電子式互感器在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用

0電子式傳感技術(shù)在變電站的應(yīng)用近年來，數(shù)字能源的建設(shè)已成為能源自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。各省級(jí)供電積極開展110kv和以上電壓等級(jí)的工程試點(diǎn)。電子式互感器作為數(shù)字化變電站的重要組成部分,具有傳統(tǒng)電磁式互感器難以比擬的優(yōu)勢(shì),其信號(hào)測(cè)量精度和運(yùn)行穩(wěn)定性是數(shù)字化變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。本文在介紹電子式互感器分類、標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,主要闡述了有源電子式互感器的原理結(jié)構(gòu),并對(duì)其在工程應(yīng)用中的幾個(gè)關(guān)鍵問題如絕緣性能、供能、誤差、同步進(jìn)行了分析。1電子式整體傳感關(guān)鍵技術(shù)研究電子式互感器的國家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T20840.8—2007(電子式電流互感器)及GB/T20840.7-2007(電子式電壓互感器),它等同采用了IEC60044-8及IEC60044-7標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電子式互感器的結(jié)構(gòu)、使用條件、額定值、設(shè)計(jì)及試驗(yàn)等方面進(jìn)行了規(guī)范。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)描述,電子式互感器是具有模擬量或數(shù)字量輸出,供頻率為15～100Hz的電子測(cè)量儀器和繼電保護(hù)裝置使用的互感器。電子式互感器的組成與傳統(tǒng)互感器有明顯區(qū)別,以電子式電流互感器為例,它可能具有的功能部件如圖1所示。在正常使用條件下,其二次轉(zhuǎn)換器的輸出實(shí)質(zhì)上正比于一次電流,且在聯(lián)結(jié)方向正確時(shí)相位差約為零。電子互感器與數(shù)字化保護(hù)裝置、智能化一次設(shè)備等的數(shù)據(jù)連接主要依靠合并單元(MU)完成,如圖2所示。圖中ECT指電子式電流互感器,EVT指電子式電壓互感器,SC指互感器的二次轉(zhuǎn)換器。在多相或組合單元時(shí),多個(gè)數(shù)據(jù)通道可以通過一個(gè)物理接口從二次轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)胶喜卧?。合并單元?duì)二次設(shè)備提供一組時(shí)間相關(guān)的電流和電壓樣本。目前,電子式電流互感器主要采用羅高夫斯基線圈、光學(xué)裝置或低功耗鐵心線圈等實(shí)現(xiàn)一次電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換;電子式電壓互感器主要采用電阻分壓器、電容分壓器、串聯(lián)感應(yīng)分壓器或光學(xué)原理等實(shí)現(xiàn)一次電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。根據(jù)傳感頭部分是否提供電源,電子式互感器主要可分為有源式和無源式兩類,主要實(shí)現(xiàn)原理如表1所示。根據(jù)安裝方式,電子式互感器又可分為獨(dú)立支撐型、GIS型、套管型及獨(dú)立懸掛型,其中前兩種為主要應(yīng)用方式,它們分別應(yīng)用在敞開式變電站及GIS變電站。