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1、互感器在智能电网、智能变电站中的应用与发展,叶国雄智能电网关键技术研讨班2011苏州,1,16:33,1 智能电网与智能变电站2 互感器基本知识3 电子式互感器4 电子式互感器的应用与发展,2,16:33,1.1 什么是智能电网,智能电网：就是电网的智能化，也被称“电网2.0”。集成的、高速双向通信网络；运用先进的传感和测量技术、设备技术、控制方法以及决策支持系统技术；实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标。形象描述：有插座的地方就有能源，有插座的地方就有信息互动。消费者既可以是电力客户，也可能成为风能、太阳能、氢电池、生物沼气灯小型电力供应商。,16:33,3,1.2 智
2、能电网的主要特征,自愈、包括用户，抵御攻击；提供满足21世纪用户需求的电能质量；容许各种不同发电形式的接入；启动电力市场以及资产的优化高效运行。中国的智能电网的基本特征是在技术上要实现信息化、自动化、互动化。,16:33,4,1.3 智能电网结构,16:33,5,1.3 智能电网结构,6,16:33,1.4 智能变电站,智能变电站 smart substation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，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级
3、功能的变电站。主要技术特征信息数字化、功能集成化、结构紧凑化、状态可视化智能变电站分为过程层、间隔层和站控层过程层包括变压器、断路器、隔离开关、电压/电流互感器等一次设备及其所属的智能组件以及独立的智能电子装置。摘自Q/GDW383-2009智能变电站技术导则,16:33,7,传统变电站结构,数字化变电站结构,1.4 与传统变电站比较,16:33,8,9,国家电网陕西750千伏智能变电站2011年3月1日正式投入运行,16:33,1 智能电网与智能变电站2 互感器基本知识3 电子式互感器4 电子式互感器的应用与发展,10,16:33,2.1 互感器的定义,互感器 instrument tran
4、sformer一种为测量仪器、仪表、继电器和其他类似电器供电的变压器。电压互感器 voltage transformer一种在正常条件下其二次电压与一次电压实际成正比、且在联接方法正确时其相位差接近于零的互感器。电流互感器 current transformer一种在正常条件下其二次电流与一次电流实际成正比、且在联接方法正确时其相位差接近于零的互感器。组合互感器 combined instrument transformer由电流互感器和电压互感器组合成一体的互感器；在电子式互感器中使用较广。,11,16:33,16:33,12,2.2 互感器用途,高压隔离作用；比率变换功能；将系统的高电压大
5、电流按比率变换成低电压、小电流信号，供给电力系统中的电气测量装置、电能计量装置、继电保护装置、自动装置使用。电容式电压互感器还可兼作载波通讯用的耦合电容器。,13,16:33,2.3 互感器分类,电压互感器按相数：单相、三相按用途：计量用、测量用、保护用按原理：电磁式（VT）、电容式（CVT）、电子式（EVT）按绝缘介质：干式、浇注式、油浸式、SF6气体按结构：单级式、串级式按绕组个数：双绕组、三绕组、四绕组按绝缘：半绝缘、全绝缘按安装地点：户内、户外按电压等级：0.6、1、3、6、10、20、35、66、110、220、330、500、750kV、1000kV,14,16:33,电流互感器按
