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电气测量新技术电气测量新技术上海交通大学电气工程系罗利文一、电子式互感器一、电子式互感器电磁式互感器问题电磁式互感器问题1）二次侧开路，将会产生高电压，对配电设备甚至人身安全造成危害2）随着电网电压等级的提高，使得互感器造价提高（如2007年电网公司对550kV电流互感器工频耐压的要求从680kV提高至740kV）。3）体积庞大，重量较重,设备安装、检修不方便。4）电磁式互感器的铁心的高频信号响应特性差，对高压线路上的暂态过程不能正常反应5）二次侧输出要求很严格，二次负载的变化导致测量精度下降6）电磁式CT在正常工作时磁密很低，而在发生短路故障时，由于短路电流很大，使磁通密度大大增加，有时甚至远远超过饱和值，从二次侧的电流与原方电流相比，在大小和相角上不可避免地出现误差。7）电磁式互感器具有铁磁共振、磁滞效应等不利于测量的因素，还可能构成电力系统的工频谐振和铁磁谐振。电子式电流互感器的发展电子式电流互感器的发展美国于1988年左右研制出用于161kV的电子式电流互感器，1992年又研制成功了345kV的电子式电流互感器；前苏联研制出电压等级达750kV的频率脉冲调制式的电子式电流互感器，而日本也成功研制出300kV的电子式电流互感器及1000kV的电子式电流互感器测量系统样品。ABB公司的磁光电流互感器（magnet-optic current transformer,MOCT）,电压等级为72765kV，电流测量范围为542000A，准确度为0.2级；光学电压互感器，电压测量范围为69765kV，准确度为0.2级；Nxthphase 公司的光学电流互感器电压的等级为138520kV，测量电流为1-63kA；组合式光学电流电压互感器，测量电流范围1-3000，准确度为0.2级，测量电压范围为138-520kV，准确度为0.2级。德国西门子公司，法国阿海珐（阿尔斯通）均有产品推出市场。电子式互感器的标准化电子式互感器的标准化电子式互感器的标准化工作是由1999年IEC60044-7（电子式电压互感器）和2002年IEC60044-8（电子式电流互感器）的发布开始的。在这两个标准中，串行数字通信协议被标准化。2003年发布了IEC61580-9-2，以太网协议作为标准确立了下来，互感器的输出通过交换机提供给其它通过同样标准连接在网络上的保护、计量等设备。这一系列标准的颁布为电子式互感器的应用和发展奠定了基础。我国互感器标准化技术委员会参照IEC60044-7、8，并结合我国的实际情况，制定了相应的电子式互感器标准，分别是关于EVT和ECT的GB/T20840.7-2007和GB/T20840.8-2007。该标准2007年已经由中国标准化管理委员会颁布。这说明我国电子式互感器已经从研发阶段进入到了实用阶段。电子式互感器分类电子式互感器分类根据标准中的描述，电子式互感器是具有模拟量电压输出或数字量输出，供频率15100Hz的电气测量仪器和继电保护装置使用的电流、电压互感器。它的功能、应用范围和传统互感器是完全一致的，区别在于输出量是可供二次设备直接使用的模拟电压信号或数字量，而且可以根据需要通过软件设定变比。根据电子式互感器工作原理的不同，可以按下图进行分类。电子式互感器电流互感器电压互感器Faraday原理Rogowski线圈Pockels效应阻容分压型LPCT1.1 基于基于Faraday磁致旋光效应的磁致旋光效应的ECTFaraday磁致旋光效应是指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。利用Faraday磁光效应测量电流的电流互感器原理如下：LED（发光二极管）提供一个恒定的光源，光通过光缆中的一根光纤从控制室传输到现场高压区，经过准直透镜M准直后成为平行光束，再经起偏器F变为线偏振光入射进传感头（传感头材料一般由光学玻璃制成，如重火石玻璃），光在传感头内绕导体一圈，在电流磁场作用下，光的偏振面将发生旋转。旋转角正比于磁场强度沿偏振光通过材料路径的线积分。据Faraday磁光效应及安培环路定律可知，线偏振光旋转的角度与载流导体中流过的电流有如下关系：（）式中为传感头材料的Verdet常数。由式（）可知角度与被测电流成反比，利用检偏器将角度的变化转换位输出光强的变化，经光电变换及相应得信号处理便可求得被测电流。其测量原理如图所示。1.2基于Rogowski线圈的线圈的ECTRogowski线圈是俄国科学家Rogowski在1912年发明的，由漆包线或空心螺线管均匀绕制在环形骨架上，骨架采用塑料或陶瓷等非磁性材料，其相对磁导率与空气中的相对磁导率相同。感应电动势e(t)与i(t)产生的磁链的关系：e(t)=d/dt如线圈面积相同，则：e(t)=N*d/dt如在线圈面积内B处处相等（线圈面积足够小），则=B*A=H*A，而HL=Ni，故e(t)=M*di/dt难点：线圈面积足够小，且均匀，测小电流难u（t）经积分变换及A/D转换后，由LED转换为数字光信号输出，控制室的PIN及信号处理电路对其进行光电变换及相应得信号处理，便可输出供微机保护和计量用的电信号1.3 Low Power CTLPCT是一种低功率输出特性的电磁式电流互感器，在IEC60044-8中被列为电子式电流互感器的一种实现形式，代表着电磁式电流互感器的一个发展方向。LPCT主要由电磁式电流互感器CT、取样电阻Rs和信号传输单元组成。一次母线电流被转换为二次小电流is，取样电阻将二次电流转换为正比于一次电流的小电压信号输出；信号传输单元由双层屏蔽绞线和连接端子构成，主要将互感器输出电压信号传递到智能电子设备IED，同时实现外界电磁场屏蔽功能。LPCT与传统电磁式与传统电磁式CT的区别的区别采用高导磁材料取代硅钢片，铁芯体积大大减小二次输出电流只有几mA（电磁式CT为5A或1A），通过取样电阻转换为几十到几百mV的电压信号，可直接送电子放大电路，二次负载大大减轻。设备体积、重量、功耗大幅度减小。LPCT的结构LPCT通通过过一一个个与与二二次次负负载载并并联联的的内内置置取取样样电电阻阻输输出出与与一一次次电电流流成成正正比比的的二二次次电电压压信号信号取样电阻取样电阻LPCT 2.1 阻容分压型阻容分压型EVT主要是由分压器、电子电路和光纤等组成。分压器分为电容分压器、电阻分压器、阻容分压器和串联感应分压器等。被测高压信号由分压器从电网中取出，经信号预处理、A/D变换及LED转换，以数字光信号的形式送至控制室，控制室的PIN及信号处理电路对其进行光电变换及相应的信号处理，便可输出供微机保护和计量用的电信号。电容分压器EVT的原理下图所示。2.2 基于基于Pockels 原理的原理的EVTPockels效应：是指某些透明的光学介质在外电场的作用下，其折射率线形随外加电场而变。Pockels效应又称为线性电光效应。具有电光效应的物质很多，在高电压测量中用的最多的是BGO晶体，这是一种透过率高、无自然双折射和自然旋光性、不存在热点效应的电光晶体。根据电光晶体中通光方向与外加电场（电压）方向的不同，基于Pockels效应的光学电压互感器可分为横向调制光学电压互感器和纵向调制光学电压互感器。LED发出的光经起偏器后为一线偏振光，在外加电压作用下，线偏振光经电光晶体后发生双折射，双折射后两光束的相位差与外加电压U成正比，利用检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。
