电子式互感器在特高压变电站应用的可行性探讨

第26卷　第10期
2005年10月
电　力　建　设
Electric Power Constructi on
Vol .26　No .10
Oct,2005　
・设备与材料・
电子式互感器在特高压变电站应用的可行性探讨
李　苇
(中南电力设计院,武汉市,430071)
[摘　要]　电子式互感器是采用磁光、电光变换原理或由无铁芯线圈构成的新型互感器。

它与常规电磁式或电容式
互感器比较,具有结构紧凑、体积小、抗电磁干扰和易于数字信号传输的优点,非常适于在特高压变电站中采用。

但是,电子式互感器应用在特高压变电站时,要注意互感器二次参数的选择和匹配。

[关键词]　电子式互感器　特高压变电站　Rogowski 线圈
中图分类号:T M45　文献标识码:B 文章编号:1000-7229(2005)10-0056-03
App licable D iscussi on of Electronic I nstrument Transfor mers in EHV Substati ons
L iW ei
(Central South Electric Power Design I nstitute ,W uhan City,430071)
[Keywords]　electr onic instrument transf or mer;EHV substati on;Rogowski coil
常规电磁式电流、电压互感器或电容式电压互感器,在高压、超高压电力工程的应用中,由于系统
电压的增高,致使互感器的绝缘结构复杂、体积增加,造价也随之升高,同时电磁式电流互感器还存在着磁饱和、铁磁谐振、动态范围小等缺点,已难以满足电力系统的应用发展要求。

因此,采用磁光、电光变换原理或由无铁芯线圈构成的新型电子式互感器应运而生,它具有抗电磁干扰、不饱和、测量范围大、体积小等优点,顺应电力设备的高可靠性、自动化和小型化要求。

特别是随着GI S 、H -GI S 的普遍应用和特高压变电站的建设,电子式互感器在工程应用上的可行性研究已显得刻不容缓。

1　电子式互感器的定义与结构
I EC60044—7、I EC60044—8国际标准是关于新
型制造的、具有模拟电压量输出或数字量输出的电子式互感器设备标准,该互感器用于正常频率15～100Hz 的电子测量仪表和电子保护装置。

根据I EC
标准给出的定义,电子式互感器包括一个或多个电流或电压传感器、传输系统、二次转换器(SC ),相互连接后将与被测信号成比例的测量量传送至测量仪表、保护或控制装置。

I EC60044-8给出了电子式
电流互感器的基本构成方框图(图1)。

图1　单相电子电流互感器方框图
电子式仪用互感器的数字接口通过合并单元
(MU )实现,MU 可以是互感器的组成部分之一,也可以是位于控制室的独立的单元,它可组合12路SC 的数据通道,每路通道传送从ECT (电子式电流互感器)或EVT (电子式电压互感器)采样的测量值数据。

对多相或组合单元,几个数据通道有可能经SC 的一个物理接口传送信号。

MU 对电流、电压的采样值实现同步。

SC 还可用于常规互感器电流、电压信号的采集并集成于组合单元MU 。

I EC60044-8给出了具有数字量输出的电子式电流互感器的方框图(图2)。

根据一次传感器类型不同和高压区传感器是否需要辅助电源,电子式互感器可分为无源光电式和
收稿日期:2005-06-28
作者简介:李苇(1961-),女,教授级高工,长期从事发电厂、变电站电气二次线设计。

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图2　具有数字输出的电子式电流互感器方框图
有源电子式2类。

采用Faraday 效应原理构成的的磁光式电流传感器和采用Pockels 效应原理构成的电光式电压传感器,一次侧测光学电流,其光信号可直接从高压区经光纤传送至低压区二次设备,不需要在高压区另加辅助电源,故称为无源光电式互感器。

该类互感器由于光学传感器制作工艺复杂,其稳定性、一致性等性能指标在一定程度上限制了它的应用。

采用Rogowski 线圈、电阻或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,在高压区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区二次设备,因此高压区必须配备辅助电源,故称为有源式电子互感器。

该类互感器的国内、外制造厂商均有较为成熟的产品投放于市场,特别是在高压直流换流站、500k V 串补站等电力工程中有较为广泛的应用。

下面以Rogowski 线圈构成的电子式电流互感器为例,简略介绍其原理及结构。

一次电流传感器采用Rogo wski 空芯线圈,由非磁性材料骨架构成,二次绕组缠绕其上,如图3所示。

该传感器线性度极好,不会饱和亦无磁滞现象,具有良好的稳定性能和暂态响应。

在负荷为高阻抗时,线圈的输出电压e 与被测电流i 有如下函数关系:
e (t )=(d Φ/d t )=μ0NA ・(d i /d t )式中　μ0—
——真空导磁率;　N ———匝数密度,匝/m 2
;　A ———单匝界面,m 2。

由上式可知,空芯线圈的输出电压与一次电流的微分成正比,通常再经过一次积分使输出电压正比于一次电流。

该输出电压为弱电信号,应用于中
低压系统时,该测量信号可直接引接至测量及控制保护等二次设备。

应用于高压、超高压系统时,低电
压信号需经积分、A /D 、光电LE D 变换成光纤数字信号后再引接至二次设备。

传输转换回路如图4所示。

图3　Rogowsk i
线圈
图4　有源电子式CT 结构示意图
其中Rogo wski 线圈、A /D 和LED 等变换单元均
集成布置在高电压区,光纤数字信号通过敷设在支柱绝缘子中的光缆传送至二次设备。

