數(shù)字化變電站是由智能化一次設(shè)備(電子式互感器、智能化開關(guān)等)和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層(過程層、間隔層、站控層)構(gòu)建，建立在IEC61850通信規(guī)范基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。
IEC61850將數(shù)字化變電站分為過程層、間隔層和站控層3層，各層內(nèi)部及各層之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信。與常規(guī)變電站相比，數(shù)字化變電站間隔層和站控層的設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)連接只是接口和通信模型發(fā)生了變化，而過程層卻要進行較大的改變。由傳統(tǒng)的電流、電壓互感器、一次設(shè)備以及一次設(shè)備與二次設(shè)備之間的電纜連接，逐步改變?yōu)殡娮邮交ジ衅鳌⒅悄芑淮卧O(shè)備、合并單元(MU)、光纖連接等內(nèi)容，過程層各設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換遵循IEC61850-9-1/2或IEC60044-8標準的要求。而電子式互感器是數(shù)字化變電站中的關(guān)鍵設(shè)備。
1傳統(tǒng)互感器的不足
電流電壓互感器(簡稱CT,PT)是廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的重要電氣設(shè)備。傳統(tǒng)的電磁式電流電壓互感器己在電力系統(tǒng)中使用多年，是一種很成熟的產(chǎn)品。隨著電力生產(chǎn)和制造技術(shù)的發(fā)展，電流電壓互感器已形成多種類型，多種參數(shù)的系列產(chǎn)品，完全能夠滿足電力系統(tǒng)的使用需求。但是，傳統(tǒng)的CT，PT因其傳感機理而呈現(xiàn)出自身不可克服的一些問題，例如：隨著電壓等級的提高，絕緣困難急劇增加;潛在著突然失效，如爆炸等危險;易受電磁干擾;CT在故障狀態(tài)下易飽和，對過渡過程中的非周期分量難以正確反映;如果CT輸出端開路，會出現(xiàn)高電壓;PT易產(chǎn)生鐵磁諧振;體積大，重量重等。采用電容分壓式的電壓互感器(CVT)由于中間變壓器等非線性電感元件的存在，仍有諧振的可能;電容分壓的準確度易受外界因素影響，往往在現(xiàn)場安裝時需重新校正。雖然已經(jīng)采取了許多技術(shù)上的措施對其加以改進，但仍不能從根本上克服上述問題。
電子式互感器作為傳統(tǒng)電流電壓互感器理想的換代產(chǎn)品，就沒有傳統(tǒng)互感器的這些問題。另外，現(xiàn)代化的微機綜合測量保護裝置及儀器儀表不再需要互感器提供能量來工作，而僅需互感器將一次電流電壓信息完整、及時、準確的采集并傳送過來即可，僅需幾伏的電壓信號和極小的功率就能滿足其接口需求，而電子式電流電壓互感器能很好滿足這一要求。
2電子式互感器
電子式互感器是一種由連接到傳輸系統(tǒng)和二次轉(zhuǎn)換器的一個或多個電流或電壓傳感器組成的裝置，用以傳輸正比于被測量的量，供給測量儀器;儀表和繼電保護或控制裝置。在數(shù)字接口的情況下，由一組電子式互感器共用一臺合并單元完成此功能。
電子式互感器可分為兩種型式。一種是用磁光效應(yīng)和電光效應(yīng)直接將電流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘枺话惴Q無源式;另一種是用電磁感應(yīng)或分壓原理將電流電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)樾‰妷盒盘枺賹⑿‰妷盒盘栟D(zhuǎn)換為光信號傳輸給二次設(shè)備，一般稱有源式。
2.1有源電子式互感器
2.1.1空心電流互感器
采用空芯線圈感應(yīng)被測大電流，位于高壓側(cè)的電子模塊將線圈的輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字光信號由光纖按規(guī)定的協(xié)議下傳至低壓側(cè)。基于空芯線圈(Rogowski線圈)的有源光電流互感器是目前應(yīng)用較多的電子式電流互感器。Rogowski線圈是將線圈均勻地繞在一個非磁性環(huán)形骨架上，被測電流從線圈中心穿過，當被測電流從線圈中心通過時，在線圈兩端將會產(chǎn)生一個感應(yīng)電壓。空芯線圈的感應(yīng)信號與被測電流的微分成正比，經(jīng)積分變換等信號處理便可獲知被測電流的大小。有源光電流互感器高壓側(cè)有電子電路構(gòu)成的電子模塊，電子模塊采集線圈的輸出信號，經(jīng)濾波、積分變換及A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號，通過電光轉(zhuǎn)換(LED)電路將數(shù)字信號變?yōu)楣庑盘枺缓笸ㄟ^光纖將數(shù)字光信號送至二次側(cè)供繼電保護和電能計量等設(shè)備用。
