電磁式c和p的原理及應(yīng)用

電磁式c和p的原理及應(yīng)用

電氣系統(tǒng)使用電磁式ct（電壓傳感器）和pt（電壓傳感器）測(cè)量一次側(cè)電壓和電壓，并提供二次測(cè)量和保護(hù)設(shè)備的電壓和電壓信號(hào)。電磁式互感器的工作基于電磁感應(yīng)原理,CT的額定輸出信號(hào)為1A或5A,PT的額定輸出信號(hào)為100V或100/3√V100/3V。電磁式互感器的缺點(diǎn)是①絕緣難度大,特別是500kV以上,因絕緣而使得互感器的體積、質(zhì)量及價(jià)格均提高;②動(dòng)態(tài)范圍小,電流較大時(shí),CT會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,飽和會(huì)影響二次保護(hù)設(shè)備正確識(shí)別故障;③互感器的輸出信號(hào)不能直接與微機(jī)化計(jì)量及保護(hù)設(shè)備接口;④易產(chǎn)生鐵磁諧振等。電子式電流、電壓互感器是無(wú)鐵芯、絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、體積小、質(zhì)量小、線性度好、無(wú)飽和現(xiàn)象、輸出信號(hào)可直接與微機(jī)化計(jì)量及保護(hù)設(shè)備接口的電力互感器。現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)、微電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得電子式互感器的發(fā)展及實(shí)用化成為現(xiàn)實(shí)。1電子表達(dá)的工作原理根據(jù)傳感方式的不同,電子式CT、PT可分為無(wú)源光電式CT、PT和有源電子式CT、PT兩類。1.1光學(xué)電壓傳感器的工作原理圖1所示為無(wú)源組合式電壓、電流互感器的結(jié)構(gòu)框圖。光學(xué)電流傳感器是利用Faraday磁光效應(yīng)測(cè)量電流的,如圖2所示。LED(發(fā)光二極管)發(fā)出的光經(jīng)起偏器后為一線偏振光,線偏振光在磁光材料(如重火石玻璃)中繞載流導(dǎo)體一周后其偏振面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)。據(jù)法拉第磁光效應(yīng)及安培環(huán)路定律可知,線偏振光旋轉(zhuǎn)的角度θ與載流導(dǎo)體中流過的電流i有如下關(guān)系:θ=V∫lH·dl=V∮H·dl=V·i(1)式中,V為磁光材料的Verdet常數(shù)。角度θ與被測(cè)電流i成正比,利用檢偏器將角度θ的變化轉(zhuǎn)換為輸出光強(qiáng)的變化,經(jīng)光電變換及相應(yīng)的信號(hào)處理便可求得被測(cè)電流i。光學(xué)電壓傳感器是利用Pockels電光效應(yīng)測(cè)量電壓的,如圖3所示。LED發(fā)出的光經(jīng)起偏器后為一線偏振光,在外加電壓作用下,線偏振光經(jīng)電光晶體(如BGO晶體)后發(fā)生雙折射,雙折射兩光束的相位差δ與外加電壓V有如下關(guān)系:δ=2πλn30γ41ldV=πVπ?(Vπ=λ2n30γ41dl)(2)δ=2πλn03γ41ldV=πVπ?(Vπ=λ2n03γ41dl)(2)式中,n0為BGO的折射率;γ41為BGO的電光系數(shù);l為BGO中光路長(zhǎng)度;d為施加電壓方向的BGO厚度;λ為入射光波長(zhǎng);Vπ為晶體的半波電壓。相位差δ與外加電壓V成正比,利用檢偏器將相位差δ的變化轉(zhuǎn)換為輸出光強(qiáng)的變化,經(jīng)光電變換及相應(yīng)的信號(hào)處理便可求得被測(cè)電壓。1.2電子文件輸出圖4所示為有源電子式CT的結(jié)構(gòu)示意圖。感應(yīng)被測(cè)電流的線圈通常采用Rogowski線圈,Rogowski線圈的骨架為非磁性材料,如圖5所示。若線圈的匝數(shù)密度n及截面積S均勻,Rogowski線圈輸出的信號(hào)e與被測(cè)電流i有如下關(guān)系:e(t)=?dΦdt=?