电子式互感器原理及工程应用进展

阐述了电子式互感器的概念、构成原理,及其与传统电磁式互感器相比的主要技术优势;介绍了国内外电子式电流、电压互感器的研究及工程应用情况;指出电子式互感器将成为未来电力系统信号测量和互感器技术发展的必然趋势。     

基于电容分压器原理的电子式电压互感器结构形式

介绍了电子式电压互感器的原理以及基于电容分压器原理的电子式电压互感器结构型式。电力系统的电压测量广泛采用电磁式电压互感器和电容式电压互感器。随着电网电压等级的提高,传统电压互感器因其存在铁磁谐振、绝缘结构复杂、造价高、体积大而笨重等缺点,难以满足系统需要。另外,随着电力系统往数字化和智能化方向发展,传统的电磁式电压互感器及电容式电压互感器不能提供数字接口,故无法满足电站需求。这就促使了电子式电压互感器(以下简称EVT)的飞跃发展。     

电子式互感器

电子式互感器能够直接提供数字信号给计量、保护装置,有助于二次设备的系统集成。引发电力系统自动化装置和保护的重大变革,它在我国的推广应用已经启动。介绍光学电流互感器、空心电流互感器、低压电流互感器、光学电压互感器及电容分压式电压互感器的原理;电子式互感器的结构,光学电流、电功率互感器或电流／电压组合式互感器在变电站运行的一般模式;电子式互感器的优点：不合铁心,消除了磁饱和;消除了铁磁谐振,抗干扰能力强;绝缘性能优良;适应电力计量与保护数字化、微机化和自动化发展;动态范围大,测量准确度高;频率响应范围宽,对电力系统故障响应快速;经济性好。电子式电压、电流互感器国际标准有IEC 60044-7和IEC 60044-8,我国已完成IEC标准转换成国标的工作,电子式电压互感器国家标准为：GB／T 20840．7—2007,电子式电流互感器国家标准为GB／T 20840．8—2007。最后给出部分产品的性能特点。     

电子式互感器的现状与发展前景

随着电力传输容量的增加,运行电压等级越来越高,传统的电磁式电流、电压互感器暴露出如绝缘要求高,磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、频带窄以及有油易燃、易爆炸等一系列缺点。基于光学和电子学原理的电子式电压、电流互感器(分别简称为EVT和ECT)经过30多年的发展以其独特的优点,成为最有发展前途的一种超高压条件下电压、电流的测量设备。早期的电子式互感器一次侧和二次侧通过光纤来传输信号,也称为光电式互感器。2002年,IEC根据新型电子式电压、电流互感器的发展趋势,制定了关于EVT的IEC60044-7标准和ECT的IEC60044-8标准,明确了电子式互感器的定义及相应的技术规范。根据IEC60044-7标准,EVT采用电阻分压器、电容分压器或光学装置作为一次转换部件,利用光纤作为一次转换器和二次转换器之间的传输系统,并装有电子器件作测量信号的传输和放大,具有模拟量电压输出或数字量输出。根据IEC60044-8标准,ECT采用传统电流互感器(CT)、霍尔传感器、Rogowski线圈或光学装置作为一次转换部件,利用光纤作为一次转换器和二次转换器之间的传输系统,并装有电子器件作测量信号的传输和放大,具有模拟量电压输出或数字量输出。电子式互感器的分类与特点电子式互感器的分类几十年来,电子式互感器产品的种类已经被开发出很多,根据原理的不同,电子式互感器可分为无源式和有源式2类。所谓无源式电子互感器是指高压侧传感头部分不需要供电电源的电子式互感器,而有源式电子互感器是指传感头部分需要供电电源的电子式互感器。无源式电子互感器的优点是在传感头部分不需要复杂的供电装置,整个系统的线性度比较好,缺点是传感头部分有复杂而不稳定的光学系统,容易受到多种环境因素的影响,影响了实用化的进程,虽然各国学者不断的提出新方法以提高测量准确度,各种方法部在实验室条件下取得了一定成果,但都不同程度地存在着通用性差、装置复杂等缺点,未能有效克服这个困难,其研究还有待进一步深入。有源式电子式互感器的原理大都比较简单,已被广泛接受。无源式EVT主要利用传统的电阻分压器、电容分压器以及单个电容器测量电压值。在有源式ECT中,作为一次电流采样传感头的元件有传统的电磁式电流互感器、分流器和Rogowski线圈等。20世纪90年代以来,无源式电子互感器在实用电子式互感器的开发及应用状况由于电子式电流互感器具有多方面的优点,国外对于电子式互感器的研究已有30多年的历史,投入了较大的人力物力,不断推进电子式互感器的发展,相关行业的一些大公司已经迈向产品化,市场化的道路。ABB公司作为国际上提供标准化光学电流和电压传感设备的领先者之一,已研制出多种无源电子性方面显示出优势,受到了人们的重视,各国学者在供能方式、信号调制方式以及提高系统测量准确度等方面进行了大量的研究和实验,并有现场挂网的经验,国外一些知名大公司已有市场化的产品。     