與傳統(tǒng)電磁式互感器相比,電子式互感器具有絕緣簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)寬、暫態(tài)特性好、電流互感器動(dòng)態(tài)范圍寬及無磁飽和、電壓互感器無鐵磁諧振現(xiàn)象、二次輸出無開路短路的危險(xiǎn)、二次側(cè)可直接輸出數(shù)字信號(hào)其他智能電子設(shè)備接口等優(yōu)點(diǎn)。基于上述優(yōu)點(diǎn),并且目前國內(nèi)二次設(shè)備微機(jī)化的普及使得二次回路負(fù)載大為減小,因此電子式互感器在變電站中得到日益廣泛的應(yīng)用。國際上大型電氣制造商已經(jīng)從研發(fā)階段到達(dá)小規(guī)模生產(chǎn)階段,如ABB、Areva(Alstom)、Siemens、NxtPhase等廠家可生產(chǎn)有源的或無源的電子式互感器,最高電壓等級(jí)達(dá)765kV,準(zhǔn)確度達(dá)到0.2級(jí)。國內(nèi)清華大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校對(duì)于電子式互感器的研究多處于實(shí)驗(yàn)室階段,西安同維公司在磁光式電流互感器方面研究規(guī)模較大,其產(chǎn)品已掛網(wǎng)運(yùn)行;南京新寧、南瑞繼保、西安華偉等公司等均可小規(guī)模生產(chǎn)符合國標(biāo)的有源電子式互感器,產(chǎn)品比較成熟,均已投入電網(wǎng)運(yùn)行。國內(nèi)變電站中應(yīng)用的電子互感器絕大多數(shù)為有源的,在敞開式變電站中比較典型的為云南110kV翠峰變電站及內(nèi)蒙古220kV杜爾伯特變電站,在GIS變電站比較典型的為江蘇110kV圓石變電站及安徽220kV周沖變電站。2水源電子表格結(jié)構(gòu)2.1羅高投資電流模式有源電子式電流互感器一次電流傳感器主要有羅高夫斯基線圈和低功耗鐵心線圈兩種,它可應(yīng)用于敞開式或者GIS變電站。其中,低功耗鐵心線圈與傳統(tǒng)電磁式互感器實(shí)現(xiàn)原理基本一致,主要用于計(jì)量信號(hào)的測(cè)量,但是上海MWB公司也研發(fā)出了保護(hù)用的低功耗鐵心線圈。羅高夫斯基線圈為纏繞在非鐵磁性材料上的空心線圈,不會(huì)出現(xiàn)磁飽和及磁滯等問題。羅高夫斯基線圈原理如圖3所示。根據(jù)相關(guān)電磁關(guān)系,一次電流通過Rogowski線圈環(huán)內(nèi)的一次導(dǎo)線時(shí),線圈兩端的電壓e(t)與一次電流I的關(guān)系式(1)所示。e(t)=?dφdt=?μ0Nh2π1nRαRj?dIdt(1)e(t)=-dφdt=-μ0Νh(huán)2π1nRαRj?dΙdt(1)式(1)中,μ0為真空磁導(dǎo)率,N為繞組匝數(shù),h、Ra和Rj為非磁性骨架材料的高度、內(nèi)徑與外徑大小。可見,羅高夫斯基線圈的輸出電壓與電流變化率成正比關(guān)系,因此通過輸出電壓的積分即可獲取一次電流大小。圖4為在國內(nèi)得到普遍應(yīng)用的一種獨(dú)立支撐型電子式電流互感器結(jié)構(gòu)框圖,高壓側(cè)采用低功率電流互感器和羅高夫斯基線圈采樣,經(jīng)過一系列信號(hào)處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),再通過電光轉(zhuǎn)換經(jīng)由光纖將光信號(hào)傳送到與低壓側(cè)相連的合并單元,進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理。如果應(yīng)用于GIS中,獨(dú)立支撐型電子互感器中的高壓側(cè)信號(hào)處理及光電轉(zhuǎn)換部分均可在GIS外殼處低電位完成,如圖5所示,結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單可靠。2.2電子式電壓傳感及動(dòng)物電抗的基本工作原理有源電子式電壓互感器主要有電阻分壓器原理、電容分壓器原理及串聯(lián)感應(yīng)分壓器原理等實(shí)現(xiàn)方式。