6、用途：计量用、测量用、保护用按原理：电磁式（CT）、电子式（ECT）按绝缘介质：干式、浇注式、油浸式、SF6气体按结构：正立式、倒立式按安装地点：户内、户外按安装方式：贯穿式、支柱式按一次匝数：单匝式、复匝式按电流比：单变比、多变比、复合变比按电压等级：0.6、1、3、6、10、20、35、66、110、220、330、500、750kV、1000kV,2.3 互感器分类,15,16:33,2.4 电流互感器的使用,一相式接线电流线圈通过的电流反应一次电路相应相的电流。通常用于负荷平衡的三相电路如低压动力线路中，供测量电流、电能或接过负荷保护装置之用。,16:33,16,两相电流差接线这种接线
7、适用于中性点不接地的三相三线制电路中供作电流继电保护之用。由向量图可知，互感器公共线上的电流为ia-ic,其量值为相电流的3倍。,2.4 电流互感器的使用,16:33,17,三相星型接线它由三只完全相同的电流互感器构成。此种接线方式适用于高压大电流接地系统、发电机二次回路、低压三相四线制电路。采用此种接线方式，二次回路的电缆芯数较少。但由于二次绕组流过的电流分别为IA、IB、IC，当三相负载不平衡时，则公共线中有电流IN 流过。此时，总公共线断开就会产生计量误差，因此，公共线是不允许断开的。,2.4 电流互感器的使用,16:33,18,两相V形接线也称为两相不完全星型接线。在中性点不接地的三相
8、三线制电路中，广泛用于测量三相电流、电能及作为过电流继电保护之用。这种接线方式是根据三相交流电路中三相电流之和为零的原理构成的,公共线上的电流为ia+ic=-ib，反应的是B相的相电流。,+,2.4 电流互感器的使用,16:33,19,变压器纵差动保护单相原理接线图,20,变压器正常运行或外部短路故障时，理想情况下 差动继电器KD不动作当变压器发生短路故障时，假设变压器两侧均有电源，I1、I2同相位，Id流过相应短路电流，KD动作，将变压器从电网中切除。纵差动保护区为TA1和TA2之间的电气部分。,2.4 电流互感器的使用,16:33,2.5 电压互感器的使用,单相接线该接法仅适用于测量相间电
9、压。如果互感器一次绕组的一端接在线路上，另一端接地，互感器可测量某一相对地电压。,16:33,21,VV接线两个电压互感器分别接于线电压UAB和UBC上，一次绕组不能接地，二次绕组一端接地，这种接线方式适用于中性点非直接接地或经消弧线圈接地系统。只用两个单相电压互感器可以得到对称的三个线电压；不能测量相电压；一次绕组接入系统线电压，二次绕组电压为100V。当继电保护装置和测量表计只需用线电压时，可采用这种接线方式。,2.5 电压互感器的使用,16:33,22,Y0Y0接线由三个单相互感器一、二次侧均接成Y0形，可供给要求线电压的仪表和继电器以及要求相电压的绝缘监视电压表。由于小电流接地系统在一
10、次电路发生单相接地时，另两个完好相的相电压要升高到线电压，所以绝缘监视电压表表要按线电压选择否则在发生单相接地时，电压表可能被烧毁。,2.5 电压互感器的使用,16:33,23,Y0/Y0/接线用三台单相三绕组电压互感器构成Y0/Y0/接线，用于3220kV系统（110kV及以上无高压熔断器），供接入交流电网绝缘监视仪表和继电保护用。三相五柱式电压互感器只用于315kV系统，其接线与三台单相三绕组电压互感器构成Y0/Y0/接线基本相同。该接线方式其二次绕组用来测量相间电压和相对地电压，辅助二次绕组接成开口三角形检测零序电压。,2.5 电压互感器的使用,16:33,24,独立式SF6电压互感器,
11、25,2.6 常见互感器,16:33,电容式电压互感器,26,2.6 常见互感器,16:33,油浸正立电容型电流互感器的结构,27,2.6 常见互感器,16:33,油浸倒立式电流互感器结构,28,2.6 常见互感器,16:33,SF6倒立式电流互感器结构,29,2.6 常见互感器,16:33,干式电流互感器结构,30,2.6 常见互感器,16:33,1 智能电网与智能变电站2 互感器基本知识3 电子式互感器4 电子式互感器的应用与发展,31,16:33,32,3.1 电子式互感器的构成,电子式互感器通常由传感器、一次转换器、传输系统、二次转换器、供电电源及合并单元等部分组成。根据采用的技术不同
