电子式电流互感器的原理和应用

天津市电力公司发展策划部(天津市300010)魏联滨

天津市电力公司基建部(天津市300010)邹新梧

=摘要> 介绍了电流互感器的原理,对其主要技术优势进行了说明;介绍了天津地区电网建设工程应用情况;指出电子式互感器将成为未来电力系统信号测量和互感器技术发展的必然趋势。

=关键词> 电子式;电流互感器;原理;应用

0引言

智能变电站是采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备,以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求,自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能,并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。智能变电站作为统一坚强智能电网的重要基础和节点支撑,是必不可少的建设内容。

电子式电流互感器是智能化变电站的重要组成部分,它的测量精度和运行稳定性直接影响到变电站乃至电网的安全稳定运行。目前,在中国电力系统中,已经有不同原理的电子式互感器在不同的电压等级的变电站得到较为广泛的应用。天津地区也已经开始在变电站建设中逐步试用和推广电子式电流互感器。

1电子式互感器的基本概念及特点

2002年,I EC根据电子式互感器的研究和发展情况,制定了I E C60044-7电子式电压互感器标准和I E C60044-8电子式电流互感器标准,对电子式互感器的特点、性能指标和检定原则进行了规范。

目前,电子式电流互感器主要采用Rogo w sk i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。电子电流式互感器可直接输出数字量信号,实现采集信号对外的光纤传输。根据传感头部分是否需要提供电源,电子式电流互感器可分为有源式和无源式两类,如图1所示。

与传统电磁式互感器相比。电子式互感器主要有以下特点:

1)电子式互感器可从实现原理上根本地避免磁路饱和、铁磁谐振等问题,提高采集精度

;

图1电子式电流互感器分类

2)频率响应宽,动态范围大,可有效进行高频大电流的测量,基于光学原理的电子式电流互感器还可进行直流的测量;

3)无油,因此没有易燃易爆等缺陷,二次信号通过光纤传输,也没有电磁式互感器二次侧开路等危险;

4)二次侧信号通过光纤传输,没有电缆传输方式的电磁干扰问题;.

5)绝缘结构简单,一次高压与二次设备通过光纤连接,无电磁式互感器的绝缘问题;

6)体积小、重量轻、造价低,随着电压等级的升高这些优势更加明显;

7)二次侧可直接输出数字信号与其他智能电子设备接口。

2有源电子式电流互感器原理及其应用

有源电子式电流互感器主要有低功耗铁芯线圈和Rogo w ski线圈原理两种。

211低功耗铁芯线圈

低功耗铁芯线圈与传统电磁式互感器实现原理基本一致。低功率线圈:LPCT是传统电磁式CT的一种发展,LPCT按照高阻抗进行设计。使传统CT 在很高的一次电流下出现饱和的基本特性得到了改善,扩大了测量范围。LPCT一般在5%-120%额定电流下线性度较好,适用于测量。

212Rogo w ski线圈

21211基本原理

Rogo w ski线圈为拆绕在非铁磁材料上的空心线圈。如图2所示。

由于Rogo w sk i线圈的输出电压与电流变化率图2R ogo w sk i线圈基本原理

成正比关系,因此通过获取输出电压的积分即可获取被测一次电流大小。但是,由于Rogo w ski线圈两端电压仅反应电流的变化率,因此不能用于稳恒直流的测量,而且,变化比较缓慢的非周期分量的测量也有一定局限性,即基于Rogo w ski线圈原理的电流互感器存在测量信号频带的。

Rogo w sk i线圈以非磁性材料做骨架,没有铁心、动态范围较好、高压侧与低压侧之间光纤连接,具有良好的绝缘性能。罗氏线圈在额定电流至二三十倍额定电流范围线性度较好,但在5%-20%额定电流范围误差大。一般用于继电保护通道较适合。21212Rogo w sk i线圈型电流互感器的优缺点分析缺点:

(1)存在测量频带问题。与传统电磁式电流互感器相比,罗氏线圈(RCT)解决了磁路饱和问题。但其是基于法拉第电磁感应原理感知变化电流,因此仍然存在测量频带问题不能测量非周期分量,不能测量稳恒直流。

(2)需要电子电路的供能。由于高压侧需要完成信号的模数转换及电光转换等,高压侧电子电路的需供能。常见供能方式为母线取能和激光供能。

优点:

(1)经济性高。罗氏线圈型电流互感器由于绝缘结构简单,易于其他一次设备集成,经济性明显。

尤其是在220k V及以上电压等级。

(2)运行经验丰富。罗氏线圈型电流互感器投运时间较长,工程应用较多,技术较成熟。

21313应用情况

Rogo w ski线圈型电流互感器在国内许多工程都得到了成功应用,其中天津市电力公司承建的陈甫220kV变电站示范工程,是对I EC61850通信规范技术和智能化一次设备技术综合应用的大胆尝试,是被列入国家电网公司研究框架的重大科技创新项目,集科技攻关与基建示范工程建设于一体。陈甫220kV变电站项目于2007年9月5日启动,2009年5月26日成功投运,目前运行状况良好。该站在220kV、110kV所有间隔及主变各侧,通过使用Ro-go w sk i线圈式电子互感器与合并单元取代传统电磁互感器,保护测控装置的采样过程实现全数字化。如图3所示

图3R ogow ski线圈型电流互感器在陈甫变电站的应用

这种形式电子式电流互感器还在青岛午山和郑州叠彩等变电站获得较为成功的应用。如图4所示

图4R ogowski线圈型电流互感器在午山和叠彩变电站的应用

3无源电子式互感器原理及其应用

无源电子式电流互感器采用光学原理实现一次电流的测量,也常被称为光学电流互感器,目前主要有两种,一种为磁光玻璃型电流互感器,另一种为光纤型电流互感器。

311 磁光玻璃型电流互感器31111 原理

当一束平面偏振光通过磁场作用下的介质中传播时,其偏转平面受到正比于平行传播方向的磁分量的作用而旋转,这种平面偏振光在磁场作用下的旋转现象,称为法拉第效应。利用检偏器将偏振角的变化转换为输出光强的变化,经光电变换及信号处理即可得到一次电流的大小。基于法拉第效应的电子式互感器测量系统不仅可以测量变化电流,而且还可对稳恒直流和非周期分量进行有效测量,不存在测量频带问题。其原理如图5所示

:

图5 磁光玻璃型电流互感器的原理

31112 磁光玻璃型电流互感器的优缺点分析

磁光玻璃型电流互感器的优点很多,但也存在着测量精度易受环境影响;光学玻璃与光纤的连接较为困难和工程应用较少等缺点。31113 应用情况

目前在河北110kV 承德变电站、江门沙坪110kV 变电站、晋中110k V 变电站、陈庄220kV 变电站、富春江220kV 水电站等有一定的应用。如图6所示

312 光纤型电流互感器31211 原理

全光纤型电子式电流互感器,是指传光部分、传感部分都采用光纤,其中光纤一般选用单模光纤。其传感头结构简单、灵敏度可随光纤长度变化等。

如图7所示:

图6 磁光玻璃型电流互感器的应用情况

31212 光纤型电流互感器的优缺点分析

类似磁光玻璃型电流互感器,光纤型电流互感器也存在着测量精度易受环境影响和工程应用较少等缺点。

31213 应用情况

目前上海110k V 封周变电站和景山220kV 变电站等有一定的应用。中新天津生态城智能电网示范工程中的和畅路变电站也计划在110kVG I S 主变侧采用光纤型电流互感器,该项目目前仍在建设阶段,计划2010年12月投运。

4 结论与展望

当前,二次设备微机化的普及使得变电站二次回路负载大为减小,基于罗氏线圈原理的电流互感器得以不断发展,产品在变电站中得到较为广泛的应用。虽然光学电流互感器的光学传感头复杂,但其在信号测量频带上的优势,也具有广阔的发展前景,而且已取得了一定研究成果并正向工程实用化不断推进。

电子式互感器以其在绝缘要求、测量精度、安全性、数字化和自动化配套能力等方面的优势,必将成为未来数字化变电站互感器技术发展的必然趋势。

参考文献[1] 夏勇军,苏昊,胡刚,等.数字化变电站研究与应用展望[J].湖北电力.2007(3).

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作者简介:

魏联滨(1976-)男天津人,汉族,工程师,主要从事电力系统规划和项目前期工作

中新天津生态城智能电网综合示范工程智能营业厅项目开工建设

1月13日,中新天津生态城智能电网综合示范工程12个子项之一的智能营业厅项目正式开工建设,预计将于11月正式建成。

据悉,中新生态城智能营业厅总用地面积为3003平方米,建筑面积5256平方米,其地上为四层、地下为一层。整体设计执行国家二级绿色建筑标准,从而实现资源占有和能源消耗的最小化。建筑设计吸取了国内外优秀的设计理念,以古典风格为主,充分利用环保技术与节能材料,以获得充足的自然采光和自然通风。营业厅内部设施将大量使用现代信息技术:红外人流量监控及视频监控、电子茶几、收费窗口电子屏幕、智能互动柜台、营业厅环境监控系统和智能排队系统等一系列新技术将为电力客户带来完全不同的感受

许惠智庞庆涛提供