畢業(yè)論文電力系統(tǒng)用電子式互感器技術(shù)進展

1、哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文哈爾濱理工大學學士學位論文- PAGE II - PAGE III -電力系統(tǒng)用電子式互感器技術(shù)進展摘要電力系統(tǒng)是國民經(jīng)濟的命脈，互感器是電力系統(tǒng)中為電能測量、監(jiān)控、保護等提供電流、電壓信號的重要設(shè)備，其精度、可靠性能及穩(wěn)定性與電力系統(tǒng)的安全、長期、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行密切相關(guān)，是電力系統(tǒng)中不可或缺的電力設(shè)備之一6。但是，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的不斷發(fā)展，電力工業(yè)也得到了迅猛的發(fā)展，電力系統(tǒng)輸電容量不斷擴大，遠距離輸電不斷增加，電網(wǎng)電壓等級不斷上升，隨之對電力設(shè)備小型化、智能化、準確化的要求也日益增加。目前系統(tǒng)中廣泛運用的基于法拉第感應原理的電磁式電流互感器、電磁式電壓互感器

2、因傳感機理已經(jīng)呈現(xiàn)出了無法克服的困難，比如說絕緣、爆炸、磁干擾、磁飽和、鐵磁諧振、動態(tài)范圍小、體積大、重量重等問題。重要的是，電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是計算機化、網(wǎng)絡化、智能化，這些都要求互感器輸出的數(shù)字化。在查了大量文獻的基礎(chǔ)上，本文全面而詳盡地分析了電子式互感器的工作原理和特點，并與傳統(tǒng)電磁式互感器進行比較，證明電子式互感器比傳統(tǒng)電磁式互感器具有多方面的優(yōu)勢，可以更好的滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)對互感器的需求，指出電子式互感器是電磁式互感器的理想替代品，為電力系統(tǒng)用互感器的研究指明了方向，達到了“研究規(guī)律、掌握規(guī)律、應用規(guī)律”的目的。關(guān)鍵詞電力系統(tǒng)；電子式互感器；數(shù)字化；規(guī)律The development

3、 of electronic transducer which use in Electric power system AbstractElectric power is very important in our daily life as it is the lifeblood of national economy. Transformers working in power system are the indispensable electrical equipments in the power system and without transformers the measur

4、ement system, monitoring system and protection system cannot work. The accuracy, reliability and stability of the transformer will influence the security, stability and economic operation of the power system. But in the recent years the electric power industry developed rapidly with the continuous d

5、evelopment of Chinas economic construction. Along with the continuous rising voltage level, the expanding transmission capacity and the increasing long-distance transmission, the modern power system calls for small size, intelligence and high accuracy power equipments. Current transformer based on F

6、araday principle of electromagnetic induction possesses shortcomings like bulky, heavy, analog output, insulation difficult, magnetic saturation, small dynamic range, narrow band, flammable and so on. The more important is that the power system is tend to digital, networked and intelligent. In the b

7、asis of reading a large number of literature. This paper is devoted to the study the working principle and characteristics of the electronic transformers, and the investigated result shows that electronic transformers possess many advantages and can better meet the needs of the modern power system c

8、omparing with the traditional transformers. At the same time this paper tries to point out the direction of further development of the electronic transformers. Thus, this paper achieves the purpose of To research the law, to understand the law, to use the law .Keywords power system,；electronic trans

9、former；digital； regularPAGE II- - PAGE V -目錄摘要 = 1 * ROMAN IAbstract = 2 * ROMAN II TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc328037395 第1章 緒論 PAGEREF _Toc328037395 h 6 HYPERLINK l _Toc328037396 1.1 課題背景 PAGEREF _Toc328037396 h 6 HYPERLINK l _Toc328037397 1.2 互感器的簡介 PAGEREF _Toc328037397 h 6 HYPERLINK l _Toc3

10、28037398 1.2.1 互感器的作用 PAGEREF _Toc328037398 h 6 HYPERLINK l _Toc328037399 1.2.2 互感器的分類 PAGEREF _Toc328037399 h 7 HYPERLINK l _Toc328037400 1.3 電子式互感器 PAGEREF _Toc328037400 h 8 HYPERLINK l _Toc328037401 1.3.1 電子式互感器的分類 PAGEREF _Toc328037401 h 8 HYPERLINK l _Toc328037402 1.3.2 電子式電流互感器的結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc

11、328037402 h 9 HYPERLINK l _Toc328037403 1.3.3 電子式電壓互感器的結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc328037403 h 11 HYPERLINK l _Toc328037404 1.4 電子式互感器與傳統(tǒng)互感器的比較 PAGEREF _Toc328037404 h 13 HYPERLINK l _Toc328037405 1.4.1 傳統(tǒng)式互感器的特點 PAGEREF _Toc328037405 h 13 HYPERLINK l _Toc328037406 1.4.2 電子式互感器的特點 PAGEREF _Toc328037406 h 13 HYPE

12、RLINK l _Toc328037407 第2章 電子式電流互感器 PAGEREF _Toc328037407 h 15 HYPERLINK l _Toc328037408 2.1 磁光電流互感器 PAGEREF _Toc328037408 h 15 HYPERLINK l _Toc328037409 2.1.1 磁光電流互感器的原理 PAGEREF _Toc328037409 h 15 HYPERLINK l _Toc328037410 2.1.2 磁光電流互感器的結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc328037410 h 16 HYPERLINK l _Toc328037411 2.1.3 磁

13、光電流互感器的穩(wěn)定性問題 PAGEREF _Toc328037411 h 17 HYPERLINK l _Toc328037412 2.2 全光纖電流互感器 PAGEREF _Toc328037412 h 18 HYPERLINK l _Toc328037413 2.2.1 概述 PAGEREF _Toc328037413 h 18 HYPERLINK l _Toc328037414 2.2.2 基于偏振檢測方法的全光纖電流互感器 PAGEREF _Toc328037414 h 18 HYPERLINK l _Toc328037415 2.2.3 基于干涉檢測方法的全光纖電流互感器 PAGER

