第一章　智能电子设备

第一节　电子式互感器

一、电子式互感器的优点

目前电力系统电流/电压的测量主要采用传统的电磁式互感器，其缺点是：绝缘结构复杂、体积大、造价高，运输安装维护困难；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，电流较大，电磁式电流互感器会出现饱和现象，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测控设备接口，须经二次转换和模数转换；电压互感器二次不能短路，电流互感器二次不能开路；电压互感器易产生铁磁谐振等。

与传统的电磁式互感器相比较，电子式互感器有以下几个方面的优点：

（1）电子式互感器的高压侧与低压侧之间只通过光纤连接，实现了高低压的彻底隔离，互感器低压侧不存在开路高压危险。

（2）绝缘性能优良、造价低、动态范围大、无铁芯，不存在铁芯饱和以及铁磁谐振等问题。

（3）频率响应范围宽，暂态响应速度快。电子式互感器测量的频率范围主要由电子线路部分决定，没有铁芯饱和的问题，因此能准确反映一次侧的暂态过程。

（4）体积小、重量轻、结构简单、无渗漏、无污染、安全性能高，不存在因充油而产生的易燃、易爆等危险。

（5）输出形式是高精度的信号，不再是能量形式的输出，不存在负载、容量限制。

（6）输出信号可直接与微机化计量及保护设备接口，简化二次设备。

（7）通信能力强，适应未来数字化、智能化和网络化的生产需要。电子式互感器低压侧可同时输出模拟量和数字量，能实现在线监测和故障诊断，这些都适应了电力系统大容量、高电压，现代电网小型化、微机化和自动化的潮流。

由于传感准确化、传输光纤化和输出数字化需要此种互感器包含电子部件，因此叫电子式互感器。

二、电子式互感器分类及工作原理

根据一次传感器是否需要辅助电源，电子式互感器可分为无源式和有源式两大类，有源式电子式电流互感器（ECT）主要利用电磁感应原理，有源式电子式电压互感器（EVT）则主要采用电阻、电容分压和阻容分压等原理；无源式电子式电流互感器（ECT）主要是利用法拉第（Faraday）磁光感应原理；无源式电子式电压互感器（EVT）主要应用泡克耳斯（Pockels）效应和逆压电效应两种原理，如图1-1所示。

（一）无源电子式互感器

基于法拉第（Faraday）磁光效应原理构成的磁光式电流互感器和基于泡克耳斯（Pockels）电光效应原理构成的电光式电压传感器，一次侧测得光学电流，其光信号可直接从高压侧经光纤传送至低压侧二次设备，不需要在高压侧另加辅助电源，故称为无源式互感器。

1.无源式电流互感器

无源式电流互感器也称为光学电流互感器，它是利用法拉第（Faraday）磁光效应测量电流的。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H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，这种现象称法拉第（Faraday）磁光效应。其实质如图1-2所示，现行偏振光在透明物质（Faraday旋光材料）中传播时，光的偏振面在外磁场作用下发生旋转，旋转的角度θ正比于磁场强度H沿偏振光通过材料路径的线积分，即：

其中：V为磁光材料的Verdet常数，角度θ与被测电流i成正比。

基于Faraday磁光效应的电流互感器主要由光发射部分、光路部分和光接收部分组成，如图1-3所示。

其特点如下：

（1）传感元件和传输元件都是光纤。

（2）输入和输出光路通过同一根光纤，抗干扰能力大大提高，安全可靠性高。

（3）传感光纤环比和结构杜绝了光纤环外的干扰影响。

实际应用中还有一种全光纤式电流互感器，是将传感光纤缠绕在被测通电导体周围，利用光纤的偏振特性，通过测量光纤中的法拉第旋转角间接地测量电流。全光纤式电流互感器的传感头，如图1-4所示。

2.无源式电压互感器

无源式电压互感器也称为光学电压互感器，它是利用Pockles电光效应测量电压的，Pockles电光效应原理是电光晶体在电场作用下会发生折射率改变，这将使得沿特定方向的入射偏振光产生相应的相位延迟，且延迟量与外加电场成正比，如图1-5所示。

LED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BGO晶体）后发生双折射。双折射两光束的相位差δ与外加电压V有如下关系：

式中　λ——入射光波长；

n0——电光晶体的折射率；

γ41——电光晶体的电光系数；

l——电光晶体的光路长度；

d——施加电压方向的电光晶体的厚度。

相位差δ与外加电压V成正比，利用检偏器将相位差δ的变化转换为输出光强的变化，经光点变换及相应的信号处理便可求得被测电压。

基于Pockles电光效应的电压互感器原理，如图1-6所示。

光源发出的单色光通过偏振器后变成线偏振光，由于双折射效应，入射电光晶体的光束会变为互相垂直偏振的两束光；由于电光效应的作用，它们在晶体中传播速度不同，出射时有一定的相位差，与晶体外加电场成正比；可用检偏器把它们变成偏振相同的相干光，从而产生干涉，将相位调制光变成强度调制光，通过光强度测量可获得电压数据。

但由于温度对晶体和光线的影响比较大，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无源电子式互感器实用化和产品化的一个技术难点。

（二）有源电子式互感器

采用罗氏线圈或低功率铁芯线圈、阻容分压器等原理构成的电子式互感器，仍基于常规互感器测量技术，通过传感器采样的被测电流或电压量为弱电电信号，在高压侧需设置转换设备将电信号转为光信号，再经光纤传送至低压侧二次设备，因此需要在高压侧配备辅助电源，故称为有源式电子互感器。