12、，有些部分可以省略。一次转换器又称远端模块,安装在高压一次侧（有些结构也可以在低压侧），负责采集、调理一次侧电压电流并转换成数字信号。合并单元安装在二次侧，负责对各相远端模块传来的信号做同步合并处理。,16:33,3.1 电子式互感器的构成,33,电子式互感器框图,16:33,数字输出电子式互感器框图,34,3.1 电子式互感器的构成,16:33,3.2 电子式互感器分类,按功能分电子式电流互感器（ECT）电子式电压互感器（EVT）电子式组合互感器（ECVT）按应用场合划分GIS结构的电子互感器AIS结构(独立式)电子互感器直流用电子式互感器,35,16:33,3.2 电子式互感器分类,按是否
13、需要一次电源分有源电子式互感器 电磁感应原理（空心线圈、LPCT)分压原理（R、L、C）无源电子式互感器法拉第磁光效应原理Pockels电光效应Kerr效应逆压电效应,36,16:33,3.2 电子式互感器分类,按传感原理分分压型电压互感器（电容、电阻、电感）Pockels电光效应Kerr效应逆压电效应低功率线圈（LPCT）空心线圈（Rogowski线圈）法拉第磁光效应光学玻璃全光纤磁致伸缩效应,37,16:33,模拟量ECT：4V（测量）及200mV（保护）EVT：1.625V，2V，3.25V，4V，6.5V以及上述值的1/3数字量输出ECT：2D41H（测量）及01CFH或00E7H（保
14、护）EVT：2D41H输出格式按GB/T20840.8（IEC60044-8）或DL/T860.9（IEC61850-9）的要求,38,3.3 电子式互感器的输出,16:33,有源电子式互感器特点传感头部分有电子电路及工作电源利用电磁感应或分压原理获取被测信号ECT：空心线圈(RC)、低功率铁心线圈（LPCT）EVT：电阻、电容、电感分压利用光纤传输数字信号，必要时传输能量，同时光纤可实现高低压绝缘隔离。用于GIS或者罐式断路器时电源在低压侧。,3.4 有源电子式互感器,39,16:33,有源电子式电流互感器,3.4 有源电子式互感器,40,16:33,空心线圈（Rogowski线圈）原理：,
15、3.4 有源电子式互感器,16:33,41,42,铁心线圈式低功率电流互感器（LPCT）,3.4 有源电子式互感器,16:33,有源电子式电压互感器,3.4 有源电子式互感器,43,16:33,44,GIS用电容分压原理电压互感器利用电容分压器测量电压。为提高电压测量的精度，改善电压测量的暂态特性，在电容分压器的输出端并一精密小电阻。电容分压器的输出信号U0 与被测电压Ui有如下图所示关系。,式中：C1为高压电容，C2为低压电容。利用电子电路对电压传感器的输出信号进行积分变换便可求得被测电压。,3.4 有源电子式互感器,16:33,GIS用电流电压组合式互感器,3.4 有源电子式互感器,16:
16、33,45,有源电子式互感器的关键技术及难点供电技术(GIS、罐式断路器例外)激光、小CT取能远端传感模块（一次采集模块）的稳定性和可靠性采集单元维护,3.4 有源电子式互感器,46,16:33,无源电子式互感器的特点传感头部分由纯光学器件构成，没有电子电路因此不需要电源，电磁兼容性能好。ECT传感头利用Faraday磁光效应原理EVT传感头利用Pockels电光效应原理光纤只传输传感信号，同时光纤可实现高低压绝缘隔离是电子式互感器的理想解决方案,3.5 无源电子式互感器,47,16:33,3.5 无源电子式互感器,法拉第（Faraday）磁光效应原理当通过传光媒质的线偏振光在同方向的磁场作用