14、EF _Toc328037415 h 20 HYPERLINK l _Toc328037416 2.3 空心線圈電流互感器 PAGEREF _Toc328037416 h 21 HYPERLINK l _Toc328037417 2.3.1 空心線圈原理 PAGEREF _Toc328037417 h 21 HYPERLINK l _Toc328037418 2.3.2 空心線圈的類型 PAGEREF _Toc328037418 h 23 HYPERLINK l _Toc328037419 2.3.3 空心線圈電流互感器性能分析 PAGEREF _Toc328037419 h 24 HYPER

15、LINK l _Toc328037420 2.4 補償式光學電流互感器 PAGEREF _Toc328037420 h 26 HYPERLINK l _Toc328037421 2.4.1 比較式光學電流互感器 PAGEREF _Toc328037421 h 26 HYPERLINK l _Toc328037422 2.4.2 自適應式光學電流互感器 PAGEREF _Toc328037422 h 28 HYPERLINK l _Toc328037423 第3章 電子式電壓互感器 PAGEREF _Toc328037423 h 31 HYPERLINK l _Toc328037424 3.1

16、光學電壓互感器 PAGEREF _Toc328037424 h 31 HYPERLINK l _Toc328037425 3.1.1 基于Pokels效應的光學電壓互感器原理 PAGEREF _Toc328037425 h 31 HYPERLINK l _Toc328037426 3.1.2 Pockles效應電場傳感頭的基本結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc328037426 h 32 HYPERLINK l _Toc328037427 3.2 阻容分壓型電壓互感器 PAGEREF _Toc328037427 h 34 HYPERLINK l _Toc328037428 3.2.1 電阻分壓型電

17、壓互感器 PAGEREF _Toc328037428 h 34 HYPERLINK l _Toc328037429 3.2.2 電容分壓型電壓互感器 PAGEREF _Toc328037429 h 36 HYPERLINK l _Toc328037430 第4章 組合式電子電流電壓互感器 PAGEREF _Toc328037430 h 38 HYPERLINK l _Toc328037431 4.1 組合式光學電子電流電壓互感器 PAGEREF _Toc328037431 h 38 HYPERLINK l _Toc328037432 4.1.1 組合式光學電子電流電壓互感器的構(gòu)成 PAGERE

18、F _Toc328037432 h 38 HYPERLINK l _Toc328037433 4.1.2 組合式光學電子電流電壓互感器的分類 PAGEREF _Toc328037433 h 39 HYPERLINK l _Toc328037434 4.1.3 組合式光學電子電流電壓互感器的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計 PAGEREF _Toc328037434 h 40 HYPERLINK l _Toc328037435 4.2 GIS中電子電流電壓互感器 PAGEREF _Toc328037435 h 41 HYPERLINK l _Toc328037436 4.2.1 概述 PAGEREF _Toc328

19、037436 h 41 HYPERLINK l _Toc328037437 4.2.2 GIS中電子式電流電壓互感器的結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc328037437 h 41 HYPERLINK l _Toc328037438 第5章 全文總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc328037438 h 43 HYPERLINK l _Toc328037439 5.1 本文主要工作總結(jié) PAGEREF _Toc328037439 h 43 HYPERLINK l _Toc328037440 5.2 電子式互感器技術(shù)展望 PAGEREF _Toc328037440 h 43 HYPERLINK l

20、_Toc328037441 致謝 PAGEREF _Toc328037441 h 46 HYPERLINK l _Toc328037442 參考文獻 PAGEREF _Toc328037442 h 47 HYPERLINK l _Toc328037443 附錄 PAGEREF _Toc328037443 h 51- PAGE 10 - PAGE 62 -緒論課題背景目前電力系統(tǒng)大多采用的是傳統(tǒng)的電磁式電流互感器和電壓互感器來實現(xiàn)對電流和電壓的測量。電磁式互感器經(jīng)歷了一百多年的發(fā)展，材料和制作工藝不斷改進，為提高測量準確度而采取了各種補償措施，電磁式互感器已經(jīng)發(fā)展到一個相對比較成熟的階段。曾經(jīng)在

21、很長一段時間內(nèi)，電磁式互感器在電力系統(tǒng)中也具有測量準確度高和制造工藝成熟的優(yōu)勢，適應了電力系統(tǒng)的測量要求。但是，由于傳統(tǒng)的電磁式互感器存在的絕緣、爆炸、磁干擾、磁飽和、鐵磁諧振、動態(tài)范圍小、體積大、重量重等問題，使其已經(jīng)難以滿足當今電力系統(tǒng)發(fā)展的要求，電子式互感器取代傳統(tǒng)式互感器已經(jīng)成為一種必然36。電子式互感器主要由傳感元件和數(shù)據(jù)處理單元組成，由于其傳感機理的先進性，絕緣相對簡單，不存在爆炸、磁飽和、磁干擾以及鐵磁諧振的問題，動態(tài)范圍大、頻率響應寬，并且結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，適應傳感準確化、傳輸光纖化、輸出數(shù)字化的發(fā)展方向，使其必將成為傳統(tǒng)電磁式互感器的換代產(chǎn)品。數(shù)字化變電站作為當今世界的熱門話

22、題之一，引起了各界認識的廣泛關(guān)注， 隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，互感器也為了適應其而不斷被開發(fā)和研究，早在20世紀50年代，國外一些公司相繼開始了對新型互感器的研究，并在90年代將電子式互感器應用到電力系統(tǒng)中。越來越多的國家把目光投向新型電子式互感器的研發(fā)，國際電工委員會也頒布了電子式互感器（IEC60044-8）的標準。同時，國內(nèi)也已經(jīng)將此標準等同采用并轉(zhuǎn)化為相應的國標：電子式電壓互感器（GB20840.7-2007）和電子式電流互感器（GB20840.8-2007），為電子式互感器的技術(shù)發(fā)展奠定了一定參考基礎(chǔ)8。互感器的簡介互感器的作用互感器是為電力系統(tǒng)中電能的計量、測量、監(jiān)控、保護等提供電流或者