1.有源式电流互感器

有源式电流互感器基于法拉第（Faraday）电磁感应原理，利用有源器件调制技术以及光纤进行信号传输，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信号。它既发挥了光纤系统的绝缘性能好、抗干扰能力强的优点，又明显降低了高电压等级电流互感器的体积、重量和制造成本，同时还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，生产制造工艺相对简单，总体技术比较成熟。

有源式电流互感器一次侧传感单元采用基于低功率铁芯线圈或罗氏（Rogowski）线圈。

低功率线圈电子式电流互感器（简称LPCT），是传统电磁式电流互感器的一种改良型产品。工作原理与传统电流互感器的原理相同，只是LPCT的输出功率要求很小，因此其铁芯截面就很小，它还集成了一个取样电阻，将电流输出转换成电压输出。其原理示意图及等效电路，如图1-7、图1-8所示。

低功率电流互感器（LPCT）的优点是使传统电磁式互感器在非常高（偏移）的一次电流下出现饱和的基本特性得到改善，并因此显著扩大测量范围。总消耗功率的降低，使LPCT有可能准确地测量短路电流，甚至是全偏移短路电流。除了量程比较宽，LPCT的尺寸还可以设计的比传统电磁式电流互感器小。此外，还具有输出灵敏度高、技术成熟、性能稳定、易于大批量生产等特点。但由于有铁芯的存在，无法从根本上解决饱和的问题，所以常用于测量或计量用电流互感器。

罗氏（Rogowski）线圈是由俄国科学家罗格夫斯基在1921年发明的，二次绕组均匀缠绕在一环形非磁性材料骨架上，相当于空心线圈，从而避免了磁路饱和现象。其测量原理是当均匀绕制在非磁性截面积相同骨架上的线圈中间流过电流时，线圈上感生出来的电压正比于所穿过电流的变化率，由于它不与被测电路直接接触，可以方便地对高压电路进行隔离测量，因此可以将其作为传感元件，用于电子式电流互感器，如图1-9所示。

罗氏（Rogowski）线圈通常由三部分组成，高压侧部分、传导光纤部分和低压侧部分。结构示意图如图1-10所示。

若线圈的匝数密度n及截面积S均匀，罗氏（Rogowski）线圈的输出信号e与被测电流i有如下关系：

线圈的输出e（t）与一次电流的微分成正比，为弱电信号，应用于中低压系统时，可直接作为测量信号引接至测量及控制保护等二次回路，应用于高压、超高压系统时，该低电压信号需要增加一个积分器，使传感器输出与测量电流匹配的电压信号。经过A/D转换后，驱动发光二极管LED将数字电信号转换为数字光信号（E/0），通过光纤传输到互感器低压侧信号处理电路。

由于Rogowski线圈、A/D和LED等变换单元均集中布置在高压侧，并且完全是由电子电路构成，因此必须为之提供相应的电源。目前电源供能方式有两种：一种是采用小的感应线圈从高压线路上获取电能供电子电路使用；另一种是采用激光供电方式，电源能量由低压侧提供，在低压侧的大功率激光器推动激光二极管发光，激光能量通过传送信号的光缆传送到高压侧，再经过光电转换将光能变为电能提供给电子电路。

2.有源式电压互感器

有源式电压互感器一般采用电容分压、阻容分压或电阻分压技术。

电容分压是通过将柱状电容环套在导电线路外面来实现的，柱状电容环及其等效接地电容构成了电容分压的基本回路。考虑到系统短路后，若电容环的等效接地电容上集聚的电荷在重合闸时还未完全释放，便会在系统工作电压上加一个误差分量，严重时还会影响到测量结果的正确性及继电保护装置的正确动作，长期工作时等效接地电容也会因温度等因素的影响而变得不够稳定，所以对电容分压的基本测量原理进行了改进。在等效接地电容上并联一个小电阻R以消除上述影响，从而构成了阻容分压式电压互感器。

电阻上的电压U0即电压传感头输出的信号有如下公式：

原理图如图1-11所示。

阻容分压式电压互感器是利用GIS的特点，将一次导体、中间环形电极及接地壳体构成同轴电容分压器，在低压电容C2上并联精密电阻R可以消除导线等分布电容的影响，结构图如图1-12所示。

其特点是高压低压间以SF6气体绝缘，绝缘结构简单可靠；采用基于气体介质的电容分压测量技术，精度高、稳定性好；可将电流互感器与电压互感器组合为一体，可实现对一次电流及电压的同时检测。

三、电子式互感器配置原则及技术要求

（1）电子式互感器（含MU）应能真实地反映一次电流或电压，额定延时时间不大于2ms，唤醒时间为零。电子式电流互感器的复合误差不大于5％，电子式电压互感器的复合误差不大于3％。

（2）一套ECT内应具备两个保护用电流传感元件，每个传感元件由两路独立的采样系统进行采集（双A/D系统），进入一个MU，每个MU输出的两路数字采样值由同一路通道进入一套保护装置。

（3）一套EVT内应由两路独立的采样系统进行采集，每路采样系统应采用双A/D系统，进入相应MU，每个MU输出的两路数字采样值由同一路通道进入一套保护装置。

（4）一套ECVT内应同时满足上述（2）、（3）的要求。采样信号进入相应的MU，每个MU输出的两路数字采样值由同一路通道进入一套保护装置。

（5）用于双重化保护的电子互感器，其两个采样系统应由不同的电源供电并与相应保护装置使用同一直流电源。

（6）对于3/2接线方式，其线路EVT应置于线路侧。

（7）电子式互感器采样数据的品质标志应实时反映自检状态，不应附加任何延时或展宽。

根据保护双重化要求，有源电子式互感器采集模块结构图，如图1-13所示。