电子式互感器在大侣变工程中的应用

2010-08-06张周麟蓝江生毛守平

常熟理工学院学报 2010年10期

方征，张周麟，蓝江生，毛守平，张凯

（1.丽水电业局，浙江丽水 323000；2.常熟理工学院机械工程学院，江苏常熟 215500）

随着电力系统向大容量，超高压和特高压方向发展，对电力设备小型化，智能化，高可靠性的要求也越来越高，传统电磁式互感器难以满足电力系统的应用发展要求，而随着气体绝缘开关设备的普遍应用和特高压变电站的建设，对新型电子式互感器在工程上的应用实践研究也显得尤为重要.

1 电子式互感器的工程应用价值

1.1 传统电磁式互感器存在的问题

传统电流、电压互感器是电磁式互感器，它们具有维护成本低，可靠性高的特点.但是却存在以下几个方面的问题：①电容式电压互感器的暂态特性可能造成快速保护的误动作；②油浸式电流互感器若爆炸将使变电站一次设备受到较大损坏；③电流互感器二次侧输出对负载有严格的要求，当开关场到控制室的距离过远时，难以保证传变精度；④电流互感器二次不能开路，否则会产生数千伏的高压，危及人身安全与设备安全；电压互感器二次不能短路，否则也将危及设备的安全；⑤超高压系统对该类互感器的体积、绝缘性能和价格等都是极大的挑战；⑥体积、质量大，安装运输成本高；⑦在大电流情况下，电流互感器会出现铁芯饱和现象，这是继电保护不正确动作的主要原因之一.

1.2 电子式互感器的优点

国际电工委员会（IEC）制定了电子式互感器的两个标准：EVT标准IEC60044-7［1］和ECT标准IEC60044-8［2］.根据上述标准，电子式互感器是具有模拟量电压输出或数字量输出，供频率15～100Hz的电气测量仪器和继电保护装置使用的电流/电压互感器.电子式互感器的出现解决了传统互感器的问题，与传统的电磁式互感器相比，它具有以下优点：

（1）高低压完全隔离、绝缘简单、安全性高、没有因漏油而潜在的易燃易爆等危险.

在电子式互感器中，高压侧与低电位侧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，造价低.

（2）不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题.

电磁感应式互感器由于使用了铁心，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.因此，其暂态性能比传统互感器好，大大提高了各类故障保护装置的准确性，从而提高保护装置的正确动作率，保证电网的安全运行.

（3）频率响应宽、动态范围大、精度高，可同时满足测量和继电保护的需要.

电子式互感器的频率相应可达到1MHz，它已被证明可以测出高压电力线上的谐波，还可进行暂态电压/电流，高频电压/电流与直流电压/电流的测量.而电磁式互感器传感头由铁芯构成，频响很低.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，可达稳态的20-30倍以上.电磁感应式电流互感器因存在磁饱和问题，难以同时满足大范围测量与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，额定电流几安培至几千安培，短路时大电流可达几万安培，可同时满足需求.

（4）体积小、重量轻、无污染、无噪声，具有优越的环保性能.

电子式互感器的质量比电磁式互感器的质量小得多.如220KV的电子式电流互感器质量约为100kg，而同样电压等级的电磁式电流互感器的质量约为1000kg.这给运输与安装带来很大方便.

（5）抗电磁干扰性能好，低压侧无开路高压的危险.

电磁式电流互感器二次回路不能开路，低压侧存在开路高电压危险；电磁式电压互感器同样存在二次回路不能短路的问题.由于采用光纤或其它加强绝缘方式实现了高电压回路与二次低压回路在电气上的完全隔离，消除了这些回路的相互影响，低压侧没有因开路或短路而产生的危险，保证了二次设备和工作人员的安全.同时因没有磁耦合，消除了电磁干扰对互感器性能的影响.

（6）数字信号分享更为容易，带负载能力强.

（7）成本与电压等级的关系不大.因此电压等级越高，经济性越明显.

随着电力系统电压等级的增高，传统互感器的成本成倍上升.而电子式互感器在电压等级升高时，成本只是稍有增加，其低成本正是吸引人们的关键所在.

（8）可方便地实现电压电流组合.

（9）适应电力系统数字化、智能化和网络化的需要.

总之，与传统互感器相比，电子式互感器在绝缘结构、动态范围、饱和特性、体积、价格等方面有着显著的优势，顺应了电力工程的发展要求，满足了电网智能化发展趋势的要求，也更适应信息时代用户的要求，具有逐步替代传统互感器的趋势.