23、電壓信號的重要電力設(shè)備1。為保證電力系統(tǒng)經(jīng)濟安全的運行，就要求被測信號能夠準確的被反映出來，從而做出相關(guān)動作39?；ジ衅魇请娏鬏斚到y(tǒng)中連接一次和二次之間的紐帶，它由一個或者多個電流或電壓傳感器組成，用于產(chǎn)生能夠正確反映被測信號的量，供給其他測量儀器或者設(shè)備15?；ジ衅鞯闹饕饔每蓺w納如下：（1）將電力系統(tǒng)一次側(cè)的電流或者電壓信號傳遞到二次側(cè)，供給其他測量儀表和計量裝置，從而正確反映一次側(cè)電流和電壓的運行情況。（2）當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，互感器能快速感應，并且正確反映出故障狀態(tài)下的電流或者電壓波形，與繼電保護和其他裝置配合，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)故障情況下的監(jiān)測、控制和保護。（3）互感器實現(xiàn)了一次高壓

24、側(cè)和二次設(shè)備側(cè)的電氣隔離，從而保證了二次設(shè)備和工作人員的安全，并且將一次側(cè)的高電壓、大電流轉(zhuǎn)換為二次側(cè)的低電壓、小電流，使測量更標準化。互感器的分類1.按原理分（1）電磁式互感器。是按比例變換電壓或者電流的設(shè)備，它是為測量儀器、儀表等提供信號的變壓器。（2）電子式互感器。由連接到傳輸系統(tǒng)和二次轉(zhuǎn)換器的一個或多個電流或電壓傳感器組成，采用光電子器件用于傳輸正比于被測量的量，供給測量儀器、儀表和繼電保護或控制設(shè)備的一種裝置。在數(shù)字接口的情況下，一組電子式互感器共用一臺合并單元完成此功能。2.按用途分（1）測量用互感器。主要是在電力系統(tǒng)正常運行時，將大電流變成小電流，高電壓變?yōu)榈碗妷?，然后與測量儀表

25、配合，對電路的電壓、電流、電能等進行監(jiān)視、測量和記錄。（2）保護用互感器。主要在電力系統(tǒng)非正常運行或者故障運行條件下，將相應的信號供給繼電保護或者其他設(shè)備，以便設(shè)備做出相應動作，實現(xiàn)對非正常運行或者故障運行的監(jiān)視、記錄和校正。3.按對象分（1）電流互感器。是利用電磁感應原理改變電流量值的一種器件。它的一次繞組串聯(lián)在電路中，并且匝數(shù)很少，因此，一次繞組中的電流完全取決于被測電路的一次負荷大小而與二次電流無關(guān)。而二次繞組與測量儀表、繼電器等的電流線圈串聯(lián)，由于測量儀表和繼電器等的電流線圈阻抗都很少，電流互感器的正常工作方式接近于短路狀態(tài)。并且在運行中不允許電流互感器二次側(cè)開路。如果二次側(cè)開路，二次

26、電流為零，這時電流互感器的一次電流全部用來勵磁，鐵芯中的磁通密度劇烈增加，引起鐵芯中有功損耗增大，使鐵芯過熱，導致互感器損壞。電流互感器又可分為：電磁式電流互感器。是一種正常條件下其二次電流與一次電流成正比，且在連接方法正確時相位差接近于零的互感器。電子式電流互感器。是一種在正常使用條件下，其二次轉(zhuǎn)換器的輸出正比于一次電流，且相位差在連接方向正確時接近于已知相位角的互感器。（2）電壓互感器。是利用電磁感應原理改變交流電壓量值的一種器件。它的一次側(cè)的電壓不受二次側(cè)負荷的影響，并且在大多數(shù)情況下，二次側(cè)負荷是恒定的，且二次側(cè)所接的負荷是測量儀表和繼電器的電壓線圈，它們的阻抗很大，因此，電壓互感器的

27、正常工作方式接近于空載狀態(tài)，必須指出，電壓互感器二次側(cè)不允許短路，因為短路電流很大，會燒壞電壓互感器。電壓互感器又可分為：電磁式電壓互感器。是一種通過電磁感應將一次電壓按比例變換成二次電壓的電壓互感器，這種互感器不附加其他改變一次電壓的電氣元件。電子式電壓互感器。是一種在正常使用條件下，其二次電壓正比于一次電壓，且相位差在連接方向正確時接近于已知相位角的互感器。電容式電壓互感器。主要是由電容分壓器和電磁單元組成，其二次電壓正比于一次電壓，且相位差在連接方向正確時幾乎接近于零。（3）組合互感器。是由電流互感器和電壓互感器組成并裝在同一外殼內(nèi)的互感器。這種互感器同時具有電流互感器、電壓互感器的功能

28、，也可分為電磁式組合互感器和電子式組合互感器。電子式互感器電子式互感器標準首先定義了電子式互感器及其各部分的組成，其中包括一次傳感器、一次轉(zhuǎn)換器、傳輸系統(tǒng)、二次轉(zhuǎn)換器、合并單元、一次電源以及二次電源。采用光電子器件用于傳輸信號，供給測量儀器、儀表和繼電保護或控制設(shè)備，其輸出信號一般為正比于被測量的電壓或者電流信號。在數(shù)字接口的情況下，一組電子式互感器共用一臺合并單元。以下將分別對電子式電流互感器和電子式電壓互感器的分類和結(jié)構(gòu)做出詳細的介紹11。電子式互感器的分類1.電子式電流互感器（1）按原理分光學電流互感器。是利用法拉第磁光效應原理，采用光學原理、器件做電流傳感器的一種互感器。光學器件主要由

29、光學玻璃、光纖等組成，其輸出電壓大小正比于被測電流大小?？招木€圈電流互感器，又稱為Rogowski線圈式電流互感器。它是有源電子式互感器，主要由Rogowski線圈和數(shù)字變換器組成?？招木€圈一般由漆包線均勻繞制在環(huán)形骨架上，其相對磁導率與空氣的相對磁導率相同，這也是空心線圈電流互感器區(qū)別于其它帶鐵心的電流互感器的一個顯著特征?？招木€圈電流互感器在原理和結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的電流互感器有很大的不同，其性能會受到溫度及外界磁場等因素的影響。鐵心線圈式低功率電流互感器。它是在傳統(tǒng)式電流互感器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，在一次側(cè)高電流的情況下，其飽和性能得到改善，并且測量范圍相對較廣，其輸出為電壓信號。（2）按用途分