目前基于電阻分壓器的電壓互感器最高電壓只能做到132kV,在更高電壓等級(jí)中將會(huì)受電阻功率和準(zhǔn)確度的限制,因此實(shí)際應(yīng)用不多?；陔娙莘謮涸淼碾娮邮诫妷夯ジ衅髦饕獞?yīng)用在GIS和PASS等設(shè)備,其結(jié)構(gòu)如圖5所示,它是將柱狀電容環(huán)套在導(dǎo)電線路上以實(shí)現(xiàn)電壓測(cè)量,原理如圖6所示。為提高電壓測(cè)量的精度,改善電壓測(cè)量的暫態(tài)特性,在電容分壓器的輸出端并聯(lián)一小電阻,它可降低積聚電荷及溫度變化等因素對(duì)低壓電容C2的影響。電容分壓器的輸出信號(hào)uo(t)與被測(cè)電壓ui(t)有如下關(guān)系:uo(t)=RC1duidt(2)uo(t)=RC1duidt(2)式(2)中C1為高壓電容,C2為低壓電容。據(jù)上式,利用電子電路對(duì)電壓傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行積分變換便可求得被測(cè)電壓?；诖?lián)感應(yīng)分壓原理的電子式電壓互感器主要應(yīng)用于戶外敞開式變電站中,原理如圖7所示。它參照了串級(jí)式電壓互感器的原理,由多級(jí)不飽和電抗器串聯(lián)而成的,輸出電壓信號(hào)從串聯(lián)在電路中的小電抗上取出,根據(jù)需要,信號(hào)可以在高壓端取出,也可以在分壓器接地端取出。平衡繞組和耦合繞組的作用是保證感應(yīng)分壓器在不同電壓、不同負(fù)載(允許范圍內(nèi))時(shí),它的各個(gè)電抗器單元的磁勢(shì)平衡,而使各個(gè)單元承受電壓均衡。該串聯(lián)感應(yīng)分壓器的外絕緣采用硅橡膠復(fù)合材料,有很強(qiáng)的抗環(huán)境變化能力。內(nèi)絕緣為固體絕緣材料,整個(gè)裝置中無油、無氣、可靠性強(qiáng)、安全性高。2.3電子式電壓電流傳感及顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)工程需要,可將2.1及2.2所介紹的電壓電流互感器的一次傳感器組合起來,共用信號(hào)采集、傳輸及信號(hào)處理等單元,從而形成一體化的電子式電壓電流互感器,優(yōu)化變電站設(shè)計(jì),節(jié)約空間。如GIS用互感器可形成圖5所示的電子式電壓電流互感器,若是獨(dú)立支撐型電子互感器則采用圖3及圖7所示的一次傳感部分,后續(xù)信號(hào)采集與處理則采用圖4所示的結(jié)構(gòu)。3中小型數(shù)據(jù)模型下運(yùn)行關(guān)鍵問題雖然電子式互感器具有很多優(yōu)越性,但由于其目前還未大范圍推廣應(yīng)用,在各網(wǎng)省公司還主要為試點(diǎn)或掛網(wǎng)運(yùn)行,因此產(chǎn)品應(yīng)用時(shí)仍需分析和總結(jié)一些關(guān)鍵問題,以滿足數(shù)字化變電站建設(shè)和運(yùn)行的需要。根據(jù)文獻(xiàn)以及制造廠、應(yīng)用單位的相關(guān)資料,以下主要針對(duì)目前應(yīng)用比較廣泛的獨(dú)立支撐型有源電子互感器的幾個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行分析。3.1電流式整體環(huán)節(jié)電磁式互感器中由于一、一次線圈絕緣性能不良造成的故障問題在電子式互感器中一般不會(huì)出現(xiàn)。電子式電流互感器高、低壓側(cè)的絕緣結(jié)構(gòu)通常采用光纖合成絕緣子(將光纖掩埋在合成絕緣子的芯棒內(nèi))的形式,這樣就充分利用了合成絕緣子優(yōu)良的絕緣性能,而且完全固體絕緣的電子互感器基本避免了電磁式互感器中易燃、易爆等危險(xiǎn)。對(duì)絕緣考核的方式是國標(biāo)規(guī)定的耐壓及局部放電等試驗(yàn)項(xiàng)目。