智能化中压开关柜的在线监测和传感器技术Word文件下载.docx

1、在高压领域，电子式电压互感器一般采用同轴式电容分压器或光电电压互感器器，电流互感器采用上述两种原理或光电电流互感器原理。这些电子式互感器和传统的电磁式互感器相比较均具有下列种种优点。电子式互感器的原理汇总于表1。（1）优良的绝缘性能以及便宜的成本价格电磁感应式互感器的高压母线与二次线圈之间通过铁芯耦合，它们之间的绝缘结构复杂，其造价随电压等级呈指数关系上涨。而电子式电流互感器所用材料为玻璃、光纤、SF6等绝缘材料，所以绝缘结构简单，其造价一般随电压等级升高呈线性增加。表1. 电子式互感器的原理汇总中压领域电压测量电流测量 电阻分压器 电容分压器 感应式宽带传感器 罗哥夫斯基线圈高压领域 阻容分

2、压器 光学互感器（玻克斯效应） 光学互感器（法拉第效应） 混合式光电互感器（2）不含铁芯，消除了磁饱和及铁磁谐振等问题电磁感应式电流互感器由于使用了铁芯，不可避免地存在磁饱和及铁磁共振和磁滞效应等问题，而电子式互感器则不存在这方面的问题。（3）抗电磁干扰性能好，低压边无开路高压危险，低压边短路无过热危险电磁感应式电流互感器二次回路不能开路，低压边存在开路产生高压危险。由于电子式电流互感器没有铁芯，或在二次输出端内部已短接有小电阻，所以在二次开路时不会因为铁芯耦合产生高电压。电子式电压互感器主要是分压器原理，二次短路时也不会产生过热现象，因此从根本上保证了人身及设备安全。（4）动态范围大，测量精

3、度高电网正常运行时，电流互感器流过的电流并不大，但短路电流一般很大，而且随着电网容量的增大，短路电流越来越大。电磁感应式电流互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量，同时满足高精度计量和继电保护的需要。电子式电流互感器有很宽的动态范围，额定电流可测从几十安培到几千安培，过电流范围可达几万安培；一个电子式电流互感器可同时满足测量和继电保护的需要，节约了成本、减小了体积。（5）频率响应范围宽电子式电流互感器已被证明可以测出高压电力线上的高次谐波，还可以进行电网暂态、高频大电流与直流的测量。而电磁感应式电流互感器是难以进行这方面的工作的。（6）体积小、重量轻、节约空间电子式互感器体积和重量一般小于

4、传统式互感器的三分之一。据美国西屋公司公布的345kV的MOCT，其高度为2.7m，重量为109kg。而同电压等级的油浸式电流互感器高为5.3m，重量为2300 kg，这给运输和安装带来了很大的方便。（7）适应了电力计量和保护的数字化、微机化和自动化发展的潮流。随着计算机和数字技术的发展，电力计量和继电保护已日益实现自动化、微机化。电磁感应式电流互感器的5A或1A输出规范必需采用二次电路转换才能与计算机接口，而电子式互感器本事就可直接输出模拟低压电压信号和数字信号，可直接输出给计算机，避免中间的复杂环节。综上所述，电子式互感器有着传统电磁式互感器无法比拟的优点，它结构简单、灵敏度高，是一种传统

5、电磁式互感器的理想替代产品，必将在未来的电力工业中得到广泛的应用。因此，主要发达国家竞相投资研制，电子式互感器已成为互感器的研究热点。2 对变电站自动化系统的影响（1）电子式互感器简化了继保设备目前电力系统中广泛应用以微机为基础的数字保护，不需要大功率驱动，只需弱电压信号就可以了，因此采用电子式互感器不必经过电量变送器等设备就可以将高电压、大电流变换为微机保护所要求的电压、电流水平。电子式互感器模拟输出省去了继保的小CT、PT，电子式互感器数字输出省去了继保的AD采样环节。（2）促进了微机保护的精度和可靠性电子式互感器促进了微机保护的发展，提高了微机保护的精度和可靠性，例如使纵差保护的可靠性大