30、測量用電子式電流互感器。是一種用于測量的電流互感器，其輸出信號傳輸至有關(guān)儀器儀表。保護用電子式電流互感器。是一種用于保護的電流互感器，其輸出信號傳輸至繼電保護和控制裝置。2.電子式電壓互感器（1）按原理分光學電壓互感器。由光學材料做敏感原件，利用光纖傳輸信號，被測電壓直接加在敏感元件上，且輸出電壓正比于被測電壓，是一種傳感型電子式電壓互感器。阻容分壓型電壓互感器。是針對電容分壓型電壓傳感元件的暫態(tài)響應不佳問題而提出的，被測電壓由電阻器、電容器或者阻容器分壓后，變?yōu)楣庑盘柾ㄟ^光纖傳輸至二次轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過處理得到被測電壓。（2）按用途分測量用電子式電壓互感器。是一種用于測量的電壓互感器，其輸出信號傳

31、輸至有關(guān)儀器儀表。保護用電子式電壓互感器。是一種用于保護的電壓互感器，其輸出信號傳輸至繼電保護和控制裝置。電子式電流互感器的結(jié)構(gòu)為了規(guī)范和推動互感器行業(yè)的快速健康發(fā)展，我國于2007年1月頒布了電子式電流互感器的國家標準：GB/T20840.8-2007，標準對電子式互感器數(shù)字量的輸出做了一些規(guī)定7。圖1-1是電子式光學電流互感器在變電站中運行的一般模式，光源發(fā)出的光通過光纜傳輸至位于絕緣套管高壓區(qū)的傳感頭，經(jīng)處理后，光信號又通過光纜從高壓區(qū)傳至低壓區(qū)二次轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，信號再經(jīng)過處理后進入合并單元，合并單元的同步高速數(shù)據(jù)采集模塊對各路模擬量進行采集，并將所采集的數(shù)據(jù)以串行的方式輸?shù)蕉?/p>

32、設(shè)備，實現(xiàn)對信號的計量、監(jiān)控以及保護。圖1-1 電子式光學電流互感器在變電站運行的一般模式電子式電流互感器的通用框圖如圖1-2、圖1-3所示，是國標GB/T 20840.72008提供的，本圖是依據(jù)所采用的技術(shù)確定電子式電流互感器所需要的部件，并非所有列出的部件都是必須的。圖1-2 單相電子式電流互感器的通用框圖圖1-2中各部分的解釋如下：一次電流傳感器是指電氣、電子、光學或者其他裝置，由通過一次端子的電流產(chǎn)生相應的信號，再經(jīng)過一次轉(zhuǎn)換器傳送給二次轉(zhuǎn)換器；一次轉(zhuǎn)換器是將來自電流傳感器的信號轉(zhuǎn)換成適合于傳輸系統(tǒng)的信號；傳輸系統(tǒng)是一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)之間傳輸信號的紐帶，可實現(xiàn)短距離和長距離的傳輸；一

33、次電源是為一次電流傳感器或者一次轉(zhuǎn)換器提供電源使用的；二次轉(zhuǎn)換器是將一次系統(tǒng)傳來的信號進行處理，轉(zhuǎn)換成為可供給其他測量儀器儀表和繼電保護裝置的信號，該信號與一次側(cè)電流成正比；二次電源是二次轉(zhuǎn)換器的電源，為二次系統(tǒng)提供所需要的電能9。圖1-3是數(shù)字輸出型電子式電流互感器的通用框圖1。每個數(shù)據(jù)通道承載著一臺電子式電流互感器或者一臺電子式電壓互感器，采樣到的數(shù)據(jù)通過單一數(shù)據(jù)線傳輸?shù)胶喜卧?，合并單元匯集多達12個二次轉(zhuǎn)換器數(shù)字通道。如果是在多相的情況下，多個數(shù)據(jù)可以通過同一個接口傳輸?shù)篮喜卧?。圖1-3 數(shù)字接口框圖示例EVTa的SC為a相電子式電壓互感器的熱刺轉(zhuǎn)換器（見GB/T 20840.7），

34、ECTa的SC為a相電子式電流互感器的二次轉(zhuǎn)換器，可能有其他數(shù)據(jù)通道映射（見GB/T 20840.8 6.2.6）電子式電壓互感器的結(jié)構(gòu)電壓互感器的作用主要是將一次側(cè)高電壓轉(zhuǎn)換成適合于二次側(cè)繼電保護和測量的低電壓，要求一次和二次系統(tǒng)必須進行電氣隔離。電子式電壓互感器是一個依賴電子元件取樣、處理以及輸出信號的電壓互感器。電子式電壓互感器的通用框圖如圖1-4、圖1-5所示，依據(jù)所采用的技術(shù)確定電子式電壓互感器所需器件，并非所有列出的部件都是必須的。電子式電壓互感器的測量準確化、傳輸光纖化和輸出數(shù)字化能滿足未來電力發(fā)展需要。隨著加工工藝和材料工藝的提高，微電子技術(shù)、微機技術(shù)和光子技術(shù)的發(fā)展，更基于自

35、身原理上的優(yōu)勢，電子式電壓互感器必將在電力系統(tǒng)得到廣泛的應用，并最終取代傳統(tǒng)的電壓互感器，成為最為可取的下一代互感器。圖1-4 單相電子式接地電壓互感器通用框圖圖1-5 三相電子式電壓互感器通用框圖圖1-4和圖1-5中各部分解釋如下：一次電壓端子是指將一次電壓施加到電子式電壓互感器上的端子；一次電壓傳感器是指電氣、電子、光學或者其他裝置，由通過一次端子的電壓產(chǎn)生相應的信號，再經(jīng)過一次轉(zhuǎn)換器傳送給二次轉(zhuǎn)換設(shè)備；一次轉(zhuǎn)換器是將來自電壓傳感器的信號轉(zhuǎn)換成適合于傳輸系統(tǒng)的信號；傳輸系統(tǒng)是一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)之間傳輸信號的紐帶，可實現(xiàn)短距離和長距離的傳輸；一次電源是為一次電壓傳感器或者一次轉(zhuǎn)換器提供電源使

