电子式电压互感器及其在智能变电站中的应用

电子式电压互感器及其在智能变电站中的应用

高帅郭祥曦

（内蒙古电力集团有限责任公司巴彦淖尔电业局变电管理二处内蒙古巴彦淖尔市015000）

摘要：智能电网是当前全球电力工业关注的热点，是电网未来的发展方向，而智能变电站是智能电网的重要组成部分。电子式互感器具有高精度、高可靠性、宽响应带等传统电磁式互感器所不具备的优点，是智能变电站的关健装备元件，在智能变电站建过程中，应科学合理地选用电子式互感器。

关键词：电子式电压互感器；智能变电站；应用

一、电子式互感器原理

电子式互感器按传感头部分是否需要供电电源分为有源型和无源型两大类。有源型设备包括采用Rogowski线圈或LPCT（低功率线圈）的有源型电子式电流互感器和采用分压器的有源型电子式电压互感器。无源型设备包括基于Faraday磁光效应的无源型电子式电流互感器和基于Pockels电光效应的无源型电子式电压互感器。Rogowski线圈是一种特殊结构的空心线圈，将测量导线均匀地缠绕在截面均匀的非磁性材料的框架上，导线两端接上采样电阻。低功率线圈是电磁式电流互感器的一种改进，按照高阻抗设计，使常规电流互感器在很高的一次电流下的饱和特性得到改善。电子式互感器系统包含了合并单元、传输系统、一次转换器以及电流或电压传感器。模拟电压、电流量由采集器就地转换成数字信号并通过光纤传送到合并器单元。合并器单元接收并转换成符合IEC61850-9格式的数据通过光纤以太网提供给保护、测量等设备。采集器单元和合并器单元可以根据需要是一对一、一对多或多对一等组合形式。

二、互感器定义

将电网高电压、大电流经过一定的比例降低到二次侧的小电压、小电流，供二次侧计量、测量仪表及继电保护、自动装置使用的一种特殊变压器，是一次系统和二次系统的联络元件。互感器与测量仪表和计量装置配合，可以测量一次系统的电压、电流和电能；与继电保护和自动装置配合，可以构成对电网各种故障的电气保护和自动控制。互感器的性能优劣对电力系统测量、计量的准确性和继电器保护装置动作的可靠性有着直接的影响。互感器按照测量电压与电流可分为电压互感器和电流互感器，电流互感器和电压互感器组合成一体构成了组合互感器。组合互感器在电子式互感器中使用较广。电子式互感器是具有模拟量电压输出或数字量输出，供频率15Hz-100Hz的电气测量仪器和继电保护装置使用。

三、在智能变电站中的应用

智能变电站是指采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求。自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可按照需要支持电网实时智能调节、自动控制、协同互动、在线分析决策等高级功能的变电站。智能变电站自动化系统能够划分为三层分别是间隔层、站控层和以及过程层。其中，过程层包括断路器、变压器、电流\电压互感器、隔离开关等一次设备及独立的智能电子设备以及其所属的智能组件。电子式电压互感技术是这几年国家在建设智能变电站时会使用到的一项技术。一般可以将其分为两种基本类型。一方面，电子式互感器信号接口方便、通过数字输出、通信能力强，通过它能够将变电站通讯系统的通信方式直接改变。采用电子式互感器输出的数字信号后，能够完成点对点/多个点对点或过程总线通信方式，二次电缆线将被完全取代，二次接线复杂的情况将得到解决，同另外还可以大大简化测量或保护的系统结构，检索对绝缘水平的要求，从源头上使误差源减少，使智能电子装置的结构变得简化，完成真正意义上的信息共享。另一方面，电子式互感器的输出均采用电缆传输，光缆的数量很少，所以，和常规变电站的电缆相比，远远减少了敷设工作量。传统电流/电压互感器每1～3年进行一次小修，1～3个月例行检查一次，30年寿命周期内大修两次。使得其在全寿命周期内基本“免维护”是电子式互感器巨大的优势。所以，其维护工作主要是对电气单元中的电子器件或者远端模块进行更换或维护，通常每5年维护一次，相对来讲，大大减少了运行维护工作量。

