电子式互感器及其在数字化变电站中的应用
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Pockels 效应又称为线性电光效应，普克尔（Pockels）效应就是 指某些透明的光学介质在外电场的作用下，其折射率线性地随外
5 电子式互感器的发展前景 不管是无源光电互感器还是有源电子式互感器均可通过光纤
传输数字信号提供给变电站自动化设备。互感器独立采集电压和
加电场而产生变化。光学电压传感器是利用 Pockels 电光效应测量 电压。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，双折射两光束的相位差与
3 电子式互感器的优点
［参考文献］ ［１］ 赵宇晗．电子式互感器在变电站自动化中的应用研究．华北电力
大学，２００９，４（３）：１～４ ［２］ 南瑞继保．ＰＣＳ－２２１Ａ 电子式互感器线路合并单元技术和使用说明
新型电子式电压、电流互感器的优点非常突出，市场应用前景
书
广阔。其具有以下几方面优点：
［３］ 张德赛，罗道军，彭剑．国内外光电式电流互感器研究现状．四川
新型电子式互感器（ECT、EVT）利用近年来发展起来的光电 子、光通信、激光及微电子技术，能有效地克服传统电力互感器的 缺陷，同时能以光数字信号输出，随着全封闭组合电器和组合电器 的普遍应用和特高压变电站的建设，电子式互感器具有广阔的应 用前景。为电力系统的安全运行、节约成本、优化二次设备提供了 坚实的基础。
有源电子式电压互感器将一次电压通过电容或电阻分压后 直接进行采样，再通过光纤传输测量信号给各种变电站自动化设 备。EVT 有以下特点：
（1）高低电压之间实现了真正的电隔离；（2）采用光纤传送信 号，具有极强的抗干扰性，同时还降低了损耗。
有源电子式电流电压互感器已经进入实用化阶段，在现场投 入运行，其测量精度和长期运行稳定性满足要求，目前有多家制造 商可以提供此类设备。
4 电子式互感器的现场应用
220 kV 白洋淀数字化变电站采用南瑞继保研制的用于 GIS 中的有源电子式电流压组合互感器 （EVCT）。电流的测量采用 Rogowski 线圈，电压的测量利用电容环分压原理。远端模块与相应 的电子式互感器配置，电子式互感器将其采集的电压、电流传递给 其对应的远端模块，这样远端模块得到了一相保护电流、测量电流 和测量电压；一个远端模块 NR1454A 分别同时与一路 Rogowski 线圈、一路低功率铁心线圈和一路电容分压环的输出连接，则一 个线路间隔的三相模拟量通过远端模块的 3 根光纤输出给合并 单元 PCS－221A，如图 2 所示。1 台合并单元完成 1 个线路间隔的 全部模拟量的采集，同时接受母线合并单元 PCS－221B 数据并以 IEC60044－8 的通讯协议上送保护、测控装置。一个线路间隔的所 有模拟量采集可以通过合并单元灵活扩展给多个保护、测控等装 置提供数据。
220 kV 白洋淀数字化变电站是保定供电公司的第一座数字 化变电站，由智能化的一次设备和网络化的二次设备分层构建而 成，通过高速光纤以太网替代传统的以太网和电缆，使站内的一次 设备和二次设备均实现数字化通讯，并具有全站统一的数据建模 及数据通信平台，从而实现智能装置之间的相互联系。
互感器作为电力系统中的重要设备对电力系统的正常运行和 计量起到非常重要的作用。电力系统传统采用电磁式互感器测量 一次侧电流和电压，为二次保护、计量等设备提供电流和电压信 号。由于采用电磁感应原理，存在诸多缺点：
90
Dianqigongcheng yu Zidonghua◆电气工程与自动化
2.2 有源电子式电流互感器的工作原理
1M
2M
作为从电磁式电流互感器向光纤电流互感器的过渡产物的有
源电子式电流互感器已进入实用化阶段。该型互感器的传感头不
FDS
是光学元件，而是采用了传统的空心互感器（即 Rogowski 线圈）。
有源电子式电流互感器一般采用线性化较好的罗氏线圈将一 次侧电流信号通过电磁感应传到二次侧，然后对二次侧电信号进
电子式互感器
电流互感器 ECT
Faraday 磁光效应 （无源）
Rogowski 线圈 （有源）