36、用的；二次轉(zhuǎn)換器是將一次系統(tǒng)傳來的信號進行處理，轉(zhuǎn)換成為可供給其他測量儀器、儀表和繼電保護裝置的信號，該信號與一次側(cè)電流成正比；二次電源是二次轉(zhuǎn)換器的電源，為二次系統(tǒng)提供所需要的電能；二次電壓端子是用以測量儀表和繼電保護或者控制裝置的電壓電路供電的端子。電子式互感器與傳統(tǒng)互感器的比較傳統(tǒng)式互感器的特點在電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)互感器通常包括電磁式電流、電壓互感器和電容式電壓互感器；傳統(tǒng)式互感器的缺點主要表現(xiàn)在：（1）易發(fā)生磁飽和現(xiàn)象。傳統(tǒng)互感器在非正常運行條件下，比如說當電路發(fā)生短路時，會產(chǎn)生很大的電流，互感器鐵心將會保留較大剩磁，鐵心嚴重飽和，使得二次電流不能正確反映出一次電流，從而不能做出相應保護

37、動作，甚至出現(xiàn)誤動的情況4。（2）對低頻、高頻以及非周期分量測量不準確，且不能測量直流分量。因電磁式互感器存在磁飽和的問題，當發(fā)生短路故障時，短路電流可達穩(wěn)態(tài)時的2030倍以上，這將無法對故障信號進行準確的測量。而且電磁式互感器傳感頭由鐵心構(gòu)成，頻率響應很低。（3）存在鐵磁諧振，抗干擾能力弱。傳統(tǒng)電壓互感器中，電磁式電壓互感器呈感性，而斷路器端口呈容性，兩者連接會產(chǎn)生電磁諧振。此外，電容式電壓互感器本身就含有多個非線性電感元件和電容元件，在適當?shù)臈l件下，其自身也可發(fā)生諧振，從而導致補償電抗器和中間變壓器繞組擊穿4。（4）絕緣困難。由于一次側(cè)和二次側(cè)之間存在著電氣連接和能量的傳遞，隨著電壓等級的

38、不斷提高，傳統(tǒng)式互感器的絕緣問題大大增加，用絕緣油等進行絕緣，不但體積大、重量重，而且存在著爆炸的危險。（5）輸出為模擬量。傳統(tǒng)式互感器的二次側(cè)輸出為正比于一次側(cè)的電壓或電流信號，為模擬量，不能直接與微機化計量和保護設(shè)備接口，不適應電力系統(tǒng)數(shù)字化的要求。（6）經(jīng)濟性不好。傳統(tǒng)式互感器體積大、造價高，隨著電壓等級的不斷提高，互感器的成本也相應提高，且占地面積大。電子式互感器的特點近年來，越來越多的學者致力于電子式互感器的研究，作為一種新型的電氣設(shè)備，與傳統(tǒng)互感器相比，它有著極為優(yōu)越的特點2，主要表現(xiàn)在：（1）消除了磁飽和現(xiàn)象。在電子式互感器中，光學互感器、空心線圈互感器不具有鐵心，故不存在磁飽和

39、的問題，從而大大提高了各類故障測量的準確性，也提高了保護裝置動作的正確率3。（2）頻率響應范圍寬，動態(tài)范圍大。光學互感器、空心線圈電流互感器的頻率響應都很寬，不僅可以對暫態(tài)電流、高頻大電流進行測量，而且還可以測出諧波電流。（3）消除了鐵磁諧振，抗干擾能力強。電子式互感器的結(jié)構(gòu)，決定了它不存在構(gòu)成電磁諧振的條件，其抗干擾能力強。（4）具有良好的絕緣性能。電子式互感器絕緣相對簡單，不像傳統(tǒng)式互感器用絕緣油，其高壓側(cè)與地電位側(cè)之間采用絕緣材料制造的玻璃纖維來傳輸信號，體積小、重量輕、絕緣性能好。（5）適應電力系統(tǒng)輸出數(shù)字化的發(fā)展要求。電子式互感器直接輸出數(shù)字信號，有助于二次設(shè)備對信號的接收和處理，加

40、速了電力系統(tǒng)數(shù)字化和信息化的進程12。（6）經(jīng)濟性好。電子式互感器體積小、重量輕，可以直接組合到其他保護裝置或者高壓設(shè)備中，共用支撐絕緣子，不但節(jié)省了變電站的占地面積，而且減少了成本43。綜上所述，電子式互感器具有傳統(tǒng)式互感器的全部功能，此外更具有優(yōu)于傳統(tǒng)式互感器的性能。下面章節(jié)中，我將給大家詳細介紹電子式電流互感器、電子是電壓互感器以及組合式電子電流電壓互感器。電子式電流互感器磁光電流互感器光學電流互感器的種類很多，有我們所熟知的磁光式電流互感器、全光纖電流互感器等等，它們的原理大致相同，都是將電流信號轉(zhuǎn)換成光信號，利用光強、偏振態(tài)以及波長等的變化來測量電流28。本章討論的是光學電流互感器，

41、其利用法拉第磁光效應，可以準確的測量電流信號。磁光電流互感器的原理1864年，法拉第發(fā)現(xiàn)在磁場作用下，本來不具備旋光性的物質(zhì)也可發(fā)生旋光性，這種效應后來被稱為法拉第磁光效應。如圖2-1所示為法拉第效應原理圖，在外加磁場H的作用下，當一束線性偏振光通過放在磁場中的法拉第傳感元件（一般為磁光玻璃）時，若磁場方向與光的傳播方向相同時，則入射偏振光的偏振面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)，且偏振面旋轉(zhuǎn)角正比于磁場強度H沿偏振光通過材料路徑的線積分5，即： (2-1)式中V為磁光材料的Verdet常數(shù)；N為光路環(huán)路數(shù)；i為被測電流；H為外加磁場。由上式可知，角與被測電流成正比，利用檢偏器將角度的變化轉(zhuǎn)換為光強的變化，經(jīng)相應處

