transformer

Based on Pockels Effect

2.4 分压原理的电子式电压互感器

电压互感器主要是由分压器、电子处理电路和光纤等组成。分压器分为电容分压器、电阻分压器、阻容分压器和串联感应分压器等。被测高压信号由分压器从电网中取出，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电信号。以电容分压器为例，分压原理的电子式电压互感器的原理如图4。

图4 采用分压原理的电子式电压互感器原理图Fig. 4 Schematic Diagram of Electronic Voltage Transformer

with Voltage Divider

2.5 组合式电流电压互感器

将电流互感器和电压互感器组合在一起的电流电压互感器分为有源式和无源式两种。有源电子式电流电压组合互感器的电流测量采用Rogowski线圈，电压的测量利用分压原理。无源组合式光学电流电压互感器，其电流传感器的工作原理基于Faraday磁光效应，电压传感器的工作原理基于Pockels 电光效应。

3 电子式互感器的结构和特点

3.1 电子式互感器的结构

电子式互感器的结构如图5所示[9]。在高电位等势体内，完成一次电流传输、二次信号采集、数字信号调制和光信号输出，光纤从等势体出线，通过绝缘支柱走线到地电位，进入光缆引至位于集控室的合并器单元。常规电流互感器要把地电位引至二次线圈，使得高低电位之间的绝缘距离为线圈内半径。由于光纤绝缘体的采用，电子式互感器将高低电位之间的绝缘距离扩大至整支绝缘柱高度。

图5 电子式互感器结构示意图

Fig. 5 Structure of Electronic Transducer

3.2 电子式互感器的特点

电子式互感器具有如下特点：

1）绝缘性能优良，体积小，重量轻，造价低。常规互感器为满足绝缘、负荷和暂态稳定的要求，体积和重量较大，造价高。由电子式互感器的结构可知，其绝缘性能优于常规的互感器。在电子式互感器中，高压侧与地电位之间的信号传输采用绝缘材料制造的石英光纤，因此,绝缘结构简单、体积小、造价低。

2）不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。常规互感器不可避免地存在磁饱和、铁磁共振和磁滞效应等问题，而电子式电流互感器不存在这方面的问题。

3）抗电磁干扰性能好，二次侧无开路、短路的危险。常规的电流互感器二次不能开路，电压互感器二次不能短路。电子式电流互感器的高压边与低压边之间只存在光纤联系，不存在电磁干扰，无二次侧无开路、短路的可能。

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4）动态范围大，测量精度高。电网正常运行时，电流互感器流过的电流并不大，但短路电流一般很大，而且随着电网容量的增加，短路故障时短路电流越来越大。电磁感应式电流互感器因存在磁饱和问题，难以同时满足高精度计量和继电保护的需要。电子式电流互感器有很宽的动态范围，额定电流可测到几安培至几千安培，短时大电流可达几万安培，可同时满足高精度计量和继电保护的需要。

5）适应了电力计量与保护数字化的发展潮流。电子式电流（电压）互感器的输出多为数字量。输出的数字接口的物理层和链接层符合国际电工委员会的遥控设备和系统IEC 60870标准以及变电站的通信和系统IEC 61850标准。与电力系统中的继电保护、通信及计量的数字化发展方向是兼容的。

4 电子式互感器的研究和生产现状

国外对于电子式互感器的研究已有30多年的历史，投入了较大的资金和人力，不断推进电子式互感器的发展，相关行业的一些大公司已迈向产品化、市场化的道路。其中，ABB、西门子、阿海珐（原阿尔斯通）、NxtPhase等公司生产的电子式互感器己有十几年的成功运行业绩，采用电子式互感器的数字化变电站在欧洲也已经投入运行。施奈德电气、美国的Photonic Power System公司、德国的RITZ公司等公司也在电子式互感器互感器方面进行了一系列的研究。三菱、东芝等公司都已开发或正在开发一系列的电子式互感器产品，并有现场挂网。

我国电子式互感器的研制和运用相对比较落后，仅有为数不多的变电站使用了一些电子式互感器。清华大学、中国电力科学研究院、南京南瑞继保电气有限公司、南京新宁光电自动化有限公司等20余家企业和高校涉足了电子式互感器的开发，经过多年的努力，己有若干套设备在现场试运行。我国在沈阳变压器研究所全国互感器标准化技术委员会的主持下，参照IEC 60044-7和IEC 60044-8，并结合我国的实际情况，制定了相应的电子式电压互感器标准及电子式电流互感器标准，分别是关于EVT 和ECT 的GB/T 20840.7—2007 和GB/T 20840.8—2007。该标准2007年已经由中国标准化管理委员会颁布。这说明我国电子式互感器已经从研发阶段进入到了实用阶段。5 结语

电子式互感器与传统互感器相比在绝缘、抗短路能力、动态范围、饱和性能、占地面积、价格等方面都具有的很大的优势。目前，我国已有不少电子式互感器挂网运行，数字化变电站建设也进入工程试点阶段，但我国还没有制定相应完整的电子式互感器技术标准，其检定和校验的规程还需要逐步制定和完善，才能促进电子式互感器的研究和发展，进一步大幅度提高系统内保护装置及计量装置的动作可靠性及精度。

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收稿日期：2008-11-27

作者简介：

高鹏（1973–），男，陕西人。高级工程师，学士，长期从事电网运行的技术管理工作。E-mail：gaopeng_2169@126.com。

马江泓（1972–），男，陕西人。高级工程师，学士，长期从事电网技术监督管理工作。

杨妮（1979–），女，陕西人。助理工程师，学士，从事电息技术管理工作。