电子式互感器在数字化变电站中的应用

姜立宪 刘庆刚

摘要：变电站的数字化是一种发展趋势，数字化变电站指信息采集、传输、处理、输出过程完全数字化的变电站，数字信号可以用光纤传输，从根本上解决抗干扰问题。电子式互感器的优越性在于能够直接提供数字信号给计量保护装置，可简化二次设备，提高整个系统的准确度和可靠性。随着电力系统的不断发展，新一代电子式互感器逐渐取代了传统CT，使得电力系统的运行状态更稳定、更高效。本文重点介绍了电子式互感器的原理、特点及其在数字化变电站中的应用。

关键词：数字化变电站  电子互感器  罗氏线圈

0 引言

随着社会经济的持续发展，人们对电能的需求越来越多，输电系统不断扩容，同时不断提升运行电压等级，以往电磁式电流、电压互感器或电容式电压互感器，暴露出如绝缘要求高、磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、频带窄以及有油易燃、易爆炸等一系列缺点。电子式互感器是采用磁光、电光变换原理或由无铁芯线圈构成的新型互感器，能够向计量保护装置直接传输数字信号，在保证电力系统稳定、高效运行的同时精简了二次设备[1]。目前，数字化和信息化已延伸到了电力系统中，电力系统升级改造势在

必行。而当前，各种自动化变电站和各个市区、乡镇的电

网系统改造已开始使用电子式互感器这种先进的数字系统。[2][3]。

1 电子式互感器的基本原理

1.1 电子式电流互感器原理

当前，中压领域（40.5kV及以下）的电子式电流互感器原理主要有两种：罗氏线圈[4]互感器和低功率线圈互感器。

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图1  罗氏线圈电流互感器原理

图1为罗氏线圈电子式电流互感器原理，它由罗氏线圈、积分器、A/D转换等单元构成，把一次侧大电流转换为二次的低电压模拟量输出或数字量输出。由没有磁饱和的罗氏线圈得到与一次电流I1的时间微分成比例的二次电压E2，将该二次电压E2进行积分处理，得到与一次电流成比例的电压信号。

将模拟积分和数字积分技术应用在二次回路中，辅以去除直流偏置回路及不完全积分器技术，经过数据计算，攻克了因直流偏置造成积分值急剧增大的技术难题，同时保证了作为叠加值DC分量的电流信号客观可靠， 在电流互感器的控制下，不完全积分器始终在合理的数值范围内浮动。二次回路也应用了抑制雷电过电压及操作过电压的技术措施，使互感器更加耐冲击。采用电磁兼容设计技术供给电源，并输送主讯号，有效改进新型互感器抗干扰性能，从而使之高效、稳定的完成运行工作。

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图2  低功率线圈电流互感器原理图

由低功率线圈组成的电子式电流互感器原理详见图2。图中，Ra表示分流电阻，I1表示一次电流，I2表示二次电流，U2表示二次电流I2在分流电阻Ra两端的电压降。

从该装置的构造和应用特点可预见经典感应电流互感器的未来发展趋势。它的主体构造包括一次绕组、小铁芯、损耗最小化的二次绕。二次绕组与Ra相连。在电流互感器主体构造中，Ra采用一体化设计，能使互感器的功率效率近似零值。U2与I1成比例，按照运行要求，U2的取值范围要求在0～5V之间。与以往所用的互感器装置相比，新型互感器的电流测量范围更大，并且具有测量功能和保护功能，功能较以往而言有所改进。

1.2 电子式电压互感器原理

目前中压领域（40.5kV及以下）的电子式电压互感器主要采用了电阻分压原理的电压互感器，如图3所示。

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图3  电子式电压互感器分压原理

新型电子互感器的高、低压电阻均经过优化设计，并且应用了高性能分压器，兼具测量与保护功能，测量精度0.2级，保护级3P级。电子式电压互感器的二次电压与一次电压成正比关系，二次电压取值范围为0-5V，基于与二次智能化设备接口，实现数字化、智能化的测量保护功能。并且该装置内部无铁芯，因而不会引起铁磁谐振。

