电子式互感器

电子式互感器总第 !" 卷第 !#$ 期电测与仪表 %&’(!" )&(!#$ *++$ 年第 $ 期 ,’-./01.2’ 3-2450-6-7/ 8 974/056-7/2/1&7 :57( *++$ 电子式互感器赵玉富，陈卓娅，郭洪（河南电力试验研究院，郑州 !;++;*）摘要：本文介绍电子式互感器包括无源电子式互感器（光学电流互感器、光学电压互感器）和有源电子式互感器的工作原理、结构特点和国内外研究进展及应用情况。关键词：电子式互感器；原理；特点；应用中图分类号：++>?>"@+（*...

总第 !" 卷第 !#$ 期电测与仪表 %&’(!" )&(!#$ *++$ 年第 $ 期 ,’-./01.2’ 3-2450-6-7/ 8 974/056-7/2/1&7 :57( *++$ 电子式互感器赵玉富，陈卓娅，郭洪（河南电力试验研究院，郑州 !;++;*）摘要：本文介绍电子式互感器包括无源电子式互感器（光学电流互感器、光学电压互感器）和有源电子式互感器的工作原理、结构特点和国内外研究进展及应用情况。关键词：电子式互感器；原理；特点；应用中图分类号：<3!; 文献标识码：= 文章编号：>++>?>"@+（*++$）+$?++*#?+! ABCD E5?F5G HB,) AI5&?J2G KLD B&7M （B-727 ,’-./01. N&O-0 P-4-20.I 974/1/5/-G AI-7MQI&5 !;++;*G B-727G HI172） !"#$%&’$：97/0&R5.- /I- -’-./0&71. /0274F&06-04G OI1.I 17.’5R- /I- -’-./0&71. /0274F&06S -04 O1/I&5/ T&O-0 45TT’J U&T/1.2’ .500-7/ /0274F&06-0 27R &T/1.2’ ?-’-./01.2’ V&’/2M- /0274F&06-0W 27R /I- -’-./0&71. /0274F&06-04 O1/I T&O-0 45TT’J( X14.544 /I- T017.1T’- 27R F-2/50- &F -’-./0&71. /0274F&06-04G -YT&57R /I- 17/-072/1&72’ 27R 72/1&72’ 0-4-20.I R-V-’&T6-7/ 27R /I- 2TT’1.2/1&7( ()* +,%-#：-’-./0&71. /0274F&06-0Z T017.1T’-Z F-2/50-Z 2TT’1.2/1&7 ./)’$%,01’ 2%&0#3,%4)% 5 前言互感器是为电力系统进行电能计量、测量、控制、保护等提供电流电压信号的重要设备，其精度及可靠性与电力系统的安全、稳定和经济运行密切相关，是电力系统必不可少的设备。随着电力工业发展，电力传输系统容量不断增大，电网运行电压等级越来越高。目前，我国运行的最高电压等级是 [;+\%，>+++\% 的交流输电线路和 #++\% 的直流输电线路正在计划中。目前电力系统电流互感器、电压的测量主要是采用传统的电磁式电流、电压互感器和电容式电压互感器，随着电压等级提高和传输容量的增大，传统互感器暴露出以下缺点：（>）绝缘结构复杂、体积大、造价高；（*）动态范围小，出现的谐波暂态信号容易使保护产生误动作；线性度不好，电磁式电流互感器还会出现饱和现象，影响二次保护设备正确识别故障；（"）输出不能直接与微机化计量及保护设备接口；（!）易产生铁磁谐振、易燃、易爆等。与传统互感器相比，基于光学技术、微电子技术、微机技术的电子式互感器具有无铁芯、绝缘结构简单可靠、体积小、重量小、线性度好、动态范围大、实现了高低压彻底隔离、无饱和现象、输出信号可直接与微机化计量及保护设备接口、无污染、无噪音、具有优越多环保性能等优点。这些恰恰迎合了电力系统发展的需要。 6 电子式互感器工作原理根据 9,H 标准的定义，光电式互感器是一种电子式互感器]>^。从传感头有无电源的角度可以分为无源电子式互感器和有源电子式互感器两大类。 >(> 无源电子式互感器工作原理无源电子式互感器可分为无源电子式电流互感器（也可称为光学电流互感器）和无源电子式电压互感器（也可称为光学电压互感器）两种。 >(>(> 光学电流互感器工作原理光学电流互感器（D#!$ 年 _202R2J 首次发现，磁场不能对自然光产生直接作用，但在光学各向同性的透明介质中，外加磁场 ! 可以使在介质中沿磁场方向传播的平面偏振光的偏振面发生旋转，这种现象称为磁致旋光效应或 _202R2J效应。