电子式互感器的原理与比较

　　随着光纤传感技术、光纤通信技术的飞速发展，光电技术在电力系统中的应用越来越广泛。电子式互感器就是其中之一。电子式互感器具有体积小、重量轻、频带响应宽、无饱和现象、抗电磁干扰性能佳、无油化结构、绝缘可靠、便于向数字化、微机化发展等诸多优点，将在数字化变电站中广泛应用。

　　电子式互感器的诞生是互感器传感准确化、传输光纤化和输出数字化发展趋势的必然结果。电子式互感器是数字变电站的关键装备之一。传感方法对电子式互感器的结构体系有很大影响。光学原理的电子式互感器结构体系简单，是无源的电子式互感器。电磁测量原理的电子式互感器是有源电子式互感器。 

　　1电子互感器的优点 

　　1.1高低压完全隔离，安全性高，具有优良的绝缘性能，不含铁芯，消除了磁饱和及铁磁谐振等问题 

　　电磁式互感器的被测信号与二次线圈之间通过铁芯耦合，绝缘结构复杂，其造价随电压等级呈指数关系上升。非常规互感器将高压侧信号通过绝缘性能很好的光纤传输到二次设备，这使得其绝缘结构大大简化，电压等级越高其性价比优势越明显。非常规互感器利用光缆而不是电缆作为信号传输工具，实现了高低压的彻底隔离，不存在电压互感器二次回路短路或电流互感器二次回路开路给设备和人身造成的危害，安全性和可靠性大大提高。 

　　电磁式互感器由于使用了铁芯，不可避免地存在磁饱和及铁磁谐振等问题。非常规互感器在原理上与传统互感器有着本质的区别，一般不用铁芯做磁耦合，因此消除了磁饱和及铁磁谐振现象，从而使互感器运行暂态响应好、稳定性好，保证了系统运行的高可靠性。 

　　1.2抗电磁干扰性能好，低压侧无开路高压危险 

　　电磁式电流互感器二次回路不能开路，低压侧存在开路危险。非常规互感器的高压侧和低压侧之间只存在光纤联系，信号通过光纤传输，高压回路与二次回路在电气上完全隔离，互感器具有较好的抗电磁干扰能力，低压侧无开路引起的高电压危险。

　　1.3动态范围大，测量精度高，频率响应范围宽 

　　电网正常运行时电流互感器流过的电流不大，但短路电流一般很大，而且随着电网容量的增加，短路电流越来越大。电磁式电流互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量，同一互感器很难同时满足测量和继电保护的需要。非常规互感器有很宽的动态范围，可同时满足测量和继电保护的需要。 

　　非常规互感器的频率范围主要取决于相关的电子线路部分，频率响应范围较宽。非常规互感器可以测出高压电力线上的谐波，还可以进行电网电流暂态、高频大电流与直流的测量，而电磁式互感器是难以进行这方面工作的。 

　　1.4数据传输抗干扰能力强 

　　电磁式互感器传送的是模拟信号，电站中的测量、控制和继电保护传统上都是通过同轴电缆将电气传感器测量的电信号传输到控制室。当多个不同的装置需要同一个互感器的信号时，就需要进行复杂的二次接线，这种传统的结构不可避免地会受到电磁场的干扰。而光电式互感器输出的数字信号可以很方便地进行数据通信，可以将光电式互感器以及需要取用互感器信号的装置构成一个现场总线网络。实现数据共享，从而节省大量的二次电缆;同时光纤传感器和光纤通信网固有的抗电磁干扰性能，在恶劣的电站环境中更是显示出了无与伦比的优越性，光纤系统取代传统的电气系统是未来电站建设与改造的必然趋势 

　　1.5没有因充油而潜在的易燃、易爆炸等危险 信非常规互感器的绝缘结构相对简单，一般不采用油作为绝缘介质，不会引起火灾和爆炸等危险。 

　　1.6体积小、重量轻 

　　非常规互感器无铁芯，其重量较相同电压等级的电磁式互感器小很多。 

　　综上所述，非常规互感器以其优越的性能、适应了电力系统数字化、智能化和网络化发展的需要，并具有明显的经济效益和社会效益，对于保证日益庞大和复杂的电力系统安全可靠运行并提高其自动化程度具有深远的意义。 

　　2电子互感器分类 

　　2.1有源电子式互感器 

　　有源电子式互感器利用电磁感应等原理感应被测信号，对于电流互感器采用Rogowski线圈，对于电压互感器采用电阻、电容或电感分压等方式。有源电子式互感器的高压平台传感头部分具有需电源供电的电子电路，在一次平台上完成模拟量的数值采样(即远端模块)，利用光纤传输将数字信号传送到二次的保护、测控和计量系统。 