四、电子式电压互感器

4.1无源式电子式电压互感器无源式电子式电压互感器分为Pockels效应型和逆压电效应型，由于基于逆压电效应的无源式电子式电压互感器需要特种光纤且信号解调较为复杂，现在研究的大多数为Pockels效应型。根据Pockels效应，某些晶体在外电场作用下将导致其入射光折射率改变，这将使沿某一方向入射晶体偏振光产生电光相位延迟，且延迟量与外加电场成正比，因此，可将被测电压加在晶体上，测其入射晶体偏振光产生电光相位延迟（相位差），可得被测电压值，其公式如下：Pockels效应型电子式电压互感器由于同样采用了光学材料，所以与基于Faraday效应原理的无源式电子式电流互感器存在着相同的有待解决的问题。

4.2有源式电子式电压互感器EVT根据分压回路结构的不同，可分为电阻压、电容分压及阻容分压方式，其处理信号的方式ECT的处理方式类似，主要由分压器、电子处理电和光纤等组成，被测高压信息由分压器从电网中经信号预处理、模/数转换，最终采用数字光纤子输信号。

五、电子式电压互感器在智能化变电站中的应用

5.1110kV互感器的应用在智能化变电站中，110kV侧的电子式电压互感器二次输出可以直接通过屏蔽电缆与合并单元连接，并且通过合并单元实现不同装置的保护作用。在电阻分压器中通过的二次电压的电阻值较大，因此其输出电阻与二次输出有着密切的关系。在其应用过程中，需要注意以下的问题：①合并单元的输入电阻值必须要根据运行要求进行设置，如果电阻值的设置不精确，则对于二次输出的电压会产生较大的影响。②在合并单元中输入的阻抗误差应当保证在合理的范围内，如果存在较大误差，就会对互感器的调整作用产生影响，进而导致二次输出的抗阻值产生误差。③为了保证二次输出的电压精确性，必须要对传输过程中的干扰因素进行必要的控制，根据需要设置接地设施，以此保证设备的正常运行。

5.210kV互感器的应用10kV互感器在智能化变电站的运行过程中，一般是不经过合并单元便可以实现电压的输出，其主要是利用不同供给分段所使用的自投装置和保护装置等，实现电阻分压。同时需要注意的是，10kV互感器一般二次输出的信号较弱，为了保证信号的强度，一般可以应用有源分配器来实现二次电压的多级传输。有源分配器是将电子式电压互感器的输出按1：1的关系转换，并与网络的输入阻抗相匹配。有源信号分配器的端子定义：IN+与电子式互感器的某相（A、B、C）输出相连，IN-有公共参考端（地）相连，OUT为信号输出，±15V为有源分配器的工作电源，COM为公共参考端（地），信号器内部IN-与COM端是相连的。应用有源信号分配器的情况下，若发生故障，则应当保证自动装置保护动作的有效性，因此与自切装置相连的有源分配器，必须要为自切装置增加节点。另外，如果有源分配器的输出端有短路现象，则会导致线路故障，增强负载能力，无法输出信号，需要避免输出端无短路。

结语：

智能变电站是未来电网变电站发展的主流，随着工程实践的增多，电子式互感器的应用越来越广泛，就目前电子式互感器在智能变电站中的应用做深入的技术探讨是很有必要的，电压互感器是归属于变电站自动化系统过程层的电子设备，在电力系统及其电力设备的测量、监控和保护中发挥着不可替代的作用，传感准确化、传输光纤化和输出数字化是电压互感器未来发展的主流趋势，也是电子式电压互感器设计的基本要求，随着材料加工工艺的不断进步以及技术方案的不成断成熟，电子式电压互感器必将完全取代传统的电磁式和电容式电压互感器，在现代电力系统中得以普遍应用。

参考文献：

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