电子式电流互感器和数字化发电机保护在水电巨型机组上的应用

介绍电磁式电流互感器和电子式互感器的原理及优缺点,阐述柔性光学电流互感器和数字化发电机保护在某电站600MW巨型机组上的应用,并对电子式互感器及数字化继电保护在水电站的应用提出见解和展望。     

影响中压电子式互感器准确度问题的研究

中压电子式电压互感器和电流互感器在试验和运行中暴露出了一系列的问题,笔者主要针对电子式电流互感器的饱和特性以及电子式电压互感器的温度特性进行讨论。非线性励磁特性的电流互感器通常都是由闭合铁心制成的,在大多数情况下,由于在过渡状态中铁心饱和,而使这种电流互感器变换一次电流的周期性分量产生的误差大大超过容许值。同时分析铁心带气隙的电流互感器,总结了铁心有非磁性气隙的特点。介绍了基于电阻分压原理的电子式电压互感器的原理及结构,分析了影响其温度特性的因素,提出采用热敏电阻的温度补偿办法提高中压电子式电压互感器温度稳定性。     

Rogowski线圈的动模实验研究

介绍了基于Rogowski线圈传感的电子式电流互感器在与电磁式电流互感器并联运行时的实验结果,并以变压器差动保护为例对两种传感器的保护特性进行了比较分析研究.实验结果表明:在保证传感器绕制工艺和合理选择信号处理电路结构参数的情况下,与电磁式电流互感器相比,基于Rogowski线圈原理的电子式电流互感器能准确反映一次侧暂态电流的变化情况,具有无饱和、测量准确、响应速度快的特点,完全满足电力系统的保护和控制对电流信号采样的要求.     

Rogowski线圈的动模实验研究

介绍了基于Rogowsk i线圈传感的电子式电流互感器在与电磁式电流互感器并联运行时的实验结果,并以变压器差动保护为例对两种传感器的保护特性进行了比较分析研究。实验结果表明:在保证传感器绕制工艺和合理选择信号处理电路结构参数的情况下,与电磁式电流互感器相比,基于Rogowsk i线圈原理的电子式电流互感器能准确反映一次侧暂态电流的变化情况,具有无饱和、测量准确、响应速度快的特点,完全满足电力系统的保护和控制对电流信号采样的要求。     

应用电子式电流互感器的变压器差动保护研究

电磁式电流互感器在电力系统故障情况下可能发生饱和，常导致继电保护装置误动或拒动。利用电子式电流互感器无饱和的特点，在动模试验环境下，研究了应用电子式电流互感器的变压器差动保护性能，指出电子式电流互感器采用空心线圈，没有饱和现象，可正确反映故障情况下各次谐波含量，提高变压器保护区外故障时动作的安全性、区内故障时动作的可靠性以及基于谐波制动原理的差动保护动作速度。结合实际应用中的问题，指出GPS硬件时钟同步法是解决数据同步采样问题的优选方案，并对应用电子式互感器的差动保护新原理的研究进行了简要探讨。     