Pockels 效应 （无源）
电压互感器 EVT
电容分压器 （有源）
图 1 电子式互感器原理分类图 行采样并转换成光信号，通过光纤输出给保护、测控装置等变电站 自动化设备。电子式电流互感器无铁芯、绝缘结构简单可靠、体积 小、质量小、线性度好、无饱和现象。
2 电子式互感器的工作原理
2.1 无源光电流互感器的工作原理 基于法拉第（Faraday）效应原理的电子式电流互感器 Faraday
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。一束线 偏振光通过置于磁场中的磁光材料时，磁场方向与光的传播方向平 行，则出射线性偏振光与入射线性偏振光的偏振平面产生旋转，旋转 角 θ 正比于磁场沿着偏振光通过材料路径的线积分，即：
全球低碳经济的兴起和可再生能源的广泛应用，要求电力系 统应全面提升优化配置，由此催生智能电网的建设。智能电网要以 先进的传感、测量、控制、信息、通信、新型储能和输电等高新技术 为依托，具有数字化、智能化、网络化、双向互动的运行特征，具备 全要素、全方位、全过程的测量、监测、诊断、决策以及自愈等能力， 允许多种可再生能源以电能形式接入，从而提高整个电力系统产 生、输送、供应、耗用、调配电能的效率，实现整个电力系统安全、经 济稳定运行。其中进行数字化变电站建设是实现智能电网的关键 环节。
（1）高低压侧隔离，绝缘简单，性价比高；
电力技术，１９９９，１９（５）：１４～１９
（2）不含铁芯，消除铁磁谐振和磁饱和等问题；
（3）抗电磁干扰性能好，无二次线圈开路高压危险；
（4）测量精度高、动态范围大、频率响应范围宽；
（5）没有因充油而潜在的易燃、易爆等危险；
（6）体积小、重量轻、方便运输和安装。
CB
EVCT
Rogowski 线圈实质上是将一组导体线圈绕在一个非磁性芯上，它
的二次侧负载一般是大电阻；Rogowski 线圈套在一次导电杆上，
实际上是均匀密绕在一环形非磁性骨架上的空心螺线管，其输出 电压 u（t）与被测电流的 （i t）的时间导数成正比。
u（t）=M·d（i t）／dt
ES 远端模块
收稿日期：2010－11－03 作者简介：王虎生（1962—），男，河北保定人，工程师，研究方向： 变电运行。
机电信息 2010 年第 36 期总第 282 期 91
（1）体 积 大 ，绝 缘 结 构 复 杂 ；（2）线 性 工 作 范 围 小 、电 流 较 大 、 CT 易出现饱和现象，使用中不得不将测量 CT 和保护 CT 分开； （3）互感器内部充油，密封不好容易漏油，故障时容易发生爆炸； （4）暂态特性差，易产生铁磁谐振等现象。尤其电流互感器发生故 障时容易饱和，对继电保护装置动作行为影响很大，对差动保护特 别不利。随着电力系统容量增大和电压等级升高，上述各种缺点更 加突出。
乙L2
θ=V H（L）d（L） L1
式中，V 为 Verde 常数，它只与所选的光学材料有关；H 为磁场强 度；L 为通过法第旋光材料的光程长度。当磁场是由于待测载流导 体的电流 i 产生，且光行进的路径围绕载流导体闭合时，由安培环 路定律可知：
乙L2
θ=V H（L）dL=V·N·i L1
式中，N 为光路与电流交链的匝数；i 为导体中流过的电流；V、N 均 为常数。光路闭合后，旋转角 θ 只与闭路内的电流大小有关，与位 置无关。因此，测出偏振光旋转角 θ 就可以测出电流 i。
1 电子式互感器分类及现状
新型电子式互感器主要分为 2 类：无源光电互感器和有源电 子式互感器，如图 1 所示。
无源光电电流互感器依据法拉第磁光效应设计而成，无源光 电电压互感器依据 Pockels 电光效应设计而成，无源光电互感器传 感采用电光晶体，光纤传输。光纤传输具有输入与输出呈现严格的 线性关系、无磁饱和现象、抗电磁干扰能力强、体积小、运输安装方 便等优点，且绝缘问题也易解决，是目前国内外研究的热点。但由 于存在光路较复杂、机械加工难度大、受环境温度影响等问题，有 不少试验样机挂网运行，达到实用化程度的还较少。
有源电子式电压互感器的工作原理为被测高压经电容分压器