17、下，其偏振面会发生旋转，旋转角度 v为材料的Verdet常数。安培环路定理：沿任何一个区域边界对磁场矢量进行积分,其数值等于通过这个区域边界内的电流的总和。,48,16:33,3.5 无源电子式互感器,光学玻璃结构的电流互感器,49,光学玻璃电流传感器光路基本结构,16:33,3.5 无源电子式互感器,光学玻璃结构的电流互感器目前尚无高精确度测量偏振面旋转角的检测器，通常将线偏振光的偏振面角度变化的信息转化为光强变化的信息，然后通过光转换将光信号变为电信号，并进行放大处理，以正确反应最初的电流信息。设起偏器的输出光强为I0，检偏器的输出光强为I，根据马吕斯定律，两者光强关系为当检偏器和起偏器的
18、透光轴互成45度时，输出光强为最为灵敏，此时线性度也最好，动态范围最大，此时有：,50,16:33,3.5 无源电子式互感器,光学玻璃结构的电流互感器对传感头材料的要求是：具有良好的光学性能，光弹系数较小，各相同性，以保证保偏性能。材料的Verdet常数比较大，受温度影响小。易于加工。其热学性质、机械性质、电学性质等均好。,51,16:33,3.5 无源电子式互感器,52,块状火石玻璃传感头结构,光学玻璃结构的电流互感器,16:33,全光纤电流互感器法拉第磁光效应萨格纳克干涉原理测量（Sagnac interferometer）1913年萨格纳克发明了一种可以旋转的环形干涉仪。将同一光源发出的
19、一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉。这就是萨格纳克效应。两束相干光间光程差的任何变化会非常灵敏地导致干涉条纹的移动。通过干涉条纹的移动变化可测量光程微小改变量，从而测得与此有关的其他物理量（如电流）。测量精度决定于测量光程差的精度，干涉条纹每移动一个条纹间距，光程差就改变一个波长（1000nm）。,3.5 无源电子式互感器,16:33,53,3.5 无源电子式互感器,全光纤电流互感器,全光纤传感器光路基本结构,16:33,54,RHCP右旋圆偏振LHCP左旋圆偏振,16:33,55,3.5 无源电子式互感器,光路原理简介,光电转换装置将同一个发
20、光二极管发出的线性光变成两路光信号，经过光纤送入头部的传感装置。,园盘状的极化器，将两路线性偏振光，转化为两路左右旋转园偏振光光信号围绕导体旋转多圈后，导体所造成的磁场使其中一路光信号加速，另一路却被减速。（法拉第效应）当两路环园极化的光信号后，被一面镜子反射再回入光纤。此时极化的方向被逆转。沿着逆转通路，这效应被加倍。两路信号送回前，最终又成为线性偏振光信号。,两个光信号回到光电装置时，由于传播速度的差异，两个光信号已经形成了相位差，由于它们在同一个通路，环境温度和振动对它们的影响是相同的，所以，造就了不受影响的高精度的电流测量装置。,镜子,NXTPhase光纤电流互感器,送出同源两路光信号
21、,返回的两路光信号已由于电流幅值引起的相位差,PM 保偏光纤,波片,16:33,56,Pockels效应原理：某些透明光学介质(如BGO晶体)在外电场作用下，其折射率线性地随外电场而改变的效应。如在外加电压U作用下，BGO晶体由各向同性变成各向异性的双折射晶体。当线偏振光投射到双折射晶体的端面，人射光束就会变成初相角相同、而电位移矢量相互垂直的两束光，由于它们在晶体中的传播速度不同，出射时有一定的相位差,3.5 无源电子式互感器,57,16:33,3.5 无源电子式互感器,58,Pockels效应原理：,16:33,横向效应与纵向效应的比较横向效应的半波电压，可通过改变晶片的几何尺寸（纵横比）
22、进行调节，这是它的优点。而纵向的半波电压对BGO晶体而言，其纵向调制的半波电压为U=46.52kV，要使传感器工作于线性区（非线性误差小于0.1%），则要求加至光学电压传感器的最大电压Um 0.024 U。横向效应有自然双折射引起的位相延迟，这个附加的位相差易受外界温度变化的影响。纵向效应就没有自然双折射引起的位相延迟。横向效应所加电场的方向与通光方向垂直，使用方便，这是它的优点。纵向效应的电场方向与通光方向一致，要求电极既透明又导电，对于大多数物质而言，这两个要求有矛盾，通常采用导电玻璃或中空环形电模电极。,59,3.5 无源电子式互感器,16:33,3.5 无源电子式互感器,60,16:3