6、大提高。（3）对电力系统的故障响应速度快，灵敏度高现有的保护装置（包括微机保护）由于受传统的互感器性能的限制，其保护原理基本上是基于工频量进行保护判断的。易受过渡过程和系统振荡、磁饱和等因素的影响，其保护性能难以满足当今电力系统向着超高压、大容量、远距离方向发展要求。利用故障时的暂态信号量作为保护判断，是微机保护的发展方向。它对互感器的线性度、动态特性等都有较高的要求，电子式互感器能满足这一要求，而传统互感器则不能。（4）促进变电站自动化的发展电子式互感器与微机保护接口的标准化将大大促进电子式互感器和变电站自动化的发展。（5）满足电力系统精确计量的要求电子式互感器的测量精度高，可以达到0.2级

7、，测量范围宽；输出数字信号，更方便与数字电能表接口；可动态显示和存储电能、有功/无功功率等参数。电子式互感器更容易满足电力系统精确计量的要求。（6）可方便实现电力系统自动化功能将电压、电流传感器集于同一绝缘结构中，构成组合型电子式互感器，大大提高性价比；电子式互感器不仅可以做成独立式的互感器，而且可以安装在GIS、PASS等高压开关和变压器的电流套管中，与其它传感器一起，使一次设备智能化和多功能化。（7）有利于实现变电站数字化、光纤化和智能化电子式互感器的信号和传输形式都可以采用光缆（光纤）实现，而光信号的突出优点和光纤通讯技术的广泛采用使得变电站内部以及和上级站之间的数据输出更加可靠和迅速。

8、电子式互感器与光纤通讯技术和微机相结合组成光纤局域网应用于电力系统是变电站自动化的一个重要的发展方向。开创了未来光纤化变电站的美好前景。3 中压电子式互感器3.1 小信号电流互感器铁芯线圈式低功率电流互感器（LPCT）是传统电磁式电流互感器的一种发展。由于现代电子设备的低输入功率要求，LPCT可以按照高阻抗Rb进行设计。结果是，传统电磁式电流互感器在非常高（偏移）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，便有可能无饱和地高准确度测量高达短路电流的过电流。对有很大直流分量的短路电流也能满足。除了量程比较宽，LPCT可以设计得尺寸比传统电磁式电流互感器小。所以

9、，在整个使用范围内可以由单个（多用途）电流互感器承担，同时用于测量和保护的目的。LPCT是一种电磁式电流互感器，它包含一次绕组、小铁芯和损耗极小的二次绕组，后者连接并联电阻Rsh设计为互感器的功率消耗接近于零。二次电流Is在并联电阻上产生电压降Us，其幅度正比于一次电流且同相位。而且，互感器的内部损耗和负荷要求的二次功率越小，其测量范围和准确度越理想。小信号电流互感器等效电路示于图（1）。图（1）铁芯线圈电子式互感器原理图图（2）电压输出的铁芯式电流互感器等效电路由于小信号电流互感器这样的特性，一次电流从50A5000A范围内具有相同的传输特性，并且使用一台小信号电流互感器可以同时作为测量和保

10、护使用。该互感器采用特殊的环氧树脂浇注结构，输出电压可以通过不同的网络终端负载来转换，可以通过精密薄膜或厚膜四端电阻实现。其误差在4080范围内，准确度仅仅变化0.05%，国外ABB公司、Trench公司和国内西安高压电器研究所等单位已研制出了相应的产品，并在开关柜中得到了应用。图（3）LPCT屏蔽电缆示意图为了防止暂态干扰电压，小功率输出信号的传感器必须采取相应的屏蔽措施，在引出线范围，绞合的双屏蔽电缆被证明是合适的，如图（3）所示。铁芯本身有各种各样的屏蔽方法。表2表示几种屏蔽方式及其对于与具有不同上升时间的瞬态脉冲的屏蔽效果。表2. 对小信号电流传感器采取的屏蔽措施，相对于标么值1屏蔽方