42、理后便可求得被測電流i的大小。偏振面的旋轉(zhuǎn)角偏振面的旋轉(zhuǎn)角磁場H法拉第傳感元件入射線偏振光出射線偏振光圖2-1 法拉第效應原理圖磁光電流互感器的結(jié)構(gòu)磁光電流互感器由傳感頭、光路部分（光源、準直透鏡、起偏器、檢偏器、傳輸系統(tǒng)等）、信號處理系統(tǒng)等組成，一般由重火石玻璃作為傳感頭的光學介質(zhì)，用于改變光的傳播方向。如圖2-2所示，由發(fā)光二極管LED提供光源信號，通過光纖傳輸，經(jīng)過準直透鏡之后成為平行光束，再經(jīng)起偏器變?yōu)榫€性偏振光進入傳感頭，光在傳感頭內(nèi)繞導體一圈，并在電流磁場的作用下光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，出射光經(jīng)檢偏器檢偏后再通過另一只光纖傳輸，經(jīng)過準直透鏡進入二次轉(zhuǎn)換器6。磁光電流互感器的傳感頭設(shè)計極

43、為重要。首先，光學傳感頭必須具有保偏性，即入射至傳感頭的線性偏振光傳播至出射端口時也必須是線性偏振光，并且偏振光旋轉(zhuǎn)角只受被測電流的影響；其次，光路應盡可能的圍繞載流導體閉合，以減少外界磁場的影響，提高靈敏度；最后，光學傳感頭還應盡可能的減少傳輸損耗10。而傳感頭材料的選擇也有要求。首先，所選的材料應具有良好的光學性能，以保證保偏性能；其次，材料的Verdet常數(shù)要比較大，受溫度影響較?。蛔詈?，要易于加工制作，其電氣性能、機械性質(zhì)、熱學性質(zhì)等都要良好14。其實大部分的介質(zhì)材料都具有法拉第磁光效應，而效應的強弱往往取決于材料的磁化性能。不同材料的磁化率受溫度的影響不同，這就導致了不同介質(zhì)中法拉第

44、效應的不同溫度特性25。圖2-2 光學電流互感器的傳感頭磁光電流互感器的傳輸系統(tǒng)是由光纖和光纜組成的，其作用是將傳感頭輸出的信號傳輸至二次轉(zhuǎn)換器57。光纖作為磁光電流互感器的光學元件之一，要求它具有較大的傳輸功率，且要便于耦合，一般選擇光纖纖芯為62.5um34。光纜作為光學電流互感器的另一樣光學元件，承擔著高壓區(qū)和地電位之間傳輸光的任務，要求它的機械性能和化學性能（防水、防潮）良好，同時對電學參數(shù)和光學參數(shù)（光纖直徑、數(shù)值孔徑、損耗等）也有一定的要求，如果選擇光纖的芯徑越大，數(shù)值孔徑就越大，從LED耦合出來的光功率越強，但同時從準直透鏡出來的光束的發(fā)散角就越大，將此光束耦合進光纖就越困難，耦

45、合損耗反而更大，故應該綜合各項參數(shù)，進行最優(yōu)化的選擇。磁光電流互感器的穩(wěn)定性問題磁光電流互感器在電力系統(tǒng)中的研究已經(jīng)多年，但是始終沒有完全取代傳統(tǒng)的互感器，原因是多方面的，主要是因為磁光電流互感器應用時所處的環(huán)境是戶外的變電站高壓區(qū)，環(huán)境相對惡劣，環(huán)境因素對其性能的影響不容忽視。因此，磁光電流互感器的長期穩(wěn)定性是至今未能解決的問題，也是決定其能否實用化的關(guān)鍵問題27。先分別分析如下：溫度影響。由公式: （2-2）在理想狀況下，Verdet常數(shù)是一個恒定值，和i保持了較好的線性關(guān)系，V和N越大，則互感器靈敏度越高，經(jīng)研究表明，V與材料的折射率n和光源工作波長有關(guān)。折射率n的變化，會導致V的變化，

46、接著將影響待測電流的穩(wěn)定性。而光源工作波長與光源驅(qū)動電流、光源所在處溫度有關(guān)，故要使不變化，必須使光源恒溫，并使驅(qū)動電流恒定31。否則當環(huán)境溫度變化時，必將影響被測電流的穩(wěn)定性。另一方面，溫度因素的影響還會在敏感材料內(nèi)產(chǎn)生應力雙折射，這必將影響到磁光電流互感器傳感頭的靈敏度。而應力雙折射的存在主要是因為：玻璃制造過程熱歷史與退火留下的殘余應力，環(huán)境溫度梯度變化產(chǎn)生的應力以及傳感頭組裝過程采用黏結(jié)固定法不可避免的存在應力。（2）振動影響。振動會造成傳感頭內(nèi)部的線性雙折射，從而影響傳感頭的輸出。振動對磁光電流互感器的影響主要表現(xiàn)在：傳感頭周期性振動會引起傳感頭內(nèi)部線性雙折射周期性變化，從而影響輸出

47、；載流導體在原來位置附近范圍內(nèi)擺動，產(chǎn)生影響；振動時，會使進入起偏器的光強發(fā)生振動，對輸出產(chǎn)生不良影響。（3）反射相移對磁光電流互感器性能的影響。在光學電流互感器中，光線要圍繞被測電流導線形成閉合環(huán)形光路，因此在對光學材料進行設(shè)計時，需要若干個全反射面來改變光的傳播方向，使光束經(jīng)過這些全反射面形成閉合光路。但是由于全反射面的存在，使線性偏振光全反射后變成橢偏振光，即兩個正交光振動分量之間產(chǎn)生一個相位差，這將使傳感頭的靈敏度發(fā)生變化，進而影響輸出信號的變化。反射相移與折射率有關(guān)，折射率越大，產(chǎn)生的相位差越小32。綜上所述可知，磁光電流互感器與被測電流之間沒有直接的接觸，故磁光電流互感器工作時不影

48、響電力系統(tǒng)的運行；由于磁光電流互感器采用光信號進行傳輸，故比起傳統(tǒng)電流互感器絕緣簡單；其傳感頭采用的是光學元件，不存在磁飽和，故測量的準確性大大提高33；且由圖2-2可知，進出磁光電流互感器的都是光信號，故二次側(cè)開路也不會產(chǎn)生危險的高電壓或大電流。全光纖電流互感器概述自1973年Rogers首先提出光學電流互感器的想法以來，光纖技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了幾十年。光學電流互感器可根據(jù)傳感單元的不同分為全光纖電流互感器、光學玻璃互感器等。而基于法拉第效應的全光纖電流互感器得到了各界人士的廣泛研究，并已取得顯著效果。全光纖電流互感器是指采用光纖圍繞被測電流導體N圈作為電流敏感元件的互感器。典型代表是Nxtpha