　　有源电子式互感器又可分为封闭式气体绝缘组合电器(GIS)式和独立式，GIS式电子式互感器一般为电流、电压组合式，其采集模块安装在GIS的接地外壳上，由于绝缘由GIS解决，远端采集模块在地电位上，可直接采用变电站220 V/110 V 直流电源供电。独立式电子式互感器的采集单元安装在绝缘瓷柱上，因绝缘要求，采集单元的供电电源有激光、小电流互感器、分压器、光电池供电等多种方式，实际工程应用一般采取激光供电，或激光与小电流互感器协同配合供电，即线路有流时由小电流互感器供电，无流时由激光供电。对于独立式电子式互感器，为了降低成本、减少占地面积，一般采用组合式，即将电流互感器、电压互感器安装在同一个复合绝缘子上，远端模块同时采集电流、电压信号，可合用电源供电回路

　　2.2无源电子式互感器 

　　无源电子式互感器又称为光学互感器。无源电子式电流互感器利用法拉第(Faraday)磁光效应感应被测信号，传感头部分分为块状玻璃和全光纤2种方式 。无源电子式电压互感器利用Pockels电光效应或基于逆压电效应或电致仲缩效应感应被测信号，现在研究的光学电压互感器大多是基于Pockels效应 。无源电子式互感器传感头部分不需要复杂的供电装置，整个系统的线性度比较好。无源电子式互感器利用光纤传输一次电流、电压的传感信号，至主控室或保护小室进行调制和解调，输出数字信号至MU，供保护、测控、计量使用。无源电子式互感器的传感头部分是较复杂的光学系统，容易受到多种环境因素的影响，例如温度、震动等，影响其实用化的进程。

　　3有源式互感器与无源式互感器的比较 

　　有源电子式互感器的关键技术在于电源供电技术、远端电子模块的可靠性、采集单元的可维护性。基于传统互感器的运行经验，可不考虑Rogowski线圈和分压器(电阻、电容或电感)故障的维护。GIS式电子式互感器直接接人变电站直流电源，不需要额外供电，采集单元安装在与大地紧密相连的接地壳上。这种方式抗干扰能力强，更换维护方便，采集单元异常处理不需要一次系统停电。而对于独立式电子式互感器，在高压平台上的电源及远端模块长期工作在高低温频繁交替的恶劣环境中，其使用寿命远不如安装在主控室或保护小室的保护测控装置，还需要积累实际工程经验;另外，当电源或远端模块发生异常、需要维护或更换时，需要一次系统停电处理。 

　　无源式电子式互感器的关键技术在于光学传感材料的稳定性、传感头的组装技术、微弱信号调制解调、温度对精度的影响、震动对精度的影响、长期运行的稳定性。但由于无源电子式互感器的电子电路部分均安装在主控室或保护小室，运行条件优越，更换维护方便。有源或无源电子式互感器的应用，均大大降低了占地面积，减少了传统互感器的二次电缆连线，是互感器的发展方向。无源电子式互感器可靠性高、维护方便，是独立安装的互感器的理想解决方案。 

　　4电子式互感器存在的主要问题 

　　电子互感器在工程应用上存在的主要问题是：由于需要对传感器进行供能，长期大功率的激光供能会影响光器件的使用寿命，罗氏线圈输出信号与其结构有很强的相关性，温度变化会导致结构变化，影响电子线路测量准确度。 

　　光电式互感器在工程应用上存在的主要问题是：温度的变化会引起光路系统的变化引起晶体除具有电光效应外的弹光效应、热光效应等干扰效应，导致绝缘子内光学电压传感器的工作稳定性减弱。温度对光电式互感器测量误差的影响，一直是人们讨论的热点，在实际应用中，对于温度变化所产生的测量误差的影响，应提高光路系统(如光电二极管)的抗干扰能力。如使用温度稳定性好，且波长漂移小的发光光源、纯净且经过多次提拉的电光晶体等，在提高温度稳定性的研究中，近年来倍受国内外学者关注的有温控法、双光路温度补偿法，双晶体温度补偿、硬件电路补偿和软件补偿等方法。另外还有磁光材料的双折射效应对光电电流互感器测量精度的影响由于磁光材料的双折射效应，使射人磁光介质的线性偏振光变成椭圆偏振光，其结果是：从检偏器输出的光强度变化与被测电流不成正比，使光电式电流互感器的灵敏度不稳定，从而降低了光电式电流互感器的测量精度。 

　　上述两种不同类型的互感器存在的共同问题： 

　　(1)常规电流互感器的接口兼容问题，其输出接口没有统一标准，产品的标准尚未规范化，频率响应、动态范围、信噪比、波形畸变、稳定性的检验需有特殊规范;

　　(2)非常规互感器现场校验问题，输出为弱电信号且包括数字量，必须探索新的校验方法; 

　　(3)设备的可靠性问题，包括电磁兼容、系统热稳定性以及电子元件的可靠性问题需进一步在工程应用中检验。