浅谈电子式互感器

一、 电子式互感器 1 电子式电流互感器

1.1 电子式电流互感器的工作原理

工作原理是由Rogowski线圈从一次传变信号，采集器采样后，AD转换器转换为数字信号，由LED转换为光信号，通过光缆送回主控室。 1.2 电子式电流互感器结构

电子式电流互感器由位于室外的传感头部件、信号柱、光缆以及位于控制室的合并单元构成。

传感头部件由电流传感器（Rogowski线圈），采集器单元（PSSU），取能线圈，光电转换单元，屏蔽环，铝铸件等构成。

Rogowski线圈一般有保护、计量和测量、能量线圈，Rogowski线圈形状是空心螺线管，无铁芯，填充非晶体材料，主要起支撑作用

信号柱由环氧筒构成支撑件，筒内填充绝缘脂，以增强绝缘并保护光