电子式互感器的全面推广应用还需要做很多艰苦、细致的工作。但 是由于电子式互感器传感原理上的优势，随着电力系统的不断发 展，新一代的电子式互感器必将取代传统的电磁式电流电压互感 器，使其在建设智能电网的过程中发挥重要作用。
分压后，经信号预处理、A／D 变换及 LED 电光转换，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。
电气工程与自动化◆Dianqigongcheng yu Zidonghua
电子式互感器及其在数字化变百度文库站中的应用
王虎生 王文学
（河北省供电公司保定供电公司，河北 保定 071000） 摘 要：详细介绍了电子式互感器的分类和基本原理，并从实用的角度将电子式互感器与传统电磁式电流电压互感器作了对比，同时对电 子式互感器的发展状况进行了分析。并以保定供电公司 220 kV 白洋淀站的电子式互感器为例，介绍了电子式互感器在实际运行中取得的良好 效果。 关键词：无源光电互感器；有源电子式互感器；EVCT；合并单元
的，通常是采用检偏器将相互垂直的两束出射光变成偏振相同的 检验，南瑞继保的电子式互感器的工作性能良好，完全满足了数字
相干光，产生相干干涉，从而将相位调制光变成振幅调制光，将相 化变电站的需求。根据国内外多年对电子式互感器的研究与实践，
位差的测量转化为光强度的测量，最后获得被测电压值。经光电变 换及相应的信号处理便可求得被测电压。 2.4 有源电子式电压互感器的工作原理
式中，M 是仅取决于线圈尺寸的比例系数，将 u（t）积分便可求得被 测电流；u（t）经积分变换及 A／D 转换后，由 LED 电光转换为数字
合并单元
光信号输出，控制室中的 PIN 及信号处理电路对其进行光电变换
图 2 电子式互感器、远端模块、合并单元装置连接图
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。 2.3 基于普克尔原理的电子式电压互感器
电流信号，采用光纤接口输出数字化信号，各种变电站自动化设备 与互感器的接口方式因而发生变化，改变了过去每个设备自己采 集模拟量的模式，对变电站自动化构成模式必将产生深远影响。
外电压 U 成正比，光的相位变化进行精确的直接测量是极其困难
220 kV 白洋淀数字化变电站于 2009 年投入运行，通过 1 年的
5 电子式互感器的发展前景 不管是无源光电互感器还是有源电子式互感器均可通过光纤
传输数字信号提供给变电站自动化设备。互感器独立采集电压和
加电场而产生变化。光学电压传感器是利用 Pockels 电光效应测量 电压。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，双折射两光束的相位差与
3 电子式互感器的优点
［参考文献］ ［１］ 赵宇晗．电子式互感器在变电站自动化中的应用研究．华北电力
大学，２００９，４（３）：１～４ ［２］ 南瑞继保．ＰＣＳ－２２１Ａ 电子式互感器线路合并单元技术和使用说明
新型电子式电压、电流互感器的优点非常突出，市场应用前景
书
广阔。其具有以下几方面优点：
［３］ 张德赛，罗道军，彭剑．国内外光电式电流互感器研究现状．四川
新型电子式互感器（ECT、EVT）利用近年来发展起来的光电 子、光通信、激光及微电子技术，能有效地克服传统电力互感器的 缺陷，同时能以光数字信号输出，随着全封闭组合电器和组合电器 的普遍应用和特高压变电站的建设，电子式互感器具有广阔的应 用前景。为电力系统的安全运行、节约成本、优化二次设备提供了 坚实的基础。
有源电子式电压互感器将一次电压通过电容或电阻分压后 直接进行采样，再通过光纤传输测量信号给各种变电站自动化设 备。EVT 有以下特点：
（1）高低电压之间实现了真正的电隔离；（2）采用光纤传送信 号，具有极强的抗干扰性，同时还降低了损耗。
有源电子式电流电压互感器已经进入实用化阶段，在现场投 入运行，其测量精度和长期运行稳定性满足要求，目前有多家制造 商可以提供此类设备。
4 电子式互感器的现场应用