3.2高壓側(cè)供電電路設(shè)計(jì)有源電子式互感器需要向高壓側(cè)的有源電子電路供電,由于這種供電技術(shù)較為特殊,因此高壓側(cè)的電子器件供電成為有源電子式互感器測(cè)量系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。常見的高電壓側(cè)電子電路供能方式有兩種。其一為線圈從母線采電的供能方式,該供電方式是利用電磁感應(yīng)原理,由普通鐵磁式互感器從高壓母線上感應(yīng)得到交流電電能,然后經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓后為高壓側(cè)電路供電。該方式線圈處在高壓端,絕緣要求低,能大大簡(jiǎn)化其設(shè)計(jì),造價(jià)較低。缺點(diǎn)是母線未供電時(shí)或電流很小時(shí)(<5%),這種供電方式失效。此外,電力系統(tǒng)負(fù)荷變化很大,母線電流隨之變化很大,母線短路瞬時(shí)電流可超過幾十倍額定電流。如此大的工作范圍為電源變壓器和穩(wěn)壓電路的工作帶來嚴(yán)重困難。另一種供電方式為激光供能方式。這種方法采用激光或其他光源從地面低電位側(cè)通過光纖將光能量傳送到高電位側(cè),由光電轉(zhuǎn)換器件(光電池)將光能量轉(zhuǎn)換成為電能量,再經(jīng)過DC-DC變換后,提供穩(wěn)定的電壓輸出。這種供電方式在實(shí)際使用中的可靠性比較高。其缺點(diǎn)主要是目前光電器件的價(jià)格比較高。另外,其主要部件激光晶閘管的工作壽命有限,如果長時(shí)間工作在驅(qū)動(dòng)電流比較大的狀態(tài)時(shí),激光晶閘管容易發(fā)生退化等現(xiàn)象,導(dǎo)致工作壽命迅速降低。因此實(shí)際應(yīng)用中常將上述兩種供能方式結(jié)合起來,即在高壓側(cè)供能模塊內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)切換電路,在正常負(fù)荷時(shí)選擇線圈采電供能,否則采用激光供能方式。除了上述兩種供能方式外,還有高壓電容分壓器供電、蓄電池供能、太陽能供電等方式。3.3全系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)同步合并單元需接入多個(gè)電子式互感器的信號(hào),因此必須考慮各接入量的采樣同步問題,它主要包含四個(gè)層面。(1)同一間隔內(nèi)的各電壓電流量的同步測(cè)量。(2)關(guān)聯(lián)多間隔之間的同步。例如集中式母線保護(hù)、主設(shè)備縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)等裝置均需相關(guān)間隔的電壓電流同步測(cè)量數(shù)據(jù)。(3)關(guān)聯(lián)變電站間的同步,主要用于輸電線路相關(guān)保護(hù)。(4)廣域同步。大電網(wǎng)廣域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(WAMS)需要全系統(tǒng)范圍內(nèi)的同步相角測(cè)量,在未來大規(guī)模使用電子式互感器的情況下,這可能導(dǎo)致出現(xiàn)全系統(tǒng)范圍內(nèi)采樣數(shù)據(jù)同步。采樣數(shù)據(jù)同步的方法有2種:(1)依靠全球定位系統(tǒng)(GPS)秒脈沖信號(hào),即全站及相鄰站采用同一GPS秒脈沖信號(hào),以GPS秒脈沖信號(hào)來調(diào)整所有智能采集模塊的采樣間隔,經(jīng)合并單元匯總后,自動(dòng)實(shí)現(xiàn)各模擬量的同步采樣。這種方法的同步效果取決于GPS秒脈沖的精度及完整性,GPS秒脈沖的丟失可能直接影響同步的精度。(2)采用插值法,這種方法如圖8所示,各測(cè)量環(huán)節(jié)A/D進(jìn)行非同步采樣,而在合并單元中用插值法計(jì)算各路電流電壓量在同一時(shí)刻的采樣值,它不依賴于GPS信號(hào)而完成采樣數(shù)據(jù)的同步,較前一種方法有更高的可靠性。