应用电子式电流互感器的变压器差动保护研究

电磁式电流互感器在电力系统故障情况下可能发生饱和，常导致继电保护装置误动或拒动。利用电子式电流互感器无饱和的特点，在动模试验环境下，研究了应用电子式电流互感器的变压器差动保护性能，指出电子式电流互感器采用空心线圈，没有饱和现象，可正确反映故障情况下各次谐波含量，提高变压器保护区外故障时动作的安全性、区内故障时动作的可靠性以及基于谐波制动原理的差动保护动作速度。结合实际应用中的问题，指出GPS硬件时钟同步法是解决数据同步采样问题的优选方案，并对应用电子式互感器的差动保护新原理的研究进行了简要探讨。     

计及电子式电流互感器的差动保护性能分析

电磁型电流互感器(current transducer,CT)饱和是造成差动保护误动的重要原因,为此采取的差动保护抗CT饱和措施使保护算法和判据更加复杂,可靠性降低。电子式电流互感器(electronic current transducer,ECT)具有无磁饱和等优点,可从根本上解决上述问题。文章在分析、比较基于3种不同CT特性的比率制动差动保护动作特性的基础上,给出了相应的动作区示意图,并指出采用ECT可显著提高差动保护的灵敏性;在基于全电流的采样值差动保护中,光学电流互感器具有无可比拟的优点。此外,给出了光学电流互感器与基于IEC 61850标准的光纤纵差保护装置的应用接口设计方案。     

变压器和应涌流分析

以2台单相变压器并联运行为例,利用励磁涌流偏向时间轴一侧的特点,解释了和应涌流的产生机理及其变化特点,指出和应涌流产生的本质原因是由于合闸变压器励磁涌流流过系统电阻使得其他变压器工作母线电压偏移,导致铁芯饱和造成的。初步分析了系统电阻、线路阻抗、空投变压器不同剩磁以及运行变压器二次侧负载对和应涌流的影响,讨论了和应涌流对变压器差动保护和后备保护的危害,其非周期分量长期作用引起的电流互感器局部暂态饱和以及差流中二次谐波含量降低是造成差动保护误动的主要原因。提出了相应的防范措施:在条件允许的情况下将电流互感器从P级更换为TP级以防止其暂态饱和;在满足灵敏度要求的前提下适当提高发电机及变压器差动保护的定值;尽量避免可能产生和应涌流的运行操作;正确整定变压器电流距离保护的各段定值;利用二次谐波分量构成零序二次谐波制动判据防止差动保护误动;寻求更可靠的主保护原理或完善纵差保护原理。     

光纤电流互感器对变压器差动保护影响的探讨

光纤电流互感器的应用显著改善了继电保护动作的准确性。光纤电流互感器在变压器差动保护的应用,从根本上解决了电磁感应式电流互感器磁饱和造成的差动保护误动作,并使得励磁涌流的暂态保护可以得到实际应用;最后讨论了光纤电流互感器对变压器差动保护的其他影响。     

自适应电流速断保护中实时计算系统参数算法研究

研究了自适应电流速断保护中实时计算系统等值参数的一种傅氏算法。首先,分析了一般全周傅氏算法在计算系统等值内阻抗时的实现方法．计算示例显示该方法由于受短路电流非周期分量的影响,会产生很大的误差。然后,研究了带补偿的傅氏算法计算系统等值内阻抗的实现方法,应用相同的计算示例对各种不同相电势初相角下的系统等值内阻抗进行了计算。结果表明带补偿的傅氏算法具有很高的精度。最后,提出了利用记忆在计算机存储器内的故障前测量电压、电流采样值计算系统等值相电势的方法,并用计算示例证实了算法具有很高的精度。     