49、se研究的全光纖電流互感器已經(jīng)掛網(wǎng)運行，ABB公司研制的用于測量500kA直流大電流也得到了人們的普遍認可，中國南瑞航天電氣控制技術(shù)有限公司于2008年生產(chǎn)的FOCT產(chǎn)品也已通過鑒定并進行了掛網(wǎng)試運行。全光纖電流互感器是未來光學電流互感器的發(fā)展方向，它采用偏振檢測方法或者利用法拉第效應的非互易性來檢測，同樣作為光學電流互感器，全光纖電流互感器與玻璃型電流互感器的原理基本相同，且光纖內(nèi)存在的線性雙折射對溫度和振動的變化也十分敏感，在變電站的惡劣環(huán)境下，其光學器件的長期運行穩(wěn)定性還沒有經(jīng)過嚴格的論證和考核，變電站中電流的變化范圍較大，當電流較小時，信噪比較低，這就對全光纖電流互感器的信號調(diào)制問題提

50、出了更高要求46。且構(gòu)成全光纖電流互感器的關(guān)鍵光學器件都是從外國進口，不但價格昂貴，而且受制于人，從長遠來看，這是不可取的?？偠灾?，全光纖電流互感器的測量穩(wěn)定性和可靠性，以及應用的經(jīng)濟性，都要經(jīng)過長時間的檢驗和考核45?；谄駲z測方法的全光纖電流互感器基于偏振檢測法的全光纖電流互感器的結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，光纖均勻的纏繞在載流導體上，且高壓載流導體中通有電流I，可知纏繞在載流導體上的光纖將產(chǎn)生磁光效應。由激光器發(fā)出的單色光經(jīng)過起偏器F后變?yōu)榫€性偏振光,再經(jīng)過透鏡L將線性偏振光耦合到光纖中，這時線性偏振光的偏振面將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角為，出射后的偏振光經(jīng)過透鏡L耦合后到達奧拉斯頓棱鏡W，棱鏡將偏振

51、光分成兩束振動方向垂直的偏振光，并分別傳輸?shù)焦怆娞綔y器D1和D2中，在經(jīng)過信號加工，即能獲得被測電流。值得補充的是，當載流導體沒有信號時，要想獲得最大靈敏度，W的兩個主軸與入射光纖的線性偏振光的偏振方向應成450。圖2-3 基于偏振檢測方法的全光纖電流互感器原理圖 以上介紹的理想結(jié)果要求光在全過程中始終保持線性偏振，即不發(fā)生雙折射。雙折射是指一束光在非均勻的介質(zhì)中傳播時，分解成為振動方向垂直，傳播速度和折射率都不同的兩種偏振光。引起雙折射的原因很多，比如光纖本身的不完善、環(huán)境溫度的變化及機械狀態(tài)的變化等49。雙折射的影響是不可忽視的，總結(jié)起來雙折射的存在主要有以下影響：（1）減小了測量電流的靈

52、敏度。這是因為雙折射的存在會使原來的線性偏振光變成橢偏振光，即兩個正交光振動分量之間產(chǎn)生一個相位差，這將導致整個測量的靈敏度都減小。（2）易受環(huán)境溫度的影響。由于雙折射的分布是隨著溫度的變化而變化的，從而使得傳感器的靈敏度也受到影響，而在一根光纖中的溫度是逐漸變化的，故在一個封閉的環(huán)形光路中，靈敏度的分布是非均勻的。（3）傳感器對不同偏振面的靈敏度不同。在全光纖電流互感器探頭中，由于線性雙折射的存在，對不同偏振面的入射偏振光，雙折射所引起的相位不同，因而使整個探頭的靈敏度也隨著相位的改變而改變?？偠灾?，全光纖電流互感器中由于線性雙折射造成輸出不穩(wěn)定、靈敏度降低等問題，嚴重阻礙了全光纖電流互感

53、器的發(fā)展，因此采用各種方法降低線性雙折射已成為人們關(guān)注的焦點60。經(jīng)研究表明，采用保偏光纖可以有效限制雙折射的影響，保偏光纖是對傳輸?shù)钠窆獾钠駪B(tài)加以保持并傳輸?shù)墓饫w47。下面介紹幾種采用保偏光纖的方法：（1）螺旋光纖。是一種通過自旋方式拉制的低雙折射光纖，這種光纖在拉制過程中使光纖胚料迅速自旋，保證橢圓度大約每厘米旋轉(zhuǎn)一次，故在任意給定的一厘米內(nèi)凈雙折射為零，因此在給定任意光纖長度上的總雙折射在數(shù)量級上等于經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后殘留的雙折射。當然，這種方法也存在缺點，首先，在繞制過程中，由彎曲光纖引起的線性雙折射仍然存在；其次，長期使用過后的旋轉(zhuǎn)光纖，其自旋會松弛，從而導致穩(wěn)定性也大大降低，這也是旋轉(zhuǎn)

54、光纖的致命弱點48。（2）圓雙折射。是指光源偏振本征模通過光纖時，左旋和右旋圓偏振態(tài)以不同的速度傳播，線性雙折射在圓雙折射光纖中可以得到較好的抑制。當然，圓雙折射也有自己的不足之處：圓雙折射對溫度的敏感性較強，因而在溫度變化較頻繁的環(huán)境中使用其靈敏度大大降低53。（3）橢圓雙折射光纖。這種光纖是在拉制高線性雙折射光纖過程中旋轉(zhuǎn)預制棒。但是用這類光纖制成的全光纖電流互感器對溫度的依賴性很大，故需要采用溫度補償。綜上所述，近些年來，有關(guān)各種克服線性雙折射的研究方案不斷被提出，但是也都存在著自身的問題，這需更進一步研究才能解決?；诟缮鏅z測方法的全光纖電流互感器基于干涉檢測方法的全光纖電流互感器是通