11、式上升时间二次电压在塑料外壳中未屏蔽250ns91V5ns1475V在金属外壳中未屏蔽15V67V在塑料外壳中用导电箔屏蔽350V3.2 罗哥夫斯基电流传感器空心线圈电流互感器以Rogowski线圈为传感头，Rogowski线圈是一种密绕于非磁性骨架上的空心螺线管，结构如图（4）所示。图中i为穿过线圈的被测电流。图（4）Rogowski线圈示意图设n为线圈单位长度上的匝数，S为线圈截面积，则线圈dl段上的磁链为： （1）式中：H为线圈dl段处的磁场强度。整个线圈的磁链为： （2）若线圈各处的n及S均匀，根据全电流定律，有：= （3）若i为交变电流，则线圈的感应电势e（t）为： （4）由式（4）

12、可知，Rogowski线圈的感应电势e（t）与被测电流i的微分成正比，利用电子电路对e（t）进行积分变换便可求得被测电流i。罗哥夫斯基线圈由于采用非磁性的线圈芯，故没有任何非线性饱和效应。它允许隔离的电流测量，并具有较宽的带宽，最大可达1兆赫兹。罗哥夫斯基线圈具有良好的线性特性，且体积和重量轻。可以认为是理想的电流传感器。罗哥夫斯基线圈不存在饱和性，它可以用来测量从几安培到几百千安的电流，最小值和最大值主要取决于测量的电子元件。线性特性带来以下特点： 所需要的不同规格的电流互感器数目减小 高故障电流的准确测量（故障定位，断路器的状态监控）由于罗哥夫斯基线圈的输出与电流的时间导数成正比例，因此需

13、进行积分。早期使用的模拟式积分器误差较大，应用不理想，现采用数字方法积分，效果较好。影响电流传感器的准确性有如下原因： 温度变化 装配出差错 其他相电流的影响（串扰） 初级导体的非无限长度（例如：接近线圈的90角）通过严格的设计及制造的质量控制，可以降低线圈芯和绕组装配对精确度的影响，目前传感器的准确度可以达到0.5%。但0.5%的精确度很难满足电力设计规范对计量的0.2.%的要求，针对上述影响电流传感器精确度的因素，可采取如下方法进行解决。1） 采用对温度反应不敏感的特殊材料，以降低温度对其的影响（见图5）。图（5）罗哥夫斯基线圈电流传感器与温度的关系2） 测量传感器的温度，然后对温度进行补

14、偿。3） 装配误差可以用适当的机械安装来消除。一般情况下，电流传感器是集成在套管中，这样装配误差就可以降低。4） 串扰（其他相电流对于被测量电流的影响）可以通过传感器的优化设计，从而使串扰影响降到最低。标准传感器的串扰如图（6）所示。在一般保护算法中，相位角的准确度是很重要的。铁芯电流互感器的缺点是相位移随电流而改变，特别是在欠激励或过激励的过程中。而这种情况对罗柯夫斯基线圈来说，已不是问题，因为相位移很小，并且不随电流而改变。通过上述措施，罗哥夫斯基线圈测量电流的准确度也能达到计量要求的0.2级。图（6） 串扰影响图（7）罗哥夫斯基线圈/频率关系频率范围：电力系统工频为50赫兹，而罗哥夫斯基

15、线圈的频率范围为从几十赫兹到1兆赫兹以上。故对于保护、监控和电力测量来说，已经完全满足要求。图（7）表示了罗柯夫斯基线圈与频率的关系。3.3 电阻分压器电阻分压器在高压测量技术中的应用经受了长期的考验，但是直到目前在供电电网中的应用还较为罕见。现在，由于电力系统使用数字式继电保护和新的传输技术，为分压器的使用提供了新的前景。专门为在中压电网运行而开发的电阻分压器可以使开关设备的结构和二次保护技术得到革新并且降低成本。电阻分压器可以取代感应式或电容式电压互感器，它直接和处理测量信号的二次设备相连接。其原理图如图（9）所示。电阻分压器的主要特点是，在设计合理的情况下，测量、计量和保护的所有要求都能