2 电子式互感器的分类

电子式互感器根据构成原理的不同,可分为有源式和无源式.有源电子式互感器是指高压平台的传感头部分需要供电电源的电子式互感器，无源电子式互感器是指高压平台的传感头部分不需要供电电源的电子式互感器.

有源电子式互感器利用电磁感应原理感应被测信号.对于电流互感器采用Rogowski线圈，对于电压互感器则采用电阻、电容或电感分压等方式.有源电子式互感器又可分为封闭式气体绝缘组合电器(GIS)式和独立式.GIS式电子式互感器一般为电流、电压组合式，其采集模块安装在GIS的接地外壳上,由于绝缘由GIS解决,远端采集模块在地电位上,可直接采用变电站220V/110V直流电源供电.对于独立式电子式互感器，为了降低成本、减少占地面积，一般也采用组合式，即将电流互感器、电压互感器安装在同一个复合绝缘子上，远端模块同时采集电流、电压信号，可合用电源供电回路.

无源电子式互感器又称为光学互感器.其原理是利用法拉第(Faraday)磁光效应感应被测信号.传感头部分分为块状玻璃和全光纤2种方式［3］.无源电子式电压互感器利用Pockels电光效应或基于逆压电效应或电致仲缩效应感应被测信号.现在研究的光学电压互感器大多是基于Pockels效应［4］.无源电子式互感器的传感头部分是较复杂的光学系统，容易受到多种环境因素的影响（例如温度、震动等），影响其实用化的进程［5］.但它不需要传感模块，可靠性较高，具有很好的应用前景.近年来，无源电子式互感器的研究取得了较大的进展，特别是基于Faraday磁光效应的全光纤电流互感器的性能指标已基本可以满足实用化要求，目前处于初期应用阶段.

3 电子式互感器在大侣变工程中的应用

3.1 电子式互感器配置

大侣变作为浙江省全数字智能化变电所的试点工程，站内设备的设计选型立足于节能、环保、技术领先的原则.而电子式电流、电压合一的独立型组合互感器与纯光电子式互感器符合上述原则.大侣变工程本期两台主变，电压等级110kV/10kV，110kV为内桥接线，两个线路间隔及桥间隔配置有源电子式电流电压组合互感器，110kV主变套管及主变中性点配置光学电子式电流互感器.电子式互感器配置和保护配置连接如图1所示.两个110kV线路间隔及桥间隔配置有源电子式电流电压组合互感器，每支互感器配置两个空心线圈、两个LPCT、两个取能线圈、一个电容分压器及两个远端模块，每个间隔配置两套合并单元.两个110kV主变套管配置光学电子式电流互感器，主变中性点配置光学电子式电流互感器，每支互感器配置两个光纤电流传感头，每台主变配置两套合并单元.大侣变内电子式互感器的采用，减少了占地面积；电流、电压的采集实现了数字化，减少了高压强电对弱电系统的电磁干扰，提高了二次系统的稳定性、可靠性；断路器、互感器等一次设备的控制回路全部实现数字化，简化了二次回路的设计和接线，并以光缆作为信息传递的主要媒介，大大减少了控制电缆的数量.

图1 电子式互感器配置和保护配置连接示意图

3.2 关键技术点

（1）110kV母线PT的处理方案

由于110kV母线PT没有使用电子式互感器，因此也没有配置母线合并单元.保护装置无法获得母线电压.为此采用的技术方案是：由线路合并单元取另一条线路的电压、三个开关的位置和并列把手，经过逻辑判断输出母线电压，提供给控制保护装置使用.

（2）变压器保护

第一套变压器保护装置使用稳定性好、可靠性高的有源式电子互感器和变低开关的模拟量进行差动保护计算，第二套变压器保护装置使用结构简单、抗干扰能力强、真正免维护的全光纤电子互感器和变低开关的模拟量进行差动保护计算.

（3）电子互感器检修和测试状态模拟量处理

正常情况下，合并单元输出IEC61850-9-2采样值报文中采样值数据品质的Test属性为0，表示该输出模拟量为正常状态模拟量，保护装置进行正常保护逻辑处理.电子互感器检修时，合并单元输出IEC61850-9-2采样值报文中采样值数据品质的Test属性为1，表示测试状态的模拟量.对于测试状态模拟量，保护装置能显示模拟量的值，但不采用保护逻辑.