μ0nS?didt(3)e(t)=-dΦdt=-μ0nS?didt(3)e(t)經(jīng)積分變換及A/D轉(zhuǎn)換后,由LED轉(zhuǎn)換為數(shù)字光信號(hào)輸出,控制室的PIN及信號(hào)處理電路對(duì)其進(jìn)行光電變換及相應(yīng)的信號(hào)處理,便可輸出供微機(jī)保護(hù)和計(jì)量用的電信號(hào)。圖6所示為有源電子式PT的結(jié)構(gòu)示意圖。被測(cè)高壓經(jīng)分壓器分壓后,經(jīng)信號(hào)預(yù)處理、A/D變換及LED轉(zhuǎn)換,以數(shù)字光信號(hào)的形式送至控制室,控制室的PIN及信號(hào)處理電路對(duì)其進(jìn)行光電變換及相應(yīng)的信號(hào)處理,便可輸出供微機(jī)保護(hù)和計(jì)量用的電信號(hào)。有源電子式CT、PT的一次高壓側(cè)有電子電路,其電源的供給方式主要有兩類,一類是光供電,即控制室內(nèi)LD發(fā)出的光由光纖送至高壓側(cè),再經(jīng)光電變換轉(zhuǎn)換為電能供電路工作;另一類是利用一小CT從高壓線路上獲取電能供電路工作。2國(guó)內(nèi)外研究下面對(duì)ABB和ALSTOM等公司近年來(lái)研制的有代表性的電子式互感器進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。2.1光學(xué)測(cè)量設(shè)備目前,ABB公司已研制出多種無(wú)源光電式互感器及有源電子式互感器,如磁光電流互感器(MOCTMagneto-OpticCurrentTransducer)、電光電壓互感器(EOVTElectro-OpticVoltageTransducer)、組合式光學(xué)測(cè)量單元(OMUOpticalMeteringUnit)、數(shù)字光學(xué)儀用互感器(DOITDigitalOpticalInstrumentTransformer)等。其電子式互感器已在插接式智能組合電器(PASS)、SF6氣體絕緣開關(guān)(GIS)、高壓直流(HVDC)及中低壓開關(guān)柜中得到應(yīng)用。2.1.1電流和電壓傳感器圖7所示為ABB研制的電流電壓組合式光學(xué)測(cè)量單元(OMU),電流傳感器位于OMU的頂部,電壓傳感器位于OMU的中部,硅橡膠復(fù)合絕緣子內(nèi)充SF6絕緣氣體。電流傳感器的工作基于Faraday磁光效應(yīng),電壓傳感器的工作基于縱向調(diào)制Pockels電光效應(yīng)。圖8和圖9分別為電流傳感器和電壓傳感器的結(jié)構(gòu)。OMU可方便地分解為磁光電流互感器及電光電壓互感器。242VOMU的質(zhì)量為142.9kg,550kVOMU的質(zhì)量為276.7kg。ABB研制的OMU的有關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。2.1.2基于pld的雙系統(tǒng)光電子測(cè)量電壓測(cè)量原理圖10所示為ABB研制的數(shù)字光學(xué)儀用互感器(DOIT)。DOIT是一種有源電子式電流電壓組合互感器,其測(cè)量電流的工作原理如圖11所示,圖中PLD是光致發(fā)光二極管(PhotoluminescenceDiode)。PLD一方面可將波長(zhǎng)為λ1的光轉(zhuǎn)換為電能供高壓側(cè)電路工作,另一方面可將經(jīng)高壓側(cè)電子電路處理后載有被測(cè)電流信息的數(shù)字電信號(hào)轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)為λ2的數(shù)字光信號(hào)。DOIT測(cè)量電壓的原理是利用復(fù)合絕緣子內(nèi)的電容分壓器進(jìn)行分壓,然后用與測(cè)量電流類似的電子裝置進(jìn)行處理。DOIT的有關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2所示。2.1.3電流和電壓的測(cè)量圖12所示為ABB研制的用于PASS和GIS中的有源電子式電流電壓組合互感器。電流的測(cè)量采用Rogowski線圈,電壓的測(cè)量利用電容環(huán)分壓原理。信號(hào)處理單元將被測(cè)電流電壓信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字光信號(hào)進(jìn)行傳輸,信號(hào)處理單元的工作電源由外部提供。