220 kV 白洋淀数字化变电站采用南瑞继保研制的用于 GIS 中的有源电子式电流压组合互感器 （EVCT）。电流的测量采用 Rogowski 线圈，电压的测量利用电容环分压原理。远端模块与相应 的电子式互感器配置，电子式互感器将其采集的电压、电流传递给 其对应的远端模块，这样远端模块得到了一相保护电流、测量电流 和测量电压；一个远端模块 NR1454A 分别同时与一路 Rogowski 线圈、一路低功率铁心线圈和一路电容分压环的输出连接，则一 个线路间隔的三相模拟量通过远端模块的 3 根光纤输出给合并 单元 PCS－221A，如图 2 所示。1 台合并单元完成 1 个线路间隔的 全部模拟量的采集，同时接受母线合并单元 PCS－221B 数据并以 IEC60044－8 的通讯协议上送保护、测控装置。一个线路间隔的所 有模拟量采集可以通过合并单元灵活扩展给多个保护、测控等装 置提供数据。
220 kV 白洋淀数字化变电站是保定供电公司的第一座数字 化变电站，由智能化的一次设备和网络化的二次设备分层构建而 成，通过高速光纤以太网替代传统的以太网和电缆，使站内的一次 设备和二次设备均实现数字化通讯，并具有全站统一的数据建模 及数据通信平台，从而实现智能装置之间的相互联系。
互感器作为电力系统中的重要设备对电力系统的正常运行和 计量起到非常重要的作用。电力系统传统采用电磁式互感器测量 一次侧电流和电压，为二次保护、计量等设备提供电流和电压信 号。由于采用电磁感应原理，存在诸多缺点：
90
Dianqigongcheng yu Zidonghua◆电气工程与自动化
2.2 有源电子式电流互感器的工作原理
1M
2M
作为从电磁式电流互感器向光纤电流互感器的过渡产物的有
源电子式电流互感器已进入实用化阶段。该型互感器的传感头不
FDS
是光学元件，而是采用了传统的空心互感器（即 Rogowski 线圈）。
有源电子式电流互感器一般采用线性化较好的罗氏线圈将一 次侧电流信号通过电磁感应传到二次侧，然后对二次侧电信号进
电子式互感器
电流互感器 ECT
Faraday 磁光效应 （无源）
Rogowski 线圈 （有源）
Pockels 效应 （无源）
电压互感器 EVT
电容分压器 （有源）
图 1 电子式互感器原理分类图 行采样并转换成光信号，通过光纤输出给保护、测控装置等变电站 自动化设备。电子式电流互感器无铁芯、绝缘结构简单可靠、体积 小、质量小、线性度好、无饱和现象。
2 电子式互感器的工作原理
2.1 无源光电流互感器的工作原理 基于法拉第（Faraday）效应原理的电子式电流互感器 Faraday
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。一束线 偏振光通过置于磁场中的磁光材料时，磁场方向与光的传播方向平 行，则出射线性偏振光与入射线性偏振光的偏振平面产生旋转，旋转 角 θ 正比于磁场沿着偏振光通过材料路径的线积分，即：
全球低碳经济的兴起和可再生能源的广泛应用，要求电力系 统应全面提升优化配置，由此催生智能电网的建设。智能电网要以 先进的传感、测量、控制、信息、通信、新型储能和输电等高新技术 为依托，具有数字化、智能化、网络化、双向互动的运行特征，具备 全要素、全方位、全过程的测量、监测、诊断、决策以及自愈等能力， 允许多种可再生能源以电能形式接入，从而提高整个电力系统产 生、输送、供应、耗用、调配电能的效率，实现整个电力系统安全、经 济稳定运行。其中进行数字化变电站建设是实现智能电网的关键 环节。
（1）高低压侧隔离，绝缘简单，性价比高；
电力技术，１９９９，１９（５）：１４～１９
（2）不含铁芯，消除铁磁谐振和磁饱和等问题；
（3）抗电磁干扰性能好，无二次线圈开路高压危险；
（4）测量精度高、动态范围大、频率响应范围宽；
（5）没有因充油而潜在的易燃、易爆等危险；
（6）体积小、重量轻、方便运输和安装。
CB
EVCT
Rogowski 线圈实质上是将一组导体线圈绕在一个非磁性芯上，它
的二次侧负载一般是大电阻；Rogowski 线圈套在一次导电杆上，
实际上是均匀密绕在一环形非磁性骨架上的空心螺线管，其输出 电压 u（t）与被测电流的 （i t）的时间导数成正比。
u（t）=M·d（i t）／dt
ES 远端模块
收稿日期：2010－11－03 作者简介：王虎生（1962—），男，河北保定人，工程师，研究方向： 变电运行。