16、得到满足。3.3.1性能与传统互感器相比，电阻分压器具有以下优点： 结构体积小 与传统互感器相比，费用明显降低 可以用电阻分压器作为支撑绝缘子 与电子式测量和保护装置的匹配简单 具有较宽的传输带宽（0f1kHz），在多数的条件下可以直到10kHz而不发生谐振 一台分压器就可用于测量和保护的目的 与感应式互感器相反，在对连接电缆进行耐压试验时不需要拆卸相对的缺点是： 在运行期间分压比可能由于老化而发生变化 分压比可能与温度有关 没有电位隔离下列表格对电压互感器、电容互感器器和电阻分压器进行了比较。电压互感器电容互感器器电阻分压器准确度 测量互感器 保护互感器0.1级以下3P，6P1级（3P）0.

17、2级3P负载容量直到100VA10VA毫瓦校准能力是可以受电磁场影响可能性小需要屏蔽措施传输带宽受谐振现象限制针对额定频率屏蔽DC直到kHz范围LSA的接口中间互感器隔离放大器费用高低（分压器）频率不等于50/60Hz时EMC措施特性中高（抗铁磁谐振线路）到母线的接触连接二次，无一次，有无有电缆试验拆卸互感器不需要采取措施电阻分压器是非传统互感器，因为它的小功率输出小信号不需要在没有辅助能量的情况下进行处理。IEC60044-7把这种互感器称为“电子式电压互感器”，相应的德国标准是VDE 0414-206。标准中有电子式电压互感器的结构图，图中有电阻分压器（图8）。 图（8）在电子式电压互感器

18、（ESW）中安排着电阻分压器3.3.2 到电阻分压器的接线两个电阻R1和R2按照需要的分压比T进行选择，它们构成电阻分压器。图（9） 电阻分压器下列等式适用于无负载的分压器：电阻分压器的输出信号在IEC60044-7中规定，对于单相互感器是：6.5/V 3.25/V 1.625/V所连接的负载对分压比有影响。图（10） 连接装置的内阻（Ri）对误差的影响图11所示的比差和角差允许误差带相对应于用作一级测量互感器和3P级保护互感器，该误差带对于完整的电子式电压互感器是有效的，即包含了传输导线、必要的中间网络（例如隔离放大器）和连接装置的输入阻抗的影响。优先考虑的准确度等级是0.5级或0.2级同时

19、满足3P级。图（11） 分压器对误差的影响3.3.3 电阻分压器的频率特性通过对支柱绝缘子结构的分压器采取不同的结构并做成SF6分压器，可以使分压器在较高的频率范围内具有不同频率特性。在额定频率下，纯电阻负载对分压器的频率特性的影响可以忽略，当然，分压器的内部电容对频率特性有影响。支柱绝缘子结构的分压器在较高频率下具有高通特性，这导致分压器高压端子和电阻带构成电容，从而使高频下得分压比减小。通过在电阻分压器后面连接测量装置可以得到补偿，图（12）表示补偿前后的电压比差。图（12）补偿的和未补偿的分压器的频率特性用四端网络方程的原始型式对分压器的接口进行补充说明是有意义的，这样可以通过二次设备的

20、软件对由于二次设备负载而引起的分压比变化所产生的比差和角差进行修正。这里，分压器应是这样设计的，既可以认为修正与二次设备和它的输入组件与制造厂无关。如果二次设备的制造厂可以用软件对比差和角差进行修正，则分压器的传输特性可以用多项式说明：3.4 电容分压器多年来电容式带电显示或测量系统在中压设备中得到了应用，首先采用的是一体化在支柱绝缘子、套管和电流互感器中的电容测量极板。如果显示装置或保护装置的输入阻抗不够大，则一次电压和二次电压之间会产生相位移，这个可以被进行修正，当然在设计几何尺寸式必须考虑引出头的电压分布。电阻连接和相应的有源放大线路已经证明是明显有利的，同时可进行适当的进行相位修正。如