2.1.4電子式整體廣的電子式整體廣圖13為ABB研制的用于新型智能化開關(guān)柜(i-ZS1)中的電子式互感器。其電流的測(cè)量基于Rogowski線圈,電壓的測(cè)量基于電阻分壓。2.2alstom公司的電子式整體傳感技術(shù)ALSTOM公司主要研究無(wú)源電子式互感器,目前已研制出123kV至756kV的光學(xué)電流互感器(CTOCurrentTransformerwithOpticalsensors)、光學(xué)電壓互感器(VTOVoltageTransformerwithOpticalsensors)及組合式光學(xué)電流電壓互感器(CMOCombinedMeasurementcurrent-voltagetransformerwithOpticalsensors)等電子式互感器。自1995年以來(lái),ALSTOM公司的電子式互感器已有多臺(tái)在歐洲及北美運(yùn)行。無(wú)源組合式光學(xué)電流電壓互感器(CMO),其電流傳感器的工作基于Faraday磁光效應(yīng),電壓傳感器的工作基于橫向調(diào)制Pockels電光效應(yīng)。電流傳感器和電壓傳感器均位于互感器的頂部,被測(cè)高壓先經(jīng)電容分壓器分壓,然后加至光學(xué)電壓傳感器上。ALSTOM公司研制的電子式互感器的有關(guān)技術(shù)參數(shù)如表3所示。2.3國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀目前我國(guó)有清華大學(xué)、電力科學(xué)研究院、武漢高壓研究所、華中科技大學(xué)、上?；ジ衅鲝S、沈陽(yáng)變壓器制造有限公司、順德特種變壓器廠、西安高壓開關(guān)廠及南瑞繼保電氣有限公司等單位在從事電子式互感器的研制工作,且已有多種樣機(jī)研制出來(lái),但絕大多數(shù)僅限于實(shí)驗(yàn)室階段,還沒有實(shí)用化產(chǎn)品投入運(yùn)行。我國(guó)的電子式互感器的研究還處于跟蹤國(guó)外大公司(如ABB、ALSTOM等公司)的水平。前幾年,國(guó)內(nèi)各單位的研究重點(diǎn)主要是無(wú)源光電式互感器,如華中科技大學(xué)1998年曾研制出110kV光學(xué)電流、電壓互感器,并在廣東新會(huì)掛網(wǎng)試運(yùn)行。近年來(lái),由于有源電子式互感器的技術(shù)較為成熟,且便于工業(yè)化生產(chǎn),國(guó)內(nèi)多家研制單位已開始注重有源電子式互感器的研究,如南瑞繼保電氣有限公司已研制出可用于110kV及220kVGIS的有源電子式電流互感器,實(shí)驗(yàn)表明在(-40～+40)℃范圍內(nèi),其計(jì)量精度達(dá)到0.2級(jí)。3電子式傳感技術(shù)應(yīng)用分析目前,電子式互感器已有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC60044-7(電子式電壓互感器)和IEC60044-8(電子式電流互感器),標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電子式互感器的構(gòu)成、試驗(yàn)及輸出接口等進(jìn)行了規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)的制定將進(jìn)一步規(guī)范并推進(jìn)電子式互感器的研制及推廣應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外研究實(shí)踐表明,電子式互感器具有明顯的技術(shù)和價(jià)格優(yōu)勢(shì),估計(jì)110kV電子式互感器每臺(tái)成本約1萬(wàn)元左右,220kV電子式互感器每臺(tái)成本約2萬(wàn)元左右。因絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,電壓等級(jí)越高,電子式互感器的價(jià)格優(yōu)勢(shì)越明顯。目前研究較為成熟并投入變電站運(yùn)行的主要是有源電子式互感器,應(yīng)用場(chǎng)合主要有高壓直流輸電、SF6氣體絕緣開關(guān)(GIS)及中低壓開關(guān)柜等。無(wú)源光電互感器因其一次側(cè)光學(xué)電