在實(shí)際工程中可同時(shí)使用上述2種方法,即當(dāng)有GPS秒脈沖信號(hào)且完整時(shí),可達(dá)到很高的同步精度,誤差在ns級(jí);當(dāng)GPS脈沖丟失時(shí),同步精度略低,誤差在μs級(jí),仍可滿足保護(hù)和計(jì)量的精度要求。3.4器件噪聲隨機(jī)質(zhì)量的變化國標(biāo)規(guī)定電子式互感器無論型式試驗(yàn)或例行試驗(yàn)必須做準(zhǔn)確度試驗(yàn),因此對(duì)其作誤差分析很有必要。一般電子互感器測(cè)量時(shí)的干擾主要來自兩個(gè)方面:(1)電子式互感器外部。電子式互感器的高壓側(cè)傳感頭處于高電壓、大電流的強(qiáng)電磁環(huán)境內(nèi),其干擾源主要來自于周圍的各種電氣設(shè)備,如附近的變壓器、高壓開關(guān)等。電磁干擾的途徑主要是電磁輻射。(2)電子式互感器內(nèi)部。這部分主要是器件本身的噪聲。該噪聲一般都是隨機(jī)過程,既不能預(yù)知其精確程度及規(guī)律,也不能將其完全消除,但可知其遵循的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,通過一些措施予以控制與減少。另外,對(duì)放大器來說,還存在輸入電壓、電流失調(diào)及其溫度漂移、有限開環(huán)增益和有限共模抑制比等引起的誤差。目前對(duì)電子互感器測(cè)量影響比較大的主要有高壓側(cè)A/D誤差及合并單元信號(hào)處理誤差。前者主要是其進(jìn)行模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中的量化噪聲引起的量化誤差,一般情況下A/D位數(shù)越高,誤差越小;當(dāng)合并單元采用插值法進(jìn)行數(shù)據(jù)同步時(shí),則推算值與實(shí)際值存在著不可忽視的誤差,插值的算法不同,采樣率不同,誤差大小不同。例如當(dāng)采用1階線性差值算法,每周期采樣點(diǎn)數(shù)N=12時(shí),基波最大采樣值誤差為3.42%,諧波誤差更大,所以,必須采用更合適的算法及更高的采樣率以減小誤差。此外,一次傳感線圈的幅值相位特性、光電轉(zhuǎn)換時(shí)硅PIN結(jié)構(gòu)的暗電流、信號(hào)處理時(shí)積分器放大器等均會(huì)對(duì)互感器造成不同程度的誤差。雖然有很多影響互感器測(cè)量誤差的因素,但國內(nèi)主流產(chǎn)品均通過了權(quán)威部門比較全面的誤差試驗(yàn),并且在運(yùn)行時(shí)也與常規(guī)互感器具有可比對(duì)的測(cè)量數(shù)據(jù),甚至具有更好的暫態(tài)特性測(cè)量效果。4電子式整體廣告線網(wǎng)通信系統(tǒng)應(yīng)用分析為驗(yàn)證電子式互感器效果及積累經(jīng)驗(yàn),2007年天津首次在某500kV變電站一條220kV線路間隔加裝了一組有源電子式互感器掛網(wǎng)運(yùn)行,試運(yùn)行中,電子式互感器未發(fā)生事故和異常情況,并且具有很好的準(zhǔn)確度。根據(jù)電子式互感器的試運(yùn)行情況,并結(jié)合上述的工程應(yīng)用分析,天津?qū)⑿陆ㄒ粋€(gè)以電子式互感器及IEC61850(通信協(xié)議)為基礎(chǔ)的220kV數(shù)字化變電站,站內(nèi)所有110kV及以上的互感器將全部采用獨(dú)立支撐型有源電子式互感器,該站預(yù)計(jì)2009年投運(yùn)。該站應(yīng)用的電子式互感器結(jié)構(gòu)如圖9所示。其中電流互感器采用羅高夫斯基線圈,采集器電源采用母線采電及激光供能相結(jié)合方式;電壓互感器采用串行感應(yīng)分壓器,由于采集器處于低電壓區(qū)域,因此主要以220V交流電為主要供能方式。該站110kV、220kV均采用電子式互感器,共45只,另有8只為安裝于中性點(diǎn)的電子式電流互感器。出于經(jīng)濟(jì)性考慮,35kV電壓等級(jí)的