電子式電流互感器的應(yīng)用

電子式電流互感器的應(yīng)用

現(xiàn)代能源系統(tǒng)的特點(diǎn)是功率大、電壓低、桂花大、數(shù)字大、自動化。隨著電網(wǎng)電壓的增加，傳統(tǒng)的傳感器磁飽和、線性低、測量精確度小等問題日益突出。另外隨著數(shù)字技術(shù)在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用,為了使傳統(tǒng)互感器和數(shù)字設(shè)備接口,還要在兩者之間加上電流變換器。為了適應(yīng)高電網(wǎng)電壓,同時實現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行的控制、保護(hù)、監(jiān)測、通信和記錄的自動化,市場迫切需要一種新型的互感器出現(xiàn),以滿足電力系統(tǒng)的快速發(fā)展,于是電子式電流互感器應(yīng)運(yùn)而生。電流傳感器的分類電流互感器可分為傳統(tǒng)式與電子式兩種,具體分類及工作原理如表1所示。下面介紹兩種典型的電流互感器。(1)流東北部輸出根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB1208—2006規(guī)定:電磁式電流互感器是一種作為測量儀器、儀表、繼電器和其他類似電器供電的變壓器,正常使用條件下二次電流與一次電流實際成正比,且在連接方法正確時其相位差接近于零。(2)測量器器根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20840.8—2007規(guī)定:電子式電流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,用以傳輸正比于被測量的量,供給測量儀器、儀表和繼電保護(hù)或控制裝置。在數(shù)字接口的情況下,一組電子式互感器用一臺合并單元完成此功能。工作原則1.次不同政府繞線作磁動勢傳統(tǒng)電磁式電流互感器根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成,其接線如圖1所示。一次繞組流過電流時,鐵心中產(chǎn)生和電流I1同一頻率變化的交變磁通Φ1,當(dāng)磁通Φ1穿過二次繞組線匝時,二次繞組中會感應(yīng)出電動勢,在感應(yīng)電動勢的作用下二次回路就會有電流I2流過。根據(jù)磁動勢平衡原理,一、二次繞組的電流應(yīng)滿足如下關(guān)系式中,N1、N2為互感器一、二次繞組匝數(shù);I1N1、I2N2為互感器一、二次繞組形成的磁動勢;I0N1為鐵心中的勵磁磁動勢。若鐵心磁導(dǎo)率很高,鐵心中各種損耗很小,所需勵磁磁動勢很小,可忽略,則有則由于一次繞組匝數(shù)遠(yuǎn)小于二次繞組匝數(shù),于是實現(xiàn)了將大電流轉(zhuǎn)換為小電流的目的。2.電子電流傳感器電子式電流互感器按一次傳感器的工作方式可分為有源型和無源型,下面分別以無源磁光式和有源電子式為例進(jìn)行介紹。(1)偏振面旋轉(zhuǎn)角度測試無源磁光式電流互感器由傳感頭、光路部分、檢測系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)等組成,如圖2所示。恒流源驅(qū)動一只發(fā)光二極管作為恒定光源,光通過光纜中的一根光纖從控制室傳輸?shù)浆F(xiàn)場高壓區(qū),經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后成為平行光束,再經(jīng)起偏器變?yōu)槠窆馊肷溥M(jìn)傳感頭,在電流磁場作用下,光的偏振面會發(fā)生旋轉(zhuǎn),出射光經(jīng)過檢偏器檢偏后再經(jīng)耦合透鏡耦合進(jìn)入光纜中的另一根光纖傳輸至二次轉(zhuǎn)換器,再連接合并單元,合并單元的數(shù)字輸出口可接保護(hù)和計量自動裝置等。設(shè)起偏器的輸出光強(qiáng)為I0,檢偏器的輸出光強(qiáng)為I,根據(jù)馬呂斯定律,二者關(guān)系為經(jīng)計算得,當(dāng)φ=±π/4時,線性度最好,動態(tài)范圍最大,一般取φ=π/4,其中光偏振面的旋轉(zhuǎn)角為式中,V為單位光程單位場強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)角常數(shù);a為光路的光強(qiáng)衰減系數(shù);φ為起、檢偏器透光軸交角。當(dāng)a=1時,式(3)可表示為式中,I0為光源輸出的恒定初始光強(qiáng)。當(dāng)θ很小時,sin2θ≈2θ,當(dāng)環(huán)路數(shù)N=1時,式(4)變?yōu)槭街?A0為待測電流有效值;ω為待測電流角頻率。利用電子線路進(jìn)行交流與直流信號分離,有為了消除光功率波動的影響,用交流信號除以直流信號,則有式中,K為比例系數(shù),經(jīng)標(biāo)定后即可得到被測電流大小。(2)空心線圈與光纖傳輸系統(tǒng)有源電子式電流互感器由羅格夫斯基空心線圈、低功率鐵心線圈、高壓側(cè)調(diào)制電路、高壓側(cè)供電電源、復(fù)合絕緣子與光纖傳輸系統(tǒng)等組成,其原理如圖3所示?？招木€圈作為保護(hù)通道傳感單元,低功率鐵心線圈作為測量通道傳感單元。