55、過檢測受法拉第效應作用的兩束偏振光的干涉的相位差的變化來測量電流。基于干涉檢測方法的全光纖電流互感器從結(jié)構(gòu)上可分為Sagnac環(huán)形結(jié)構(gòu)和反射結(jié)構(gòu)，下面就這兩種結(jié)構(gòu)的基本原理和構(gòu)成分別做出介紹?；赟agnac環(huán)形結(jié)構(gòu)的全光纖電流互感器Sagnac環(huán)形結(jié)構(gòu)原理圖如圖2-4所示，光源發(fā)出的光經(jīng)耦合后經(jīng)過偏振器變?yōu)榫€性偏振光，再通過耦合器將線性偏振光變成兩路，分別經(jīng)過延遲器和調(diào)制器被1/4波片轉(zhuǎn)換成圓偏振光，并沿相反方向進入傳感頭，法拉第效應使這兩束圓偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，然后再次經(jīng)過1/4波片重新轉(zhuǎn)換成線性偏振光返回偏振器進行干涉。在這里由于兩束光偏振面的旋轉(zhuǎn)角度大小相同方向相反，故其相位差為兩

56、倍的法拉第相移，即=2VNI。另外，我們只需要檢測出光的相位差就能得到被測電流，這都是采用了調(diào)制器的結(jié)果。圖2-4 Sagnac環(huán)形結(jié)構(gòu)全光纖電流互感器原理圖基于Sagnac反射結(jié)構(gòu)的全光纖電流互感器基于Sagnac反射結(jié)構(gòu)的全光纖電流互感器的原理圖如圖2-5所示，其利用兩束光互相干涉來測量電流。由光源發(fā)出的光經(jīng)過保偏光纖耦合器后由光纖起偏器變成線性偏振光，再經(jīng)一個45o熔接進入光纖相位調(diào)制器，并且在這段光纖上形成兩個分別在兩個光軸上互相垂直的線性偏振光，分別沿保偏光纖的X軸和Y軸傳播。這兩束正交的線性偏振光被光纖相位調(diào)制器進行相位調(diào)制后，經(jīng)過/4波片轉(zhuǎn)變成左旋和右旋的圓偏振光，進入傳感光纖圈

57、。由于傳感光纖中的法拉第效應和被測電流產(chǎn)生的磁場，這兩束圓偏振光的相位會發(fā)生變化，且以不同的速度傳播，最后經(jīng)反射膜反射后，這兩束圓偏振光的偏振模式發(fā)生互換，然后經(jīng)過傳感光纖圈兩束光再次經(jīng)過/4波片，恢復成兩束線性偏振光。分別沿著保偏光纖傳播，并在光纖偏振器處發(fā)生干涉，通過測量兩線性偏振光的相位差，就能測出導線中的電流。光纖相位調(diào)制器的作用是實現(xiàn)相位檢測。反射式全光纖電流互感器要求光在傳播過程中保持一定的偏振態(tài)。圖2-5 Sagnac反射結(jié)構(gòu)的全光纖電流互感器原理圖空心線圈電流互感器空心線圈電流互感器是電子式電流互感器中電流傳感器的一種，是數(shù)字化變電站發(fā)展的設(shè)備之一，空心線圈電流互感器與傳統(tǒng)互感

58、器有著較大區(qū)別，本節(jié)將重點介紹空心線圈電流互感器的原理與結(jié)構(gòu)。空心線圈原理空心線圈通常又稱Rogowski線圈，一般由漆包線均勻繞制在環(huán)形骨架上，骨架采用塑料或者陶瓷等非鐵磁性材料24。理想的空心線圈要求其二次繞組足夠多，且在非鐵磁材料骨架上要對稱均勻分布；每一匝繞組不僅要形狀完全相同，而且要使其所在平面垂直穿過骨架所在的圓周的中心軸。空心線圈的結(jié)構(gòu)如圖2-6所示，圓柱形載流導體穿過空心線圈的中心?？招木€圈中相對磁導率為1，故距中心軸x處的任意一點的磁感應強度為： （2-3）式中，0為真空中磁導率；I(t)為載流導體上的被測電流。由法拉第電磁感應定律可知，當穿過一定面積線圈的磁通量發(fā)生變化時，

59、在線圈上將感應出一定大小的電壓，該電壓的大小和方向與磁通量變化的大小和方向有關(guān)，其中感應電壓的大小為d/dt，方向遵循右手定則。圖2-6 空心線圈尺寸 空心線圈單砸線圈上的磁通量可表示為： （2-4）式中，a為骨架內(nèi)半徑；b為骨架外半徑；為空心線圈的厚度。空心線圈的繞組總匝數(shù)為N，則空心線圈的總感應電動勢為： （2-5）式中， ，為空心線圈的互感系數(shù)。不難看出，互感系數(shù)M關(guān)系到空心線圈的穩(wěn)定性，對互感系數(shù)M的選擇也提出了要求?；ジ邢禂?shù)決定了線圈的形狀、尺寸、匝數(shù)以及線圈間的相對位置，和線圈是否通有電流無關(guān)?？招木€圈的等效電路圖如圖2-7所示，R0為空心線圈的內(nèi)阻，L為空心線圈的自感系數(shù)，RL為

60、負載電阻，C為空心線圈的匝間電容，e（t）為線圈的感應電動勢。線圈的感應電動勢為： (2-6)式中，M為空心線圈的互感系數(shù)，i為被測電流。圖2-7 空心線圈的等效原理圖空心線圈的類型空心線圈從結(jié)構(gòu)上可大致分為平板型空心線圈、組合型空心線圈、窄帶型空心線圈以及螺旋線型空心線圈。下面就對平板型空心線圈和組合型空心線圈做簡單介紹。 （1）平板型空心線圈。由一對或者多對印刷電路板串聯(lián)而成，如圖2-8所示，印刷電路板1的上表面和印刷電路板2的下表面完全相同，印刷電路板1的下表面和印刷電路板2的上表面完全相同。為了實現(xiàn)傳統(tǒng)空心線圈的功能，成鏡像的印刷板電路都是成對出現(xiàn),每對成鏡像的印刷電路板為一組，引出一