1、電氣測量新技術(shù)上海交通大學(xué)電氣工程系羅利文一、電子式互感器電磁式互感器問題1）二次側(cè)開路，將會產(chǎn)生高電壓，對配電設(shè)備甚至人身安全造成危害2）隨著電網(wǎng)電壓等級的提高，使得互感器造價提高（如2007年電網(wǎng)公司對550kV電流互感器工頻耐壓的要求從680kV提高至740kV）。3）體積龐大，重量較重,設(shè)備安裝、檢修不方便。4）電磁式互感器的鐵心的高頻信號響應(yīng)特性差，對高壓線路上的暫態(tài)過程不能正常反應(yīng)5）二次側(cè)輸出要求很嚴(yán)格，二次負(fù)載的變化導(dǎo)致測量精度下降6）電磁式CT在正常工作時磁密很低，而在發(fā)生短路故障時，由于短路電流很大，使磁通密度大大增加，有時甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過飽和值，從二次側(cè)的電流與原方電流相比，

2、在大小和相角上不可避免地出現(xiàn)誤差。7）電磁式互感器具有鐵磁共振、磁滯效應(yīng)等不利于測量的因素，還可能構(gòu)成電力系統(tǒng)的工頻諧振和鐵磁諧振。電子式電流互感器的發(fā)展美國于1988年左右研制出用于161kV的電子式電流互感器，1992年又研制成功了345kV的電子式電流互感器；前蘇聯(lián)研制出電壓等級達(dá)750kV的頻率脈沖調(diào)制式的電子式電流互感器，而日本也成功研制出300kV的電子式電流互感器及1000kV的電子式電流互感器測量系統(tǒng)樣品。ABB公司的磁光電流互感器（magnet-optic current transformer,MOCT）,電壓等級為72765kV，電流測量范圍為542000A，準(zhǔn)確度為0.

3、2級；光學(xué)電壓互感器，電壓測量范圍為69765kV，準(zhǔn)確度為0.2級；Nxthphase 公司的光學(xué)電流互感器電壓的等級為138520kV，測量電流為1-63kA；組合式光學(xué)電流電壓互感器，測量電流范圍1-3000，準(zhǔn)確度為0.2級，測量電壓范圍為138-520kV，準(zhǔn)確度為0.2級。德國西門子公司，法國阿海琺（阿爾斯通）均有產(chǎn)品推出市場。電子式互感器的標(biāo)準(zhǔn)化電子式互感器的標(biāo)準(zhǔn)化工作是由1999年IEC60044-7（電子式電壓互感器）和2002年IEC60044-8（電子式電流互感器）的發(fā)布開始的。在這兩個標(biāo)準(zhǔn)中，串行數(shù)字通信協(xié)議被標(biāo)準(zhǔn)化。2003年發(fā)布了IEC 61580-9-2，以太網(wǎng)協(xié)

4、議作為標(biāo)準(zhǔn)確立了下來，互感器的輸出通過交換機(jī)提供給其它通過同樣標(biāo)準(zhǔn)連接在網(wǎng)絡(luò)上的保護(hù)、計量等設(shè)備。這一系列標(biāo)準(zhǔn)的頒布為電子式互感器的應(yīng)用和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。我國互感器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會參照IEC 60044-7、8，并結(jié)合我國的實(shí)際情況，制定了相應(yīng)的電子式互感器標(biāo)準(zhǔn)，分別是關(guān)于EVT和ECT的GB/T 20840.7-2007和GB/T 20840.8-2007。該標(biāo)準(zhǔn)2007年已經(jīng)由中國標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會頒布。這說明我國電子式互感器已經(jīng)從研發(fā)階段進(jìn)入到了實(shí)用階段。電子式互感器分類根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的描述，電子式互感器是具有模擬量電壓輸出或數(shù)字量輸出，供頻率15100Hz的電氣測量儀器和繼電保護(hù)裝置使用的電

5、流、電壓互感器。它的功能、應(yīng)用范圍和傳統(tǒng)互感器是完全一致的，區(qū)別在于輸出量是可供二次設(shè)備直接使用的模擬電壓信號或數(shù)字量，而且可以根據(jù)需要通過軟件設(shè)定變比。 根據(jù)電子式互感器工作原理的不同，可以按下圖進(jìn)行分類。1.1 基于Faraday磁致旋光效應(yīng)的ECTFaraday磁致旋光效應(yīng)是指在光學(xué)各向同性的透明介質(zhì)中，外加磁場可以使在介質(zhì)中沿磁場方向傳播的平面偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。利用Faraday磁光效應(yīng)測量電流的電流互感器原理如下：LED（發(fā)光二極管）提供一個恒定的光源，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M準(zhǔn)直后成為平行光束，再經(jīng)起偏器F變?yōu)榫€偏振光入射進(jìn)傳感頭（傳感頭

