电子式电流互感器的特点及在中山数字化变电站中的应用

摘 要：文章介绍了电子式电流互感器的分类、原理及构成，并对电子式电流互感器与常规电流互感器进行比较，最后阐述了电子式电流互感器在中山数字化变电站改造中的应用。

关键词：电子式电流互感器;数字化;变电站

中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）02-0058-02

随着电力系统向大容量、超高压和特高压方向发展，对电力设备小型化、智能化、高可靠性的要求也越来越高。目前在电力系统中广泛应用的常规电磁式电流互感器，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。新型电子式互感器具有绝缘简单、结构紧凑、体积小、抗电磁干扰、不饱和以及易于数字信号传输的优点，随着电力系统的发展要求及数字化变电站的建设，电子式互感器在工程应用变得越来越广泛。

1 电子式电流互感器的原理

根据构成原理的不同，电子式互感器可分为有源式和无源式，有源式电子式电流互感器是指高压平台的传感头部分需要从外部输入能量才能工作，而无源式电子互感器是指高压平台的传感头部分不需要从外部供电电源输入能量就能工作。

无源电子式电流互感器又称为光学电流互感器，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，当一次电流经过互感器时，将产生一个反映电流大小及方向的交变磁场，当线偏振光（见光的偏振）在介质中传播时，进入该交变磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B成正比，偏转方向取决于介质性质和磁场方向。其传感头部分无需复杂的供电装置，整个系统的线性度比较好。

有源电子式互感器利用电磁感应等原理感应被测信号， 其采集元件为Rogowski线圈（即罗柯夫斯基线圈、罗氏线圈）。Rogowski线圈是一种较成熟的测量元件，它将测量导线均匀地绕在截面均匀的非磁性材料的框架上空心线圈，如图1所示。

可根据被测电流的变化，感应出被测电流变化的信号，其特点在于被测电流几乎不受限制，反映速度快，可以测量前沿上升时间为纳秒级的电流。从测量大电流的观点来看，Rogowski线圈是一种较理想的敏感元件，由于它不与被测电路直接接触，可以方便地对高压回路进行隔离测量。由于积分器及远端模块都必须从外部提供能量才能工作，因而称之为有源电子式电流互感器。

2 电子式电流互感器与常规电流互感器对比

电子式电流互感器与常规电流互感器相比有以下几个优点：①在绝缘设计及构造上，电子式电流互感器优于常规电流互感器;②电子式电流互感器能大量减少变电站内电缆的数量，减少铜耗，节省成本;③电子式电流互感器在系统精度方面优于常规电流互感器;④电子式电流互感器在二次回路设计及负荷特性方面优于常规电流互感器;⑤电子式电流互感器在二次回路抗干扰及二次回路安全性能方面优于常规电流互感器。

电子式电流互感器在上述几方面中表现优于常规电流互感器，但其在运行经验及稳定性方面弱于常规电流互感器，因此稳定性仍需要时间验证。

3 电子式电流互感器在中山的应用情况

我们对220 kV三乡站进行了数字化改造，考虑目前国内智能式开关在应用上尚未成熟，三乡站在进行数字化改造中，在过程层改造方面只使用了有源式电子式电流互感器及有源式电子式压互感器，分别应用于220 kV、110 kV电压等级，未使用智能式开关、主变及其它智能式设备。

由于未使用智能式开关，过程层改造实施方案如下。

①对于220 kV、110 kV电压等级电流、电压采样可直接从一次设备输出数字信号至合并单元;②对于部分未更换电子式互感器的部分，如主变变低电流互感器、主变本体中性点及间隙电流互感器，先将二次电流通过电缆送至采集器，经采集器完成A/D转换，再通过光纤传送至合并单元;③常规开关、刀闸的位置、告警等遥信量通过电缆传输至智能就地柜，通过转换变成数字信号再经光缆传送至GOOSE网，通过GOOSE网传送至间隔层中各保护、测控装置;④开关分、合闸控制回路仍沿用常规的电气控制回路;⑤主变本体非电量保护中除用于跳闸的非电量信号以硬接线接入外，其他告警信号都通过GOOSE网上送到测控装置。

按照计划，三相电流互感器各自从二次侧引出一根电缆至光纤熔接盒，经过整合后通过一根光缆传输至各间隔合并单元。合并单元在数字信号传输渠道上起重要作用，它通过光纤将激光能传输至电流互感器的远端模块，对远端模块提供能量，使其完成A/D转换及D/E转换;电子式电流、电压互感器输出的数字采样值都传输至合并单元;合并单元对各采集单元传来的各种数字信号进行合并和同步处理，并将处理后的数字信号利用光纤点对点传输至线路保护、母差保护、测控、计量等装置，实现遥测数字信号的实时传输。

现以220 kV线路间隔为例说明电流采样回路。根据保护装置双重化配置，220 kV线路间隔配置两个合并单元，分别对应两套主保护，合并单元所采集的数字量也来自不同的线圈和采集器（即远端模块）。每一相电流互感器里都有两个电流采集器，每个采集器又对应两组罗氏线圈，分别为保护、计量线圈。采集器有两个光纤接口RX和TX，分别用于接收来自合并单元的激光能量和发送电流数字信号，其中TX输出包括两个线圈的电流数字量。各相电流互感器引出的光缆都接至光纤熔接盒，利用物理手段将两组电流量按照最终去向分类重组，通过两根光缆传送至控制室的光纤熔接盒，传送至两个合并单元，经过信号合并和同步处理，再传输至各保护装置。主一保护对应的合并单元分别向主一保护、220母差保护I、故障录波、线路测控及电度计量装置传输电流量;主二保护对应的合并单元分别向主二保护、220母差保护II装置传输电流量;传输通道只需要一根光纤，传输信号中包含了三相保护、计量线圈电流，各装置只需从中抽取所需要的电流量。其它电压等级间隔的电流采样回路原理大致相同。

该站数字化改造完毕后，总体运行状况良好。运行情况如下：①电流采样可靠。为了对比电子式电流互感器与常规电磁式电流互感器的采样差异，在#3主变110 kV侧额外保留了一组电磁式电压互感器和电磁式电流互感器，通过累计比较#3主变110 kV侧的有电子式互感器和电磁式互感器各自测量的电度量，发现两者的数值上差异甚小，在误差范围内，经过三年的观察对比，证明了电子式电流互感器电流采样准确可靠。且在近年来三乡站出现110 kV以上的多起跳闸事件中，电子式电流互感器均能正确测量故障电流，保护装置能正确动作;②一次设备维护项目减少、二次设备维护项目增多。由于电子式电流互感器的一次部分结构简单，无油、气部分，在日常巡视、维护工作中变得相当简单些，但是二次设备新增了合并单元等装置等，该部分设备在定检时需要使用专用仪器才能开展校验，增加了设备定检的难度;③设备的可靠性需要继续改进。由于电子式电流互感器的一次侧安装了采集器，采集器由罗氏线圈、激光供电器件等比较灵敏的元件构成，在户外复杂多变的环境下，故障几率比电磁式电流互感器高，需要继续改进，提高设备可靠性。

4 结 语

电子式电流互感器是科技进步的成果，其绝缘简单、体积小、重量轻、动态范围宽、抗饱和性能强、实现数据输出等优点决定了其未来良好的发展前景。三乡变电站数字化改造中大量地应用了电子式电流互感器，将为中山电网以后推广、建设、管理、维护和运行数字化变电站积累宝贵经验。

参考文献：

[1] 曹凤田，王乐仁，王珏昕，等.电子式互感器在数字化变电站中的应用限制[J].吉林电力，2010，（4）.