23、3,纵向效应方案,无源电子式互感器的关键技术及难点光学传感材料传感头的组装技术微弱信号检测温度对精度的影响振动对精度的影响长期稳定性,3.5 无源电子式互感器,61,16:33,合并单元用以对来自二次转换器的电流和/或电压数据进行时间相干组合的物理单元。合并单元可以是现场互感器的一个组件，也可以是一个独立单元。合并单元是对传感模块传来的三相电气量进行合并和同步处理，并将处理后的数字信号按特定的格式提供给间隔级设备使用的装置。合并单元的输出格式：GB/T20840.8（IEC60044-8）DL/T860.91（IEC61850-9-1）DL/T860.92（IEC61850-9-2）,3.6
24、合并单元,16:33,62,合并单元的结构,3.6 合并单元,16:33,63,3.6 合并单元,基本功能接收 ECT、EVT数字信息采样值有效性处理采样值输出时钟同步及守时设备自检及指示可配置采样率故障报警LED状态显示提供秒脉冲测试信号,64,16:33,3.6 合并单元,选配功能交流模拟量采集采样值突变处理状态量采集功能当地显示及参数设置提供采样脉冲测试信号其他实用功能。,65,16:33,合并单元的配置原则配置方案将决定系统的安全性与可靠性，配置原则是保证一套系统出问题不会导致保护误动，也不会导致保护拒动电子式互感器或就地采集单元的二次转换模块需要冗余配置转换器中电流需要冗余采样，分别
25、用于测量、保护启动和保护动作数据合并单元冗余配置并分别连接冗余的电子式互感器模块，合并单元可以安装在开关附近或保护小室,3.6 合并单元,16:33,66,3.6 合并单元,单母线分段MU配置方式线路CT配置独立的合并单元MU2、MU3，母线PT的接入和并列功能由合并单元MU1完成。,67,16:33,3.6 合并单元,双母线MU配置方式双母线的接线方式多应用于220kV及以上电压等级，建议所有的电子互感器及MU均采用双重化配置。线路PT、CT由合并单元MU3接入，母线I、II的PT分别接入合并单元MU1、MU2，母线PT切换功能不由合并单元完成。,68,16:33,3.6 合并单元,3/2接
26、线MU配置方式3/2接线方式多应用于500kV及以上电压等级，建议所有的电子互感器及MU均采用双重化配置。CT、母线PT、线路PT均配置独立的合并单元。线路I和线路II对应的电流分别由MU1、MU2及MU2、MU3接入的CT的合电流产生。线路I、II的线路PT分别接入MU6、MU7，母线I、II的PT分别接入MU4、MU5。母线PT切换功能不由合并单元完成。,69,16:33,3.6 合并单元,主变MU配置方式主变的电子互感器及MU均采用双重化配置。高压侧CT配置独立的合并单元MU1、MU2，高压侧电流由MU1、MU2接入的CT的合电流产生，高压侧母线PT配置独立的合并单元MU3。公共绕组CT
27、配置独立的合并单元MU6，中压测的CT、PT配置合并单元MU4，低压测的CT、PT配置合并单元MU5，中性点电流、间隙电流并入相应侧合并单元。,70,16:33,3.7 电子式互感器的优点,基本性能比较,71,16:33,常规计量系统和数字输出计量系统的比较,72,3.7 电子式互感器的优点,16:33,3.8 电子式互感器检测中存在的问题,基本准确度问题表现在互感器的误差超过标准规定的误差限值，误差测量的结果波动比较大，测量结果的线性度较差，小电流时测量结果不稳定，改变接线方式或变换试品位置时误差结果变化较大。造成这些问题的主要原因有：产品一次传感器的原理限制；一次传感器线性度较差；数据采集