6、材料一般由光學(xué)玻璃制成，如重火石玻璃），光在傳感頭內(nèi)繞導(dǎo)體一圈，在電流磁場作用下，光的偏振面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角正比于磁場強(qiáng)度沿偏振光通過材料路徑的線積分。據(jù)Faraday磁光效應(yīng)及安培環(huán)路定律可知，線偏振光旋轉(zhuǎn)的角度與載流導(dǎo)體中流過的電流有如下關(guān)系： （）式中為傳感頭材料的Verdet 常數(shù)。由式（）可知角度與被測電流成反比，利用檢偏器將角度的變化轉(zhuǎn)換位輸出光強(qiáng)的變化，經(jīng)光電變換及相應(yīng)得信號處理便可求得被測電流。其測量原理如圖所示。1.2 基于Rogowski線圈的ECTRogowski 線圈是俄國科學(xué)家Rogowski在1912年發(fā)明的，由漆包線或空心螺線管均勻繞制在環(huán)形骨架上，骨架采用塑料

7、或陶瓷等非磁性材料，其相對磁導(dǎo)率與空氣中的相對磁導(dǎo)率相同。感應(yīng)電動勢e(t)與i(t)產(chǎn)生的磁鏈的關(guān)系： e(t)=d/dt如線圈面積相同，則： e(t)=N*d/dt如在線圈面積內(nèi)B處處相等（線圈面積足夠?。瑒t =B*A=H*A，而HL=Ni，故 e(t)=M*di/dt難點(diǎn)：線圈面積足夠小，且均勻，測小電流難u（t）經(jīng)積分變換及A/D轉(zhuǎn)換后，由LED轉(zhuǎn)換為數(shù)字光信號輸出，控制室的PIN及信號處理電路對其進(jìn)行光電變換及相應(yīng)得信號處理，便可輸出供微機(jī)保護(hù)和計量用的電信號1.3 Low Power CTLPCT是一種低功率輸出特性的電磁式電流互感器，在IEC 60044-8 中被列為電子式電流

8、互感器的一種實(shí)現(xiàn)形式，代表著電磁式電流互感器的一個發(fā)展方向。LPCT主要由電磁式電流互感器CT、取樣電阻Rs和信號傳輸單元組成。一次母線電流被轉(zhuǎn)換為二次小電流is，取樣電阻將二次電流轉(zhuǎn)換為正比于一次電流的小電壓信號輸出；信號傳輸單元由雙層屏蔽絞線和連接端子構(gòu)成，主要將互感器輸出電壓信號傳遞到智能電子設(shè)備IED，同時實(shí)現(xiàn)外界電磁場屏蔽功能。LPCT與傳統(tǒng)電磁式CT的區(qū)別采用高導(dǎo)磁材料取代硅鋼片，鐵芯體積大大減小二次輸出電流只有幾mA（電磁式CT為5A或1A），通過取樣電阻轉(zhuǎn)換為幾十到幾百mV的電壓信號，可直接送電子放大電路，二次負(fù)載大大減輕。設(shè)備體積、重量、功耗大幅度減小。LPCT的結(jié)構(gòu)LPCT

9、通過一個與二次負(fù)載并聯(lián)的內(nèi)置取樣電阻輸出與一次電流成正比的二次電壓信號取樣電阻LPCT 2.1 阻容分壓型EVT主要是由分壓器、電子電路和光纖等組成。分壓器分為電容分壓器、電阻分壓器、阻容分壓器和串聯(lián)感應(yīng)分壓器等。被測高壓信號由分壓器從電網(wǎng)中取出，經(jīng)信號預(yù)處理、A/D變換及LED轉(zhuǎn)換，以數(shù)字光信號的形式送至控制室，控制室的PIN及信號處理電路對其進(jìn)行光電變換及相應(yīng)的信號處理，便可輸出供微機(jī)保護(hù)和計量用的電信號。電容分壓器EVT的原理下圖所示。2.2 基于Pockels 原理的EVT Pockels效應(yīng)： 是指某些透明的光學(xué)介質(zhì)在外電場的作用下，其折射率線形隨外加電場而變。Pockels 效應(yīng)又稱為線性電光效應(yīng)。具有電光效應(yīng)的物質(zhì)很多，在高電壓測量中用的最多的是BGO晶體，這是一種透過率高、無自然雙折射和自然旋光性、不存在熱點(diǎn)效應(yīng)的電光晶體。 根據(jù)電光晶體中通光方向與外加電場（電壓）方向的不同，基于Pockels