第一章　智能電子設備

第一節　電子式互感器

一、電子式互感器的優點

目前電力系統電流/電壓的測量主要采用傳統的電磁式互感器，其缺點是：絕緣結構復雜、體積大、造價高，運輸安裝維護困難；動態范圍小，出現的諧波暫態信號容易使保護產生誤動作；線性度不好，電流較大，電磁式電流互感器會出現飽和現象，影響二次保護設備正確識別故障，輸出不能直接與微機化計量及保護測控設備接口，須經二次轉換和模數轉換；電壓互感器二次不能短路，電流互感器二次不能開路；電壓互感器易產生鐵磁諧振等。

與傳統的電磁式互感器相比較，電子式互感器有以下幾個方面的優點：

（1）電子式互感器的高壓側與低壓側之間只通過光纖連接，實現了高低壓的徹底隔離，互感器低壓側不存在開路高壓危險。

（2）絕緣性能優良、造價低、動態范圍大、無鐵芯，不存在鐵芯飽和以及鐵磁諧振等問題。

（3）頻率響應范圍寬，暫態響應速度快。電子式互感器測量的頻率范圍主要由電子線路部分決定，沒有鐵芯飽和的問題，因此能準確反映一次側的暫態過程。

（4）體積小、重量輕、結構簡單、無滲漏、無污染、安全性能高，不存在因充油而產生的易燃、易爆等危險。

（5）輸出形式是高精度的信號，不再是能量形式的輸出，不存在負載、容量限制。

（6）輸出信號可直接與微機化計量及保護設備接口，簡化二次設備。

（7）通信能力強，適應未來數字化、智能化和網絡化的生產需要。電子式互感器低壓側可同時輸出模擬量和數字量，能實現在線監測和故障診斷，這些都適應了電力系統大容量、高電壓，現代電網小型化、微機化和自動化的潮流。

由于傳感準確化、傳輸光纖化和輸出數字化需要此種互感器包含電子部件，因此叫電子式互感器。

二、電子式互感器分類及工作原理

根據一次傳感器是否需要輔助電源，電子式互感器可分為無源式和有源式兩大類，有源式電子式電流互感器（ECT）主要利用電磁感應原理，有源式電子式電壓互感器（EVT）則主要采用電阻、電容分壓和阻容分壓等原理；無源式電子式電流互感器（ECT）主要是利用法拉第（Faraday）磁光感應原理；無源式電子式電壓互感器（EVT）主要應用泡克耳斯（Pockels）效應和逆壓電效應兩種原理，如圖1-1所示。

（一）無源電子式互感器

基于法拉第（Faraday）磁光效應原理構成的磁光式電流互感器和基于泡克耳斯（Pockels）電光效應原理構成的電光式電壓傳感器，一次側測得光學電流，其光信號可直接從高壓側經光纖傳送至低壓側二次設備，不需要在高壓側另加輔助電源，故稱為無源式互感器。

1.無源式電流互感器

無源式電流互感器也稱為光學電流互感器，它是利用法拉第（Faraday）磁光效應測量電流的。磁場不能對自然光產生直接作用，但在光學各向同性的透明介質中，外加磁場H可以使在介質中沿磁場方向傳播的平面偏振光的偏振面發生旋轉，這種現象稱法拉第（Faraday）磁光效應。其實質如圖1-2所示，現行偏振光在透明物質（Faraday旋光材料）中傳播時，光的偏振面在外磁場作用下發生旋轉，旋轉的角度θ正比于磁場強度H沿偏振光通過材料路徑的線積分，即：

其中：V為磁光材料的Verdet常數，角度θ與被測電流i成正比。

基于Faraday磁光效應的電流互感器主要由光發射部分、光路部分和光接收部分組成，如圖1-3所示。

其特點如下：

（1）傳感元件和傳輸元件都是光纖。

（2）輸入和輸出光路通過同一根光纖，抗干擾能力大大提高，安全可靠性高。

（3）傳感光纖環比和結構杜絕了光纖環外的干擾影響。

實際應用中還有一種全光纖式電流互感器，是將傳感光纖纏繞在被測通電導體周圍，利用光纖的偏振特性，通過測量光纖中的法拉第旋轉角間接地測量電流。全光纖式電流互感器的傳感頭，如圖1-4所示。