21、果使用屏蔽的电容分压器即金属封闭式结构，则它对外界电磁场的干扰不敏感，样机结构目前可以达到1级，当然还必须进一步对集中结构元件的温度影响进行最佳化，并且用用户指定的接口进行。图（13）电容式中压分压器电容分压器不适用于低于10Hz的很低频率，这个系统的另一个缺点是在电网分闸和重合闸时不能正确传输一次电压的图像，因为分压器不能把电容部件中储存的电荷导走到地。在保护范围，分压器的准确度等级对于中压来说是一种简单的可靠的系统。4 高压电子式互感器4.1 光电电流互感器（OCT）OCT是根据法拉第效应（Faraday effect）的原理工作的，如图（14）所示。图（14）法拉第效应当一竖线偏振光以与

22、磁场平行的方向通过某些光学材料（光学传感器）时，由于磁场的作用，偏振面将发生旋转，其旋转角度为式中V为光学材料的Verdet常数，其单位是rad/A;H为磁场强度，它是由导体中流过的待测电流引起的；L为光线在材料中通过的路程。若光路设计为闭合回路，由全电流定理可得： （2） 测得线偏振光的旋转角度就可求出导体中的电流i（t）。OCT即时基于这一原理工作的。其工作过程如图（15）所示。用恒流源驱动某一波长的发光二级管（LED）提供一个恒定的光源，光通过一根光纤从控制室传输到高压区，到达高压区的光经准直透镜成为平行光，再经起偏器（Polarizer）成为线偏振光后射入光学传感器，光在传感器中环绕导

23、体一周。在磁场作用下，偏振光将发生旋转，出射光经检偏器（Analyzer）检偏后，再经耦合透镜进入另一根光纤传输至控制室，经光电检测后转换成电信号进行放大滤波，再进入微机系统进行处理。图（15） OCT的工作原理目前尚没有精确测量偏振面旋转的检测器，通常将线偏振光旋转角度变化的信息转化为光强变化的信息，这是通过图（15）中的检偏器来实现的。令起偏器、检偏器的偏振化方向（透光轴）之间的夹角为45，根据马吕斯定律有式中P为穿过检偏器的光强；pin为投射到检偏器的光强。将式（3）进行化简得因很小时有 （5）代入到式（4）得 （6）将式（2）代入到式（6），得 （7）式（7）中的直流和交流分量分别经过

24、低通和带通滤波器滤波后为交流分量 （8）直流分量 （9）将式（8）除以式（9）可得 （10）其检测方法如图（16）所示。图（16） 检测方法略图采用除法可以消除光源波动、光在光纤中的传输损耗及光纤连接器的耦合损耗所带来的误差。从图（15）中的测量原理可见，整个OCT系统由3部分组成，即：光发射部分、光路部分和光接受部分。系统工作时，控制室中的光源经驱动电路把电信号转换成与强度成比例的光信号，并经过光纤传到安装在高压区的光学传感器中，在导体被测电流产生磁场的作用下，使偏振光的偏振面发生偏转（即所谓的Faraday效应）之后，线偏振光经过偏振器转换成含有偏振角信息的光强信号，再经光纤传输到光信号接

25、收部分，通过光电转换成电信号，再进行放大、滤波、除法等运算，得到被测电流。此外，经OCT提供给保护装置的电信号是经过交、直流分离后相除得到的。此类滤波器的设计应满足不同保护算法的要求，如：大多保护算法要求提供工频分量，在变压器保护算法中实现制动原理需要二次谐波分量，在发电机定子绕组发生单相接地故障的保护算法中还需要三次谐波分量，而在消弧线圈接地的小电流系统中发生单相接地进行选线及定位时还可能会用到五次谐波分量，这些应在设计中予以考虑。4.2 混合式光电电流互感器混合式光电电流互感器框图如图（17）所示，数字光电测量电路由传感头、积分器、串行A/D转换、电压电流转换、电光转换等模块组成。光脉冲信号经光纤从线路高电位端传输到低电位端。数字光电接收电路由光电转换、数据存储、串行D/A转换和通信接口等模块组成。处于线路高电位处的数字光电测量电路的工作电源由附加电流互感器