28、处理电路设计、工艺等方面存在缺陷；输出信号的噪声过大；试验过程中一次线圈出现磁化现象；产品结构容易受到周围杂散电容影响；模拟输出负载能力不够；数字处理部分算法选取不恰当；数字输出信号出现跳帧现象；数据同步出现问题等。,16:33,73,3.8 电子式互感器检测中存在的问题,温度循环准确度试验根据标准要求，当电子式互感器的户内部分和户外部分别处于各自的最低温、最高温和常温下，互感器的准确度应满足标准要求。在实际检测过程中出现误差超过允许限值的现象比较多。可能存在的原因有：电流传感器或采样电阻温度系数过大；组成电压传感器的分压元件温度系数不匹配；传感器设计工艺不合理或选用的材料不当；数据处理电路元
29、器件选择不合理；采用SF6气体绝缘的产品低温时出现液化现象；光学原理产品采用的温度修正方法不合理;电路板由于凝露出现短路现象等。,16:33,74,3.8 电子式互感器检测中存在的问题,短时电流试验 系统一次发生短路时，电子式电流互感器的一次导体应能承受短路电流产生的热效应和电动力。试验中出现的主要问题有：产品接触导体表面的绝缘出现明显的劣化现象，导体由于电动力出现明显形变，试验后互感器不能正常工作，试验后误差值与试验前发生明显变化。主要原因有：电流互感器的一次导体没有足够的截面积和通流能力；未考虑电动力的影响，结构上没有必要的固定、绑扎和缓冲；一次采集电路部分设计不合理、工艺不可靠。,16:
30、33,75,3.8 电子式互感器检测中存在的问题,机械强度试验试验中出现的主要问题有：产品出现明显的损坏迹象，试验后误差值与试验前发生明显变化。主要原因有：部分支柱型电子式互感器主绝缘支柱只考虑绝缘强度，而对机械强度考虑不够；部分光学原理互感器误差结果受拉应力影响比较大。,16:33,76,3.8 电子式互感器检测中存在的问题,一次工频耐压试验/雷电冲击试验试验中出现的主要问题有：产品一次部分击穿，试验后产品不能正常工作。主要原因有：部分互感器对绝缘强度考虑不够，产品套管部分无屏蔽结构，产品内部绝缘气体气压选择不恰当，一次和二次部分电子线路设计不合理。,16:33,77,3.9 电子式互感器运
31、行中存在的问题,由于电子式互感器引入了大量电子器件进行信号调理，在运行情况下，数据采集模块直接接入高压回路或内置于一次主设备中，其运行环境的电磁干扰信号远远超过通用的电磁兼容试验标准，特别是在某些电磁暂态过程中，高频的电磁波引起的高压、高频大电流和地电位升高等将严重影响电子式互感器中电子元件的正常工作，可能造成其误报、死机甚至器件损坏，从而影响变电站安全运行，特别是在220kV以上的系统中，电磁环境的影响更为显著。,78,16:33,3.9 电子式互感器运行中存在的问题,有源独立支柱型电子式互感器存在一次侧供能问题。目前普遍采用的式激光供电和线路取能方式，但两种方式都存在不足。为消除温度和振动
32、对准确度的影响，采用软件补偿的方式，由于影响准确度的通常是多因素非线性时变量，软件补偿效果不理想。,79,16:33,1 智能电网与智能变电站2 互感器基本知识3 电子式互感器4 电子式互感器的应用与发展,80,16:33,4.1 智能变电站中的电子式互感器,16:33,81,4.2 过程总线与互感器和执行机构的连接,16:33,82,4.3 电子式互感器的应用,16:33,83,4.3 电子式互感器的应用,16:33,84,126kV三相同体的 GIS NXCT,4.3 电子式互感器的应用,16:33,85,4.3 电子式互感器的应用,16:33,86,87,4.3 电子式互感器的应用,16:33,简化互感器绝缘结构，减少体积和重量避免电流互感器饱和避免电压互感器的铁磁谐振改善暂态特性保护、测量、计量等二次设备共享信号，降低成本，提高性能智能化变电站的关键设备之一是传统互感器的更新换代产品,4.4 电子式互感器的发展前景,88,16:33,谢 谢！,89,16:33,
