新型非常规互感器研究

2015-03-05广东省输变电工程公司凌正茂

电子世界 2015年17期

广东省输变电工程公司凌正茂

新型非常规互感器研究

广东省输变电工程公司凌正茂

【摘要】互感器分电流、电压两类，是电力系统中的常用设备，常用于把强电压或大电流以一定比例转化为安全范围内的小电压、小电流，从而实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的安全使用。传统的电流和电压互感器是电磁感应式的，但随着电力系统容量不断增加，电磁式互感器逐渐暴露出一系列固有的缺点，已经慢慢不适应当今环境。本文旨在对新型电子式互感器进行原理性阐述，重点介绍非常规互感器，包括有源、无源类电子互感器。

【关键词】电磁式互感器；有源非常规互感器；无源非常规互感器；罗科夫斯基线圈

引言

互感器的安全稳定运行与电网的安全息息相关，互感器实时采集电流、电压数据，对各类风险进行辨识，防范可能出现的风险。传统互感器均采用电磁感应结构，但近年来，随着骨干网络电压等级的不断提升，传统电磁式互感器逐渐暴露出一系列缺点。

（1）产品结构复杂，绝缘难度大，特别是500kV以上，因绝缘而使互感器的体积、质量、价格提高。

（2）动态范围小，当一次电流较大时，CT二次侧会出现过饱和而发生畸变，保护装置由于不能正确识别而产生误动或拒动。

（3）电磁式互感器输出的模拟量信号不能与数字化设备接口，需另外敷设电缆到相关设备。

（4）CT开路会产生高压，危及人身和设备安全。

图1　非常规互感器

随着现代光电转化技术、光通讯技术和信号交互处理技术的日益发展和成熟，电压、电流等数字化信号的采集、传输、测量已经具有日益完善的模块化结构。数字化采集系统由数字化互感器、数字合并单元和数字化测控装置组成，彼此互联采用光缆连接。其中用于采集的电压和电流互感器是数字化采集系统的关键，图1概括了目前非常规互感器的分类，及采用的主要技术原理。

1 有源非常规互感器

非常规类互感器主要采用罗科夫斯基线圈，以电容分压或者电阻分压的原理进行电压、电流采集，这类互感器大都采用有源模式，由外置电源向传感器头供电。

1.1 罗科夫斯基线圈原理

罗科夫斯基线圈是一种较成熟的测量元件。其内部结构是一种空心环形的线圈，线圈可分为柔性和硬性两种，将测量导线均匀的绕在被测量的导体上，再以非磁性材料做框架即构成了罗氏线圈，如下图2所示。罗氏线圈对于电流测量具有很好的快速性，可以应用于传统的电流测量装置无法使用的场合。

图2　罗科夫斯基线圈原理图

罗氏线圈在被测导体内有电流流过时，根据其变化量在线圈中感应出一个变化的电流量i（t）。罗氏线圈不含铁磁性材料，无磁滞效应，也没有磁饱和拐点，被测电流范围可从数安培到数百千安的电流；并且测试延时小，甚至可以捕捉及其短暂的纳米级电流，几乎为零的相位误差；罗氏线圈在大电流的捕捉上，也是一种较敏感元件，由于它与被测电流直接没有直接接触，具有较宽的响应频宽：0.1Hz-1MHz，可方便的对高压回路进行隔离测量。在测量感应电压时，根据线圈中流过的电流，线圈两端即感应出电压，若线圈匝数为n，线圈截面积为S，则线圈出的电压大小为：

μ0为自由空间的导磁率。

式（1）表明罗氏线圈的感应电流与信号电流的微分成正比，经积分变换可计算出被测电流的大小。

1.2 有源电子式电压互感器

有源电子式电压互感器互感器由高压臂电阻、低压臂电阻、屏蔽电极、过电压保护装置组成，一般采用电容分压或电阻分压技术，利用电子模块处理信号，将一次电压转换成与一次电压和相位成比例的小电压信号，使用光纤传输信号。电阻分压器分压后得到的小电压与被测高电压呈比例关系，直接输出则可。由于技术成熟、体积小、造价低、可同时满足测量和保护需求。进行电缆或开关设备试验时不必断开隔离，故广泛应用与中压开关设备。

图3　电阻/电容型电压变换器原理图

2 无源非常规互感器

无源非常规互感器大都具有光电式结构，故又叫做光电式电压／电流互感器，因为无需外置电源向光电电流互感器的传感器头供电，测量依靠光电转换进行，被测信号在测量过程中发生法拉第磁光效应和塞格奈克效应，法拉第效应是光线在通过磁场等介质时，光的偏振方向发生旋转，我们如果能够测量出法拉第旋转角，进而就可求出磁场强度。

法拉第效应原理：

当线偏振光在带有磁光材料的介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，如图4所示。偏转角度θ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即θ=VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向，称为法拉第效应。