2.1.2低功率電流互感器
LPCT仍然是基干電磁感應(yīng)原理的CT。原理圖見下圖，它由一個一次繞組，一個很小的鐵心和與取樣電阻Rsh相連的具有最小損耗的二次繞組組成。Rsh是二次繞組的一個組成部分，起著將電流輸出轉(zhuǎn)換成電壓輸出的作用。
與傳統(tǒng)CT相比.LPCT的特別之處在于所用的鐵心材料是微晶合金鐵心，而不是硅鋼片。這種鐵心是用鐵鎳合金鋼片制成，采用了特殊的退火工藝。LPCT的鐵心在弱磁路時具有高磁導(dǎo)率，可使其在較小的截面下互感器測量繞組即可滿足精度要求。因此，LPCT的尺寸較傳統(tǒng)CT大大減小，即使是與玻莫合金相比，密度和疊片系數(shù)均低于玻莫合金鐵心.在滿足同樣技術(shù)條件情況下，制造成本可以低1/3左右，重量輕1/4以上，但比玻莫合金鐵心具有更寬的線性范圍。由于LPCT損耗小，使得在測量很大的電流時(即使是短路電流時)也有較高的準確度而不會飽和，因此LPCT具有較寬的測量范圍，在一定的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)(例如一次電流從幾十安到幾千安)，一個鐵心即可同時滿足0.2級測量及5P20保護的要求。LPCT的尺寸較傳統(tǒng)CT大為縮小，同時由于二次繞組集成了取樣電阻，也不存在開路的危險。
2.1.3有源電子式電壓互感器
有源光電壓互感器采用電容分壓、電阻分壓或電容電阻分壓等原理，利用與有源電流互感器類似的電子模塊處理信號，并利用光纖傳輸信號。
2.2無源電子式電流互感器
2.2.1光學(xué)電流互感器
無源光互感器采用了Faraday磁光效應(yīng)。Faraday磁光效應(yīng)原理由于待測電流產(chǎn)生的磁場的作用，當一束線性偏振光通過放置在磁場中的Faraday材料(如磁光玻璃)時，若磁場方向與光的傳播方向相同，則光的偏振面將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角正比于磁場強度，沿偏振光通過材料路徑的線積分。角度與被測電流成正比，利用檢偏器將角度的變化轉(zhuǎn)換為輸出光強的變化，經(jīng)光電變換及相應(yīng)的信號處理便可求得被測電流。
2.2.2光學(xué)電壓互感器
無源光互感器采用了Pockels電光效應(yīng)。發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)起偏器后為一線性偏振光，在外加電壓作用下，線偏振光經(jīng)電光晶體后發(fā)生雙折射，雙折射兩光束的相位差與外加電壓有確定關(guān)系。相位差與外加電壓成正比，利用撿偏器將相位差的變化轉(zhuǎn)換為輸出光強的變化，經(jīng)光電變換及相應(yīng)的信號處理便可求得被測電壓。
2.3有源、無源電子式互感器的比較
有源電子式互感器的關(guān)鍵技術(shù)在于電源供電技術(shù)、遠端電子模塊的可靠性、采集單元的可維護性。基于傳統(tǒng)互感器的運行經(jīng)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，采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，采集單元異常處理不需要一次系統(tǒng)停電。而對于獨立式電子式互感器，在高壓平臺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(huán)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(jīng)驗;另外，當電源或遠端模塊發(fā)生異常、需要維護或更換時，需要一次系統(tǒng)停電處理無源式電子式互感器的關(guān)鍵技術(shù)在于光學(xué)傳感材料的穩(wěn)定性、傳感頭的組裝技術(shù)、微弱信號調(diào)制解調(diào)、溫度對精度的影響、震動對精度的影響、長期運行的穩(wěn)定性。但由于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(yōu)越，更換維護方便。有源或無源電子式互感器的應(yīng)用，均大大降低了占地面積，減少了傳統(tǒng)互感器的二次電纜連線，是互感器的發(fā)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。
3電子式互感器的優(yōu)點
3.1不含鐵心，消除了磁飽和
電子式互感器一般沒有鐵心，不存在飽和問題，因此暫態(tài)性能比傳統(tǒng)互感器好。大大提高了各類保護故障測量的準確性，從而可提高保護裝置的正確動作率，保證電網(wǎng)的安全運行。