2 电子式互感器的特点

①与传统互感器相比较，电子式互感器的测量范围更广， 并且不存在电磁饱和的问题。

②无油，不存在爆炸的风险。

③体积小，重量轻，所需空间小，安装流程简单。尤其是光电互感器，它的重量通常只有电磁式电流/电压互感器重量的1/10。

④不存在电磁辐射的问题。运行时，能源利用率高，消耗小，迎合了当前绿色发展的主题。

⑤具有良好的绝缘性能，补漏电;高低压完全隔离，具有优良的绝缘性能和优越的性价比，安全性高。

⑥信号传输系统具有高强抗辐射干扰、抗电磁干扰性能，受地电位影响小，频带宽，并且在提高传输速率的前提下进行了扩容，通讯质量良好，有利于实现电力系统自动化改造标准。

⑦便于组网，其内部结构的设计迎合了数字电网的发展要求。

⑧不存在二次保护电抗信号输入干扰的问题，能保证电网稳定运行，对实现电网自动化改造目标有积极的意义。

⑨二次设备的安全性、可靠性基本达标，因而可省去仪表保安系统的设计。

⑩二次设备不用承受动热稳定电流，设备运行成本大幅缩减。

■不必大量施作二次电缆，省材又省工。

■电子式电压互感器、电子式电流互感器不存在开路和短路问题，从而提高了系统的稳定性和安全性。

3 电子式互感器的应用

电子式电流电压互感器是一种可计量电压电流参量，兼具测量、保护功能的新型电力设备。电子式电流互感器可达到测量级0.2或0.2S级，保护级5P级;电子式电压互感器可达到测量级0.2级，保护级3P级。电子式互感器输出数字信号，信号输送与二次设备处理都不会产生附加误差，进一步提高了测量精度，保护功能也有所改进。数字智能电网改造与建设已是大势所趋，并且电子式互感器的应用也将成为智能电网一个未来发展趋势。

在电网自动化升级改造中，智能开关设备与光电式互感器机电一体化设备的研发与应用，使智能电网迎来了数字时代。在高压和超高压变电站中，电力数据的测控与保护、故障录波，以及A/D变换、光隔离器件、控制操作回路等其他自动装置的I/O单元，都将成为智能一次设备的主题架构。智能一次设备中的控制回路和传感器均采用数字化设计。而在中低压变电站则将保护、监控装置小型化、紧凑化，完整地安装在开关柜上，实现了变电站机电一体化设计。

从物理角度来分析，数字化变电站自动化系统主要由智能化的一次设备与网络化的二次设备组成。以一个间隔为例，其结构拓扑图如图4。

在电子式互感器下边采用光电采集部分。采用的是TI公司生产的高性能数字处理芯片[5]DSP2407，该芯片可提供40MHz的处理速度，同时采用128点采样，这样提高了系统的精确度。经过数字处理芯片的逻辑控制后，通过光纤将电流和电压的数字信号传输到主控室的保护屏上。采用双看门狗的结构方式，提高系统的稳定性。同时通过对电源回路进行检测，提高系统的可靠性。采用光纤的传输方式后，提高了系统运行过程中的抗干扰能力。简化了系统的接线方式，同时节省了投运成本。工作电源部分采用可靠性极高的宽温高容量稳压电源，提高了电源部分的稳定性，也就提高了系统在运行过程中的稳定性。

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图4  数字化变电站拓扑图

4 结论

综上所述，新型电子式互感器在电网系统智能化、数字化的升级改造中的应用，可以说是提高电网服务与运行质量的一次大胆尝试，对改进电网运行质量，提高电力数据输送的稳定性和安全性有积极的意义，并且这也是国内互感器行业的一次颇具轰动效果得技术革命。

电子式互感器体积小、重量轻，能很方便地将其置于各种小型化电器成套设备中，这对减少变电站占地面积、减少设备制造、运输、包装成本、减少对资源的占用，降低变电站建设和运营维护成本，实现资源的合理配置都具有重要的现实意义和深远的历史意义。

电子式电流电压互感器的发展正处于产业化发展的初期，它的广泛使用还将带动相关行业的发展，其产业化前景极为广阔。

参考文献：

[1]阎石.数字电子技术基础（第四版）[M].北京：高等教育出版社，1998.

[2]国家标准互感器第7部分：电子式电压互感器[M].北京：中国标准出版社，2007.

[3]国家标准互感器第8部分：电子式电流互感器[M].北京：中国标准出版社，2007.

[4]国家质量监督检验检疫总局.GB 20840.8-2007互感器第八部分：电子式电流互感器[S].北京：中国标准化出版社，2007.

[5]李玮，宋毅.一种基于DSP+FPGA的高速数据采集系统设计[J].中国集成电路，2010（04）.