2.無源式電壓互感器

無源式電壓互感器也稱為光學電壓互感器，它是利用Pockles電光效應測量電壓的，Pockles電光效應原理是電光晶體在電場作用下會發生折射率改變，這將使得沿特定方向的入射偏振光產生相應的相位延遲，且延遲量與外加電場成正比，如圖1-5所示。

LED發光二極管發出的光經起偏器后為一線性偏振光，在外加電壓作用下，線偏振光經電光晶體（如BGO晶體）后發生雙折射。雙折射兩光束的相位差δ與外加電壓V有如下關系：

式中　λ——入射光波長；

n0——電光晶體的折射率；

γ41——電光晶體的電光系數；

l——電光晶體的光路長度；

d——施加電壓方向的電光晶體的厚度。

相位差δ與外加電壓V成正比，利用檢偏器將相位差δ的變化轉換為輸出光強的變化，經光點變換及相應的信號處理便可求得被測電壓。

基于Pockles電光效應的電壓互感器原理，如圖1-6所示。

光源發出的單色光通過偏振器后變成線偏振光，由于雙折射效應，入射電光晶體的光束會變為互相垂直偏振的兩束光；由于電光效應的作用，它們在晶體中傳播速度不同，出射時有一定的相位差，與晶體外加電場成正比；可用檢偏器把它們變成偏振相同的相干光，從而產生干涉，將相位調制光變成強度調制光，通過光強度測量可獲得電壓數據。

但由于溫度對晶體和光線的影響比較大，對晶體加工的工藝要求很高，因此長期運行中的穩定性問題是無源電子式互感器實用化和產品化的一個技術難點。

（二）有源電子式互感器

采用羅氏線圈或低功率鐵芯線圈、阻容分壓器等原理構成的電子式互感器，仍基于常規互感器測量技術，通過傳感器采樣的被測電流或電壓量為弱電電信號，在高壓側需設置轉換設備將電信號轉為光信號，再經光纖傳送至低壓側二次設備，因此需要在高壓側配備輔助電源，故稱為有源式電子互感器。

1.有源式電流互感器

有源式電流互感器基于法拉第（Faraday）電磁感應原理，利用有源器件調制技術以及光纖進行信號傳輸，將高壓側轉換得到的光信號送到低壓側解調處理并得到被測電流信號。它既發揮了光纖系統的絕緣性能好、抗干擾能力強的優點，又明顯降低了高電壓等級電流互感器的體積、重量和制造成本，同時還利用了傳統互感器原理技術成熟的優勢，避開了純光學互感器光路復雜、穩定性差等技術難點，生產制造工藝相對簡單，總體技術比較成熟。

有源式電流互感器一次側傳感單元采用基于低功率鐵芯線圈或羅氏（Rogowski）線圈。

低功率線圈電子式電流互感器（簡稱LPCT），是傳統電磁式電流互感器的一種改良型產品。工作原理與傳統電流互感器的原理相同，只是LPCT的輸出功率要求很小，因此其鐵芯截面就很小，它還集成了一個取樣電阻，將電流輸出轉換成電壓輸出。其原理示意圖及等效電路，如圖1-7、圖1-8所示。

低功率電流互感器（LPCT）的優點是使傳統電磁式互感器在非常高（偏移）的一次電流下出現飽和的基本特性得到改善，并因此顯著擴大測量范圍。總消耗功率的降低，使LPCT有可能準確地測量短路電流，甚至是全偏移短路電流。除了量程比較寬，LPCT的尺寸還可以設計的比傳統電磁式電流互感器小。此外，還具有輸出靈敏度高、技術成熟、性能穩定、易于大批量生產等特點。但由于有鐵芯的存在，無法從根本上解決飽和的問題，所以常用于測量或計量用電流互感器。

羅氏（Rogowski）線圈是由俄國科學家羅格夫斯基在1921年發明的，二次繞組均勻纏繞在一環形非磁性材料骨架上，相當于空心線圈，從而避免了磁路飽和現象。其測量原理是當均勻繞制在非磁性截面積相同骨架上的線圈中間流過電流時，線圈上感生出來的電壓正比于所穿過電流的變化率，由于它不與被測電路直接接觸，可以方便地對高壓電路進行隔離測量，因此可以將其作為傳感元件，用于電子式電流互感器，如圖1-9所示。