当一束线性偏振光通过放置在磁场中的 _202R2J 旋光材料（如重火石玻璃）时，若磁场方向与光的传播方向相同，则光的偏振面将产生旋转，旋转角 ! 正比于磁场强度 ! 沿偏振光通过材料路径的线积分]*^，即‘ !"% !!·R#"%·$（>） 78 总第 !" 卷第 !#$ 期电测与仪表 %&’(!" )&(!#$ *++$ 年第 $ 期 ,’-./01.2’ 3-2450-6-7/ 8 974/056-7/2/1&7 :57( *++$ 式中 %为磁光材料的 %-0;-/常数。由式（<）知角度 ! 与被测电流成正比，利用检偏器将角度 ! 的变化转换为输出光强的变化，经光电变换及相应的信号处理便可求得被测电流 !。其测量原理如图 <所示。光学电流互感器中，光学介质（包括光纤、光学玻璃、晶体等）既起高低压之间绝缘隔离的作用，又起对电流进行采样的作用。在光学介质中传播的光波，其状态可以用强度、频率、波长、相位和偏振态等参数描述。当外界信息与光波发生相互作用时，如果作用的结果改变了上述五个参数中的一个，则称为该参数调制。因此，除了上面介绍的偏振态调制型工作原理外，已研究和报道的还有利用光的导模向辐射模转换引起能量变化而制成的强度调制型；利用光波相位变化和干涉技术的相位调制型［"］等的光学电流互感器。 <(<(* 光学电压互感器工作原理光学电压互感器（=>%）主要是利用晶体的 ?&.@A -’4 效应（即线性电光效应）。能够稳定应用于高压测量的晶体并不多，目前应用最多的电光晶体就是 BC= 晶体（即锗酸铋晶体）［"］。=>% 的工作原理如图 * 所示。 D,E（发光二极管）发出的光经起偏器后为一线性偏振光，在外加电压作用下，线偏振光经电光晶体（如 BC= 晶体）后发生双折射，双折射两光束的相位差 "与外加电压 " 有如下关系 "F *#$ #+ " %!< $ % " （*）式中 #+ 为 BC= 晶体的折射率；%!< 为 BC= 晶体的电光系数；$为 BC=晶体中光路长度；% 为施加电压方向的 BC=晶体厚度；$为入射光波长。相位差 "与外加电压 " 成正比，利用捡偏器将相位差 " 的变化转换为输出光强的变化，经光电变换及相应的信号处理便可求得被测电压。根据传光方向与电压（电场）方向的位置关系可分为纵向调制型和横向调制型两种方式，图 * 为横向调制型 =>G 原理框图。光学电流电压互感器的特点是：整个系统线性度好、灵敏度较高、绝缘性能好。其难点是精度和稳定性易受温度与振动的影响。由于温度对晶体和光纤的影响比较大，对晶体加工的工艺要求很高，因此，长期运行中的稳定性问题是光学电流电压互感器实用化和产品化的一个技术难点。 <(* 有源电子式互感器工作原理有源电子式互感器是一种基于传统互感器传感原理、利用有源器件调制技术、以光纤为信号传输媒介将高压侧转换得到的光信号送到低压侧解调处理并得到被测电流 H电压信号的新型互感器。 <(*(< 有源电子式电流互感器工作原理有源电子式电流互感器就是通过一次采样传感器（用空心线圈或小 >I、电阻分流器等）将电流信号传递给发光元件而变成光信号，再由光纤传递到低电位侧，变换成电信号后输出。高压侧电子器件供电方式有光供电、母线电流供电和太阳能电池供电等。下面以目前应用最多的空心线圈的有源电子式电流互感器的工作原理进行说明，它的整个组成原理框图如图 "所示。 J&K&L4@1 线圈实际上是均匀密绕在一环形非磁性骨架上的空心螺线管，即图 " 中的空心线圈，于 O- 3-2A 450-6-7/ &P 32K7-/& 3&/1Q- R&0.-”一文中提出，其输出电压正比于被测电流的变化率，其结构原理如图 ! 所示。图 < 光学电流互感器的传感头图 * 光学电压传感器原理图图 " 有源电子式电流互感器组成原理框图电光晶体检偏器起偏器光纤 !" 总第 !" 卷第 !#$ 期电测与仪表 %&’(!" )&(!#$ *++$ 年第 $ 期 ,’-./01.2’ 3-2450-6-7/ 8 974/056-7/2/1&7 :57( *++$ ;&<&=4>1 线圈 ?!@的截面为矩形或圆形，根据全电流定律和电磁感应定律，可以推导出正方形截面线圈所交链的磁链为 !!" !#A$B" !"+ %*#& A$ （"） B" "+ %’*#& ’7 &( &) 当被测电流 %发生变化时，线圈的输出端所产生的感应电动势为 *"#+ BC A!"$+A+ BC "+"’ *# ’7 &( &) A% A+ （!）