調(diào)制電路將高壓側(cè)含有被測電流信息的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,同時將測量和保護(hù)通道的信號整合成一路數(shù)字信號后,再變換成光信號驅(qū)動LED,以光脈沖的形式通過信號傳輸光纖傳輸至低壓側(cè)的合并單元。3.資源比較(1)磁飽和的原因電流互感器的線性工作狀態(tài)和非線性工作狀態(tài)是基于基本磁化曲線提出的。鐵磁材料磁化曲線的基本形狀如圖4所示,由以下四部分組成:可逆磁化部分(oa段),急劇磁化部分(ab段),漸飽和部分(bc),深飽和部分(c點(diǎn)之后)。所謂互感器的磁飽和,實質(zhì)是互感器鐵心中的磁通密度B過大,超過了飽和點(diǎn)造成的。而鐵心中磁通的多少取決于建立該磁通的電流的大小,也就是勵磁電流I0的大小。當(dāng)I0過大引起磁通密度過大,將使鐵心趨于飽和,而此時互感器的勵磁阻抗會顯著下降,從而使勵磁電流繼續(xù)增大,進(jìn)一步加劇磁通增加和鐵心飽和,這其實是一個惡性循環(huán)的過程。一旦鐵心磁通飽和,會使鐵心損耗增加,產(chǎn)生大量熱量,損壞絕緣,并在鐵心中產(chǎn)生剩磁,使互感器比差和角差增大,失去準(zhǔn)確性。由于電子式電流互感器沒有鐵心,所以完全沒有磁飽和的缺點(diǎn)。(2)電磁式電流傳感測量以系統(tǒng)發(fā)生單相接地和短路兩種故障情況為例進(jìn)行說明。假定系統(tǒng)為35kV架空線路,線路長度l=30km,每相導(dǎo)線對地電容C0=0.005μF/km,當(dāng)電力線路末端發(fā)生單相接地故障時,單相接地電容電流為式中,ω為角頻率;C為相對地電容;U0為相電壓。系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時零序電流大小一般為幾安培,短路電流一般為額定電流的幾十甚至幾百倍,電磁式電流互感器因存在磁飽和問題,難以實現(xiàn)大范圍測量,電子式電流互感器有很寬的動態(tài)范圍,一個測量通道額定電流可測到幾十安培至數(shù)千安培,過電流范圍可達(dá)幾萬安培,因此既可同時滿足計量和繼電保護(hù)的需要,又可免除電磁式電流互感器多個測量通道的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。表2所示為ABB公司生產(chǎn)的一款基于法拉第效應(yīng)原理的無源光電式電流互感器的技術(shù)數(shù)據(jù),可以看出,其在4~4000A的電流范圍內(nèi),測量精度均可達(dá)到0.2級。(3)電子式電流傳感器傳統(tǒng)電流互感器工作利用的是電磁感應(yīng)原理,一、二次線圈均在同一鐵心上,工作時難以實現(xiàn)高低壓完全隔離,會對設(shè)備和人身造成潛在威脅。電子式電流互感器將高壓側(cè)信號通過玻璃光纖傳輸?shù)蕉卧O(shè)備,使絕緣結(jié)構(gòu)大為簡化。它用光纜而不用電纜傳輸信號,實現(xiàn)了高低壓的徹底隔離,不存在電流互感器二次開路給設(shè)備和人身造成的危害,提高了安全性和可靠性。(4)電子式傳感計量設(shè)備電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢是網(wǎng)絡(luò)化、智能化及保護(hù)、控制、測量和通信一體化,這些都要求互感器輸出數(shù)字化。目前,用于變電站的監(jiān)視、控制和保護(hù)等的互感器已實現(xiàn)微機(jī)數(shù)字化,但由于提供一次部分信息的傳統(tǒng)電流互感器輸出為交流模擬信號,不能提供與數(shù)字系統(tǒng)相匹配的數(shù)字信號輸出,使得站內(nèi)二次連線復(fù)雜,可靠性降低。電子式互感器可提供模擬量輸出或數(shù)字量輸出,因而可直接用于微機(jī)保護(hù)和電子式計量設(shè)備,而且能實現(xiàn)在線檢測和故障診斷,適應(yīng)了電力計量和保護(hù)數(shù)字化、微機(jī)化和自動化發(fā)展的方向,在變電站綜合自動化管理方面有明顯的優(yōu)勢。為了適應(yīng)變電站自動化技術(shù)的迅速發(fā)展,IEC提出并制定了關(guān)于變電站自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61850。如何在新標(biāo)準(zhǔn)下開發(fā)新的產(chǎn)品成為目前研究的焦點(diǎn),特別是在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)下開發(fā)電子式互感器成為研究的熱點(diǎn),也是今后互感器發(fā)展的新方向。羅格烷基線圈型電流傳感技術(shù)無源型磁光式電流互感器目前在河北110kV承德變電站、江門沙坪110kV變電站、晉中110kV變電站、陳莊220kV變電站和富春江220kV水電站等有一定的應(yīng)用。羅格夫斯基線圈型電流互感器在國內(nèi)許多工程都得到了成功應(yīng)用,其中天津市電力公司承建的陳甫220kV變電站示范工程,是對IEC61850通信規(guī)范技術(shù)和智能化一次設(shè)備技術(shù)綜合應(yīng)用的大膽嘗試,陳甫220kV變電站項目于2007年9月5日啟動,2009年5月26日成功投運(yùn),目前運(yùn)行狀況良好。國電南自公司生產(chǎn)的有源電子式電流互感器在江蘇淮安朱壩220