高压区所需的辅助电源通常采用激光供电方式,即通过传送信号的光缆将激光能量送上去,再经光电变换转换为电能供各电子电路工作。

2　电子式互感器的特点与二次设备应
用要求
继电保护、计量仪表及测控装置等二次设备近年来已普遍采用微机型,具有功耗低、抗电磁干扰要求高和便于数字变换与传输的特点,与新型电子式互感器的应用场合似乎较为接近。

但实际上,互感器的精度等级与二次侧输出参数和与之相连的二次设备完全匹配和适应,才是电子式互感器应用于工程的关键所在。

电子式互感器的精度等级与常规互感器差别不大。

以电流互感器为例,测量用CT 的标准精度为0.1、0.2、0.5、1、3、5级,供特殊用途的为0.2S 和0.5S 级;保护用CT 的标准精度为5P 、10P 和5TPE,其中5TPE 的特性考虑短路电流中具有非周期分量的暂态情况,其稳态误差限值与5P 级常规CT 相同,暂态误差限值与TPY 级常规CT 相同。

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常规互感器二次输出侧以1A、5A或100V的信号形式与电能量表计、控制保护等二次设备相连接,多年来已得到广泛的应用,目前绝大多数二次设备厂商提供于市场的产品亦是按此匹配的。

而电子式仪用互感器的二次输出参数则完全不同,它具有2种输出方式:模拟量输出和数字量输出,下面以电流互感器为例进行说明。

根据I EC60044—8给出的参数,电子式电流互感器模拟量输出为二次电压,以均方根值表示的额定二次电压U sr的标准值为22.5,150,200,225mV 和4V,其中200mV输出值用于保护,4V输出值用于测量。

额定二次负载的标准值为2kΩ～20kΩ～2MΩ,总负载应大于或等于额定负载值。

根据I EC60044的规定,电子式电流互感器数字量输出采用点对点连接方式,其物理层和链路层接口方式可采用I EC61850—9—1标准描述的以太网,也可采用本标准描述的方式,即物理层可以是光接口,也可以是电接口。

标准传输速率为2.5Mb/s,其中光纤接口采用BF OC连接器(ST型连接器),也可采用SC型连接器,电接口采用E I A RS-485标准。

链路层采用I EC60870—5—1标准描述的FT3帧格式。

对应用层应用数据服务单元,I EC标准也给出了通用数据帧格式,其中一些标识符(如逻辑节点名和逻辑设备名)包括在数据格式中并被定义,以与I EC61850—9—1标准兼容。

然而,当前电力工程中广泛使用的各保护设备、故障录波装置、线路故障定位装置、电能量及测量仪表、测控及自动装置等二次设备,其输入端首先经交流插件变换器将常规互感器的交流电流、电压信号转换成小电压信号,再经滤波和A/D,将采样信号以数字量形式送DSP处理器进行运算和逻辑判别。

由此可见,电子式互感器二次侧输出方式与常规互感器相差较大,现有二次设备输入端口要实现与电子式互感器的无缝连接和匹配,相关二次设备制造厂商均需对其产品进行升级换代,增加支持I EC61850—9—1或I EC60044—7、I EC60044—8标准中描述的相关数字通信接口,以替代现有产品的数据采集回路。

3　电子式互感器在特高压变电站应用的可行性
特高压变电站对互感器的使用提出了比500k V 变电站更高的要求。

例如具有高机械强度和承受更高的动热稳定电流水平,满足特高压电网的暂态特性,适于变电站强电磁环境等。

从电气一次设计来看,特高压配电装置的间隔跨距是常规500k V变电站的2倍左右。

电子式互感器具有结构紧凑、体积小、抗电磁干扰和易于数字信号传输的特点,非常适于在特高压变电站中采用。

与常规互感器相比,电子式互感器在布置上更具灵活性。

据资料介绍,日本1000k V特高压试验场就应用了光电互感器技术。

电子式互感器应用在特高压变电站的另一个重要方面,是要注意互感器二次参数的选择和匹配,如接口方式、精度等级、二次负载、二次线圈数量以及在主接线中的具体配置,同时由于电子式互感器一次传感器的构成方式不同,其配置方式和二次侧参数的选取亦有区别。

根据I EC60044—7、I EC60044—8标准中给出的电子式互感器一般结构,本文提出特高压变电站应用电子式互感器的初步考虑,供工程参考:
(1)对测量/计量和保护应用要求,每测量点可配置1套或2套一次电流传感器。

(2)每套保护应配置独立的SC、光纤信号通道、光纤电源通道和信号绝缘子支柱。

(3)每套保护应接入不同的合并单元MU。

(4)当一次采样元件采用Rogowski、且母线保护、失灵保护、线路或变压器保护及故障录波装置引接同一测量点互感器时,各保护及故障录波装置可否共用同一SC和MU元件,需根据合并单元MU的型式确定。

(5)测量/计量装置采用单独的Rogowski线圈时,其SC、光纤通道和MU可与保护共用。

(6)用数字输出的电子互感器,通信接口采用
I EC61850—9—1规定的单向多点光纤以太网或
I EC60044—7、I EC60044—8规定的结构要求。

(7)计量、测控、保护及故障录波装置等二次设备应增加支持I EC61850—9—1和I EC60044—7、I EC60044—8相关数字通信接口,以替代现有产品的数据采集回路。

4　结束语
新型电子式互感器由于具有不同于常规互感器的应用优势,不仅可应用在高压直流换流站、串补站以及高压GI S变电站,在特高压变电站亦应具有广泛的应用前景。

因此,随着特高压变电站工程的推进,还需进一步与互感器和各二次设备厂商密切配合,对两者的互连接口技术进行全面充分的探讨和研究,以提供特高压工程应用的全面技术支撑。

(责任编辑:李汉才)
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