多端线路差动保护改进算法的研究

针对传统差动保护在T型以及多端线路保护中出现的问题,以两端输电线路纵向阻抗的计算方法为基础,提出了一种适用于多端线路差动保护的改进算法。所提算法以发生故障时线路各端电流故障分量的相量和作为动作量,以任意两端之间最大的电压故障分量差与该两端线路的串联正序阻抗比值作为制动量。同时,上述数据之间彼此独立且可以相互转化,确保了保护能够在系统正常运行的情况下准确区分出区内、区外故障。通过对三相输电线路合理的解耦算法,达到了消减相间电磁耦合的目的,使所提算法实现分相判别的功能。在EMTP软件中,建立了高压多端输电线路模型,仿真结果表明,所提算法具有良好的状态判别能力,整定简单、判别裕度大,可靠性高,同时能够有效抵御线路电容电流和电流互感器饱和所带来的影响,具有较好的工程推广前景。     

基于光电互感器的数字式母线保护

基于传统电流互感器的微机母线保护在母线发生区外故障时,常因对电流互感器饱和处理不周而引起保护不正确动作。为彻底解决电流互感器饱和对母线保护影响,开发了基于数字式光电互感器的数字式母线保护装置。对目前主流的光电互感器OET700进行充分研究后,从软硬件方面给出相应解决方案。硬件方面采用多CPU系统,将数据采集、保护逻辑、人机交互的功能分别由单独CPU处理,有效解决母差保护的资源问题。针对光电互感器无饱和、有谐波、有坏数、有削波等特点,软件方面采用比率制动、傅氏差动、坏点监测等机制,给出了相应解决方案。实际运行证明,该母差保护完全满足电力系统数字式变电站的要求。     

利用单端电流的同杆双回线准确故障定位研究

基于线路分布参数模型,提出了一种利用单端工频电流量的同杆双回线准确测距算法:通过同杆双回线解耦可以得到同向和反向分量,其中反向分量与系统参数无关,并且反向各序电流分布系数是只包含故障距离x的函数。再根据不同故障的反序电流、电压边界条件,可以给出各种双回线接地故障(单线三相故障和同名跨线故障除外)的测距算法。该算法原理上不受过渡电阻、系统阻抗、分布电容的影响。并且由于算法只利用电流量,从而不受电压互感器传变特性的影响。并从理论上证明了测距精度不受电流互感器特性的影响。测距方程求解不存在伪根,具有唯一解。仿真计算结果表明,该算法具有较高的测距精度,最大测距误差仅为0.15%,理论上能够满足高压和超高压输电线路的测距要求。     

电子式电流互感器传变特性测试与分析

目前,由于缺乏有效而实用的综合测试平台,开展不同原理电子式电流互感器(ECT)在实际工况下的计量准确度和保护传变特性试验还很少。文中分析了影响ECT准确度和传变特性的关键因素和环节,研制出能够模拟不同运行负荷、环境条件、功率因数、通信异常、一次侧故障等工况下电子式互感器性能测试研究平台,开展了ECT稳态准确度测试、ECT谐波特性与频率混叠测试以及故障下的ECT暂态特性测试。对不同厂家不同原理的ECT测试,发现在稳态误差方面低功率电流互感器测量准确度以及稳定性优于全光纤电流互感器。谐波特性方面随着频率增加,低功率电流互感器的比值误差相对稳定,而罗氏线圈会增大,相位误差两者总体呈现增大趋势;各厂家ECT均存在不同程度频率混叠;全光纤电流互感器能够可靠地传变故障引起的暂态量,而低功率电流互感器在含有直流分量下易饱和,罗氏线圈电流互感器受积分环节影响很大,容易出现超差。     

短路电磁暂态过程对距离保护影响的仿真分析

以消除短路电压、电流中的非工频分量对距离保护的影响为目的,利用Matlab/Simulink搭建了输电线路接地距离保护的仿真模型,针对短路后电磁暂态过程对距离保护的影响进行了仿真。仿真结果表明,短路的电磁暂态过程影响距离保护元件的动作行为,导致错误的比相结果,造成距离保护元件的不正确工作。另外,故障类型、故障角、故障位置的不同对距离保护元件的影响程度也不同。滤除短路电压、电流中的非工频分量可有效地减小电磁暂态过程对基于工频量的距离保护的影响,采用FIR数字滤波器进行滤波,基本达到了满意的效果。