式中 % 为被测电流；’ 为骨架高度；" 为线圈匝数；"+ 为真空磁导率；&(为骨架的外径；&)为骨架的内径。由式（!）可知，;&<&=4>1 线圈的感应电动势与线圈的尺寸、匝数以及一次电流有关，受外磁场和通流导体位置的影响小。因此对 ;&<&=4>1线圈的输出电压积分即可还原出被测电流。 D(*(* 有源电子式电压互感器工作原理有源电子式电压互感器主要是由电容分压器（或电阻分压器、阻容分压器）、电子处理电路和光纤等组成。电子电路的工作电源由分压器或者从变电站的电源获取，被测电压信号由互感器或分压器从电网中取出，然后由前端处理电路处理后转换成数字光信号传输到控制室。在控制室由光电转换电路、EFG 处理电路处理后得到保护和计量所需的电压信号，图 H 为有源式光电电压互感器原理框图。有源电子式电压电流互感器的特点是：它既发挥了光纤系统的绝缘性能好、抗干扰能力强的优点，明显降低了高电压等级电流电压互感器的体积、重量和制造成本，又利用了传统互感器原理技术成熟的优势，避开了纯光学互感器光路复杂、稳定性差等技术难点。 ! 国内外研究进展国外对电子式互感器的研究始于二十世纪六十年代，美、德、日、法等国家的许多大电气公司已经开发出了一系列电子式互感器产品，并在世界各地挂网试运行。像比较有名的公司 IJJ、F9,3,)F等公司已经生产一系列电子式互感器产品在世界各地投入运行。我国的天广线、三常线、大房线、三惠线等 H++>% 换流站中已引入国外几百台电子式互感器产品K 如图 $所示。国内对光电互感器的研究始于二十世纪八十年代，像清华大学、中国电力科学研究院、华中科技大学、河南电力试验研究院等单位都在从事电子式互感器的研制工作。河南电力试验研究院与德国 FLM)9,N9)EO 公司合作研制开发的 H++>% 混合电子式电流互感器于 *++H 年 DD 月在河南郑州 H++>% 变电站挂网试运行，整个系统准确度达到 +(*级，如图 P所示。目前运行情况良好，相信不久就能进入实用化阶段。该混合电子式电流互感器的传感器采用传统的电流互感器传感器，根据用途的不同采用不同的传感器，测量采用特殊材料制成的高精度 OI，保护采用动态范围宽、无磁饱和的 ;&<&=4>1线圈。相关的技术参数和试验数据见表 D、表 *［H］。 " 应用前景我国正处于全面建设小康社会时期，要把发展经济与保护环境结合起来，体现人与社会、人与自然的和谐发展，这就对电力系统提出了更高的要求。为了协调发展与环境保护的关系，高电压、长距离输电势图 ! ;&<&=4>1线圈的测量原理图图 H 有源电子式电压互感器原理框图图 $ 三惠线的惠州博罗换流站 IJJ公司的 H++>% 交流电子式电流互感器图 P 河南电力试验研究院与德国 FLM)9,N9)EO 公司合作研制开发的 H++>% 电子式电流互感器线圈 , & - "# 总第 !" 卷第 !#$ 期电测与仪表 %&’(!" )&(!#$ *++$ 年第 $ 期 ,’-./01.2’ 3-2450-6-7/ 8 974/056-7/2/1&7 :57( *++$ 在必行，对承担着计量和保护重要责任的互感器提出了很高的要求。新型电子式互感器的优点恰恰满足了电力发展需要，它将随着加工工艺、材料工艺的提高，微电子技术、微机技术、光子技术的发展，在电力系统将有很广阔的应用前景。参考文献 ;<= 9,>$++!!?#：,’-./0&71. >500-7/ @0274A5.-04B*++*；9,>$++!!?C： ,’-./0&71. %&’/2D- @0274A5.-04;E=，500-7/ @0274R&06-0 R&0 &5/A&&04 174/2’’2/1&7( E>P)9,H9)G@B*++O?+C?+O( 作者简介：赵玉富（总结 *+世纪我国电能测试技术及测量仪器仪表的发展情况，为了使从事该专业的技术人员有一本比较完整的资料，应读者的要求，我刊编辑部从采购人员都是一本实用的参考资料，具有随时查阅和保存的价值。“文集”收工本费 "+ 元，汇款地址如下，请注明汇款人详细地址，邮编（邮编请写在汇款人地址后面），以便您能及时的收到“文集”。联系电话：!"#$%&’’$$!($ 传真：!"#$%&’’)*"*" +,,-.//00012343561783 9%354:：;7<=>2343561783 邮局汇款请寄：哈尔滨市哈平路 $(&号（$#!!"!）《电测与仪表》杂志社（收） *$

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