3.2對電力系統(tǒng)故障響應(yīng)快速
現(xiàn)有保護裝置(包括微機保護)由干受傳統(tǒng)互感器性能的限制，基本上是基于工頻量進行保護判斷的，易受系統(tǒng)振蕩、磁飽和等因素的影響，保護性能難以滿足當今電力系統(tǒng)超高壓、大容量、遠距離發(fā)展的要求。利用故障時的暫態(tài)信號量作為保護判斷參量是微機保護的發(fā)展方向。它對互感器的線性度、動態(tài)特性都有很高的要求，電子式互感器能滿足這一要求，而傳統(tǒng)互感器則不能。
3.3消除了鐵磁諧振，抗干擾能力強
電子式互感器，沒有構(gòu)成鐵磁諧振的條件，其抗電磁干擾力強。二次電壓完全與一次側(cè)電壓呈線性變化。在電力系統(tǒng)中運行不產(chǎn)生鐵磁諧振，防止了設(shè)備損壞，保證了系統(tǒng)運行安全。
3.4優(yōu)良的絕緣性能
隨著電壓等級的提高CT,PT,CVT絕緣困難急劇增加，用油等絕緣材料有爆炸危險，且體積大、重量重。電子式互感器絕緣相對簡單，高壓側(cè)與地電位側(cè)之間的信號傳輸采用絕緣材料制造的玻璃纖維.體積小、重量輕、絕緣性能好。
電子式互感器由于本身結(jié)構(gòu)的特點，以電子式電流互感器在二次回路開路時不會產(chǎn)生危及設(shè)備及人身安全的高電壓，電子式電壓互感器二次側(cè)短路時也不會產(chǎn)生大電流，保證了人身和設(shè)備的安全。
3.5適應(yīng)了電力計量與保護數(shù)字化、微機化和自動化的發(fā)展
電子式互感器能夠直接提供數(shù)字信號給計量、保護裝置，有助于二次設(shè)備的系統(tǒng)集成，加速整個變電站的數(shù)字化和信息化進程，并引發(fā)電力系統(tǒng)自動化裝置和保護的重大變革。
3.6動態(tài)范圍大，測量準確度高
電子式電流互感器二次側(cè)的輸出與一次側(cè)的電流完全呈線性，無鐵磁飽和，無畸變產(chǎn)生，有很寬的動態(tài)范圍，光電式和空心線圈電流互感器可以從幾安到幾百千安。低功率電子式電流互感器，其鐵芯也是在加倍額定電流以上才開始出現(xiàn)飽和。由于測量范圍大。所以，在有效量程內(nèi)，僅需二、三個電流規(guī)格即可覆蓋CT從20A-5000A的全部量程。
3.7頻率響應(yīng)范圍寬
電子式互感器傳感頭部分的頻率響應(yīng)，取決于光束在傳感頭上的渡越時間，目前可達到1MHz,電子式電流互感器已被證明可以測出高壓電力線上的諧波，還可以進行暫態(tài)電流、高頻大電流與直流電流的測量。而電磁式互感器傳感頭是鐵心，其頻響很窄。
3.8經(jīng)濟性好
經(jīng)濟方面，隨著輸電線電壓等級的增高，傳統(tǒng)互感器的成本(主要是緣絕成本)成倍上升，而電子式互感器在電壓等級升高時，成本只是稍有增加。電子式互感器的低成本是吸引人們的關(guān)鍵。此外，由于電子式互感器的體積小，重量輕，可以組合到斷路器或其他高壓設(shè)備中，共用支撐絕緣子，減少變電站占地面積及其基礎(chǔ)工程、單獨設(shè)備安裝工程等。電子式互感器不采用銅芯電纜作為輸出連接線，準確等級不受二次連接回路的影響。所以減少了銅芯電纜消耗量，使工程建設(shè)成本降低。
4.工程實踐
以某220kV變電站為例：
1)電流互感器配置如下：
220kV間隔、110kV間隔、主變?nèi)齻?cè)采用全光纖型電流互感器;10kV間隔(主變進行除外)及主變中心點采用常規(guī)電流互感器。220kV、主變各側(cè)全光纖型電流互感器，每臺互感器含2個獨立的電流傳感/采集光路，精度0.2S(5TPE)，保護、測量、計量合用。110kV全光纖型電流互感器，每臺互感器含1個獨立的電流傳感/采集光路，精度0.2S(5TPE)，保護、測量、計量合用。
2)電壓互感器配置如下：
220kV和110kV電壓互感器采用電容分壓型電子式電壓互感器。同時配置合并單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號用于保護、測控。
10kV母線采用常規(guī)電壓互感器，并采用帶模擬量插件的合并單元進行數(shù)字轉(zhuǎn)換。
220、110kV三相電子式電壓互感器每臺含2路獨立輸出回路，精度0.2(3P)，保護、測量、計量合用。
110kV有源線路A相電子式電壓互感器含1路獨立輸出回路，精度0.2，同期用。
5總結(jié)
電子式互感器與傳統(tǒng)互感器相比，在絕緣、動態(tài)范圍、飽和性能、經(jīng)濟性等方面具有較大的優(yōu)勢。電子式互感器目前已在220kV系統(tǒng),110kV系統(tǒng)開始應(yīng)用。例如電子式互感器在無錫供電公司110kV圓石變電站成功投入運行，至今運行良好。電子式互感器作為變電站的發(fā)展方向，是電力系統(tǒng)智能化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一。它的廣泛應(yīng)用，將給電力系統(tǒng)帶來巨大的變革，將全面提升智能化水平。
