關於我們電子互感器的那些事兒

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來源 ｜漢啟能源

隨著光纖感測技術、光纖通信技術的飛速發展，光電技術在電力系統中的應用越來越廣泛。電子式互感器就是其中之一。電子式互感器具有體積小、重量輕、頻帶響應寬、無飽和現象、抗電磁干擾性能佳、無油化結構、絕緣可靠、便於向數字化、微機化發展等諸多優點，將在數字化變電站中廣泛應用。電子式互感器的誕生是互感器感測準確化、傳輸光纖化和輸出數字化發展趨勢的必然結果。電子式互感器是數字變電站的關鍵裝備之一。感測方法對電子式互感器的結構體系有很大影響。光學原理的電子式互感器結構體系簡單，是無源的電子式互感器。電磁測量原理的電子式互感器是有源電子式互感器。

一、電子互感器定義

由連接到傳輸系統和二次轉換器的一個或多個電流或電壓感測器組成，採用光電子器件用於傳輸正比於被測量的量，供給測量儀器、儀錶和繼電保護或控制設備的一種裝置。在數字介面的情況下，一組電子式互感器共用一台合併單元完成此功能。

二、互感器存在的意義

在供電用電的線路中，電流相差從幾安到幾萬安，電壓相差從幾伏到幾百萬伏。線路中電流電壓都比較高，如直接測量是非常危險的。為便於測量，需要將大電流高電壓轉換為比較統一的電流電壓。

總而言之，電力系統中使用互感器可以起到變流變壓和電氣隔離的作用。

三、電子互感器分類

3.1、有源電子式互感器

有源電子式互感器利用電磁感應等原理感應被測信號，對於電流互感器採用Rogowski線圈，對於電壓互感器採用電阻、電容或電感分壓等方式。有源電子式互感器的高壓平台感測頭部分具有需電源供電的電子電路，在一次平台上完成模擬量的數值採樣(即遠端模塊)，利用光纖傳輸將數字信號傳送到二次的保護、測控和計量系統。

有源電子式互感器又可分為封閉式氣體絕緣組合電器(GIS)式和獨立式，GIS式電子式互感器一般為電流、電壓組合式，其採集模塊安裝在GIS的接地外殼上，由於絕緣由GIS解決，遠端採集模塊在地電位上，可直接採用變電站220 V/110 V 直流電源供電。獨立式電子式互感器的採集單元安裝在絕緣瓷柱上，因絕緣要求，採集單元的供電電源有激光、小電流互感器、分壓器、光電池供電等多種方式，實際工程應用一般採取激光供電，或激光與小電流互感器協同配合供電，即線路有流時由小電流互感器供電，無流時由激光供電。對於獨立式電子式互感器，為了降低成本、減少佔地面積，一般採用組合式，即將電流互感器、電壓互感器安裝在同一個複合絕緣子上，遠端模塊同時採集電流、電壓信號，可合用電源供電迴路。

3.2、無源電子式互感器

無源電子式互感器又稱為光學互感器。無源電子式電流互感器利用法拉第(Faraday)磁光效應感應被測信號，感測頭部分分為塊狀玻璃和全光纖2種方式 。無源電子式電壓互感器利用Pockels電光效應或基於逆壓電效應或電致仲縮效應感應被測信號，現在研究的光學電壓互感器大多是基於Pockels效應 。

無源電子式互感器感測頭部分不需要複雜的供電裝置，整個系統的線性度比較好。無源電子式互感器利用光纖傳輸一次電流、電壓的感測信號，至主控室或保護小室進行調製和解調，輸出數字信號至MU合併單元，供保護、測控、計量使用。無源電子式互感器的感測頭部分是較複雜的光學系統，容易受到多種環境因素的影響，例如溫度、震動等，影響其實用化的進程。

四、電子互感器的優點

4.1、高低壓完全隔離，安全性高，具有優良的絕緣性能，不含鐵芯，消除了磁飽和及鐵磁諧振等問題。傳統電磁式互感器的被測信號與二次線圈之間通過鐵芯耦合，絕緣結構複雜，其造價隨電壓等級呈指數關係上升。電子式互感器將高壓側信號通過絕緣性能很好的光纖傳輸到二次設備，這使得其絕緣結構大大簡化，電壓等級越高其性價比優勢越明顯。電子式互感器利用光纜而不是電纜作為信號傳輸工具，實現了高低壓的徹底隔離，不存在電壓互感器二次迴路短路或電流互感器二次迴路開路給設備和人身造成的危害，安全性和可靠性大大提高。傳統電磁式互感器由於使用了鐵芯，不可避免地存在磁飽和及鐵磁諧振等問題。電子式互感器在原理上與傳統互感器有著本質的區別，一般不用鐵芯做磁耦合，因此消除了磁飽和及鐵磁諧振現象，從而使互感器運行暫態響應好、穩定性好，保證了系統運行的高可靠性。