机电信息 2010 年第 36 期总第 282 期 91
（1）体 积 大 ，绝 缘 结 构 复 杂 ；（2）线 性 工 作 范 围 小 、电 流 较 大 、 CT 易出现饱和现象，使用中不得不将测量 CT 和保护 CT 分开； （3）互感器内部充油，密封不好容易漏油，故障时容易发生爆炸； （4）暂态特性差，易产生铁磁谐振等现象。尤其电流互感器发生故 障时容易饱和，对继电保护装置动作行为影响很大，对差动保护特 别不利。随着电力系统容量增大和电压等级升高，上述各种缺点更 加突出。
乙L2
θ=V H（L）d（L） L1
式中，V 为 Verde 常数，它只与所选的光学材料有关；H 为磁场强 度；L 为通过法第旋光材料的光程长度。当磁场是由于待测载流导 体的电流 i 产生，且光行进的路径围绕载流导体闭合时，由安培环 路定律可知：
乙L2
θ=V H（L）dL=V·N·i L1
式中，N 为光路与电流交链的匝数；i 为导体中流过的电流；V、N 均 为常数。光路闭合后，旋转角 θ 只与闭路内的电流大小有关，与位 置无关。因此，测出偏振光旋转角 θ 就可以测出电流 i。
1 电子式互感器分类及现状
新型电子式互感器主要分为 2 类：无源光电互感器和有源电 子式互感器，如图 1 所示。
无源光电电流互感器依据法拉第磁光效应设计而成，无源光 电电压互感器依据 Pockels 电光效应设计而成，无源光电互感器传 感采用电光晶体，光纤传输。光纤传输具有输入与输出呈现严格的 线性关系、无磁饱和现象、抗电磁干扰能力强、体积小、运输安装方 便等优点，且绝缘问题也易解决，是目前国内外研究的热点。但由 于存在光路较复杂、机械加工难度大、受环境温度影响等问题，有 不少试验样机挂网运行，达到实用化程度的还较少。
有源电子式电压互感器的工作原理为被测高压经电容分压器
电子式互感器的全面推广应用还需要做很多艰苦、细致的工作。但 是由于电子式互感器传感原理上的优势，随着电力系统的不断发 展，新一代的电子式互感器必将取代传统的电磁式电流电压互感 器，使其在建设智能电网的过程中发挥重要作用。
分压后，经信号预处理、A／D 变换及 LED 电光转换，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。
电气工程与自动化◆Dianqigongcheng yu Zidonghua
电子式互感器及其在数字化变百度文库站中的应用
王虎生 王文学
（河北省供电公司保定供电公司，河北 保定 071000） 摘 要：详细介绍了电子式互感器的分类和基本原理，并从实用的角度将电子式互感器与传统电磁式电流电压互感器作了对比，同时对电 子式互感器的发展状况进行了分析。并以保定供电公司 220 kV 白洋淀站的电子式互感器为例，介绍了电子式互感器在实际运行中取得的良好 效果。 关键词：无源光电互感器；有源电子式互感器；EVCT；合并单元
的，通常是采用检偏器将相互垂直的两束出射光变成偏振相同的 检验，南瑞继保的电子式互感器的工作性能良好，完全满足了数字
相干光，产生相干干涉，从而将相位调制光变成振幅调制光，将相 化变电站的需求。根据国内外多年对电子式互感器的研究与实践，
位差的测量转化为光强度的测量，最后获得被测电压值。经光电变 换及相应的信号处理便可求得被测电压。 2.4 有源电子式电压互感器的工作原理
式中，M 是仅取决于线圈尺寸的比例系数，将 u（t）积分便可求得被 测电流；u（t）经积分变换及 A／D 转换后，由 LED 电光转换为数字
合并单元
光信号输出，控制室中的 PIN 及信号处理电路对其进行光电变换
图 2 电子式互感器、远端模块、合并单元装置连接图
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。 2.3 基于普克尔原理的电子式电压互感器
电流信号，采用光纤接口输出数字化信号，各种变电站自动化设备 与互感器的接口方式因而发生变化，改变了过去每个设备自己采 集模拟量的模式，对变电站自动化构成模式必将产生深远影响。
外电压 U 成正比，光的相位变化进行精确的直接测量是极其困难
220 kV 白洋淀数字化变电站于 2009 年投入运行，通过 1 年的