羅氏（Rogowski）線圈通常由三部分組成，高壓側部分、傳導光纖部分和低壓側部分。結構示意圖如圖1-10所示。

若線圈的匝數密度n及截面積S均勻，羅氏（Rogowski）線圈的輸出信號e與被測電流i有如下關系：

線圈的輸出e（t）與一次電流的微分成正比，為弱電信號，應用于中低壓系統時，可直接作為測量信號引接至測量及控制保護等二次回路，應用于高壓、超高壓系統時，該低電壓信號需要增加一個積分器，使傳感器輸出與測量電流匹配的電壓信號。經過A/D轉換后，驅動發光二極管LED將數字電信號轉換為數字光信號（E/0），通過光纖傳輸到互感器低壓側信號處理電路。

由于Rogowski線圈、A/D和LED等變換單元均集中布置在高壓側，并且完全是由電子電路構成，因此必須為之提供相應的電源。目前電源供能方式有兩種：一種是采用小的感應線圈從高壓線路上獲取電能供電子電路使用；另一種是采用激光供電方式，電源能量由低壓側提供，在低壓側的大功率激光器推動激光二極管發光，激光能量通過傳送信號的光纜傳送到高壓側，再經過光電轉換將光能變為電能提供給電子電路。

2.有源式電壓互感器

有源式電壓互感器一般采用電容分壓、阻容分壓或電阻分壓技術。

電容分壓是通過將柱狀電容環套在導電線路外面來實現的，柱狀電容環及其等效接地電容構成了電容分壓的基本回路。考慮到系統短路后，若電容環的等效接地電容上集聚的電荷在重合閘時還未完全釋放，便會在系統工作電壓上加一個誤差分量，嚴重時還會影響到測量結果的正確性及繼電保護裝置的正確動作，長期工作時等效接地電容也會因溫度等因素的影響而變得不夠穩定，所以對電容分壓的基本測量原理進行了改進。在等效接地電容上并聯一個小電阻R以消除上述影響，從而構成了阻容分壓式電壓互感器。

電阻上的電壓U0即電壓傳感頭輸出的信號有如下公式：

原理圖如圖1-11所示。

阻容分壓式電壓互感器是利用GIS的特點，將一次導體、中間環形電極及接地殼體構成同軸電容分壓器，在低壓電容C2上并聯精密電阻R可以消除導線等分布電容的影響，結構圖如圖1-12所示。

其特點是高壓低壓間以SF6氣體絕緣，絕緣結構簡單可靠；采用基于氣體介質的電容分壓測量技術，精度高、穩定性好；可將電流互感器與電壓互感器組合為一體，可實現對一次電流及電壓的同時檢測。

三、電子式互感器配置原則及技術要求

（1）電子式互感器（含MU）應能真實地反映一次電流或電壓，額定延時時間不大于2ms，喚醒時間為零。電子式電流互感器的復合誤差不大于5％，電子式電壓互感器的復合誤差不大于3％。

（2）一套ECT內應具備兩個保護用電流傳感元件，每個傳感元件由兩路獨立的采樣系統進行采集（雙A/D系統），進入一個MU，每個MU輸出的兩路數字采樣值由同一路通道進入一套保護裝置。

（3）一套EVT內應由兩路獨立的采樣系統進行采集，每路采樣系統應采用雙A/D系統，進入相應MU，每個MU輸出的兩路數字采樣值由同一路通道進入一套保護裝置。

（4）一套ECVT內應同時滿足上述（2）、（3）的要求。采樣信號進入相應的MU，每個MU輸出的兩路數字采樣值由同一路通道進入一套保護裝置。

（5）用于雙重化保護的電子互感器，其兩個采樣系統應由不同的電源供電并與相應保護裝置使用同一直流電源。

（6）對于3/2接線方式，其線路EVT應置于線路側。

（7）電子式互感器采樣數據的品質標志應實時反映自檢狀態，不應附加任何延時或展寬。

根據保護雙重化要求，有源電子式互感器采集模塊結構圖，如圖1-13所示。