4.2、抗電磁干擾性能好，低壓側無開路高壓危險。傳統電磁式電流互感器二次迴路不能開路，低壓側存在開路危險。電子式互感器的高壓側和低壓側之間只存在光纖聯繫，信號通過光纖傳輸，高壓迴路與二次迴路在電氣上完全隔離，互感器具有較好的抗電磁干擾能力，低壓側無開路引起的高電壓危險。

4.3、動態範圍大，測量精度高，頻率響應範圍寬。電網正常運行時電流互感器流過的電流不大，但短路電流一般很大，而且隨著電網容量的增加，短路電流越來越大。傳統電磁式電流互感器因存在磁飽和問題，難以實現大範圍測量，同一互感器很難同時滿足測量和繼電保護的需要。電子式互感器有很寬的動態範圍，可同時滿足測量和繼電保護的需要。 電子式互感器的頻率範圍主要取決於相關的電子線路部分，頻率響應範圍較寬。電子式互感器可以測出高壓電力線上的諧波，還可以進行電網電流暫態、高頻大電流與直流的測量，而傳統電磁式互感器是難以進行這方面工作的。

4.4、數據傳輸抗干擾能力強。傳統電磁式互感器傳送的是模擬信號，電站中的測量、控制和繼電保護傳統上都是通過同軸電纜將電氣感測器測量的電信號傳輸到控制室。當多個不同的裝置需要同一個互感器的信號時，就需要進行複雜的二次接線，這種傳統的結構不可避免地會受到電磁場的干擾。而光電式互感器輸出的數字信號可以很方便地進行數據通信，可以將光電式互感器以及需要取用互感器信號的裝置構成一個現場匯流排網路。實現數據共享，從而節省大量的二次電纜;同時光纖感測器和光纖通信網固有的抗電磁干擾性能，在惡劣的電站環境中更是顯示出了無與倫比的優越性，光纖系統取代傳統的電氣系統是未來電站建設與改造的必然趨勢。

電子式互感器以其優越的性能、適應了電力系統數字化、智能化和網路化發展的需要，並具有明顯的經濟效益和社會效益，對於保證日益龐大和複雜的電力系統安全可靠運行並提高其自動化程度具有深遠的意義。

五、有源與無源互感器的比較

有源電子式互感器的關鍵技術在於電源供電技術、遠端電子模塊的可靠性、採集單元的可維護性。基於傳統互感器的運行經驗，可不考慮Rogowski線圈和分壓器(電阻、電容或電感)故障的維護。GIS式電子式互感器直接接人變電站直流電源，不需要額外供電，採集單元安裝在與大地緊密相連的接地殼上。這種方式抗干擾能力強，更換維護方便，採集單元異常處理不需要一次系統停電。而對於獨立式電子式互感器，在高壓平台上的電源及遠端模塊長期工作在高低溫頻繁交替的惡劣環境中，其使用壽命遠不如安裝在主控室或保護小室的保護測控裝置，還需要積累實際工程經驗;另外，當電源或遠端模塊發生異常、需要維護或更換時，需要一次系統停電處理。

無源式電子式互感器的關鍵技術在於光學感測材料的穩定性、感測頭的組裝技術、微弱信號調製解調、溫度對精度的影響、震動對精度的影響、長期運行的穩定性。但由於無源電子式互感器的電子電路部分均安裝在主控室或保護小室，運行條件優越，更換維護方便。有源或無源電子式互感器的應用，均大大降低了佔地面積，減少了傳統互感器的二次電纜連線，是互感器的發展方向。無源電子式互感器可靠性高、維護方便，是獨立安裝的互感器的理想解決方案。

六、電子互感器存在的主要問題

電子互感器在工程應用上存在的主要問題是：由於需要對感測器進行供能，長期大功率的激光供能會影響光器件的使用壽命，羅氏線圈輸出信號與其結構有很強的相關性，溫度變化會導致結構變化，影響電子線路測量準確度。

光電式互感器在工程應用上存在的主要問題是：溫度的變化會引起光路系統的變化引起晶體除具有電光效應外的彈光效應、熱光效應等干擾效應，導致絕緣子內光學電壓感測器的工作穩定性減弱。溫度對光電式互感器測量誤差的影響，一直是人們討論的熱點，在實際應用中，對於溫度變化所產生的測量誤差的影響，應提高光路系統(如光電二極體)的抗干擾能力。

如使用溫度穩定性好，且波長漂移小的發光光源、純凈且經過多次提拉的電光晶體等，在提高溫度穩定性的研究中，近年來倍受國內外學者關注的有溫控法、雙光路溫度補償法，雙晶體溫度補償、硬體電路補償和軟體補償等方法。另外還有磁光材料的雙折射效應對光電電流互感器測量精度的影響由於磁光材料的雙折射效應，使射人磁光介質的線性偏振光變成橢圓偏振光，其結果是：從檢偏器輸出的光強度變化與被測電流不成正比，使光電式電流互感器的靈敏度不穩定，從而降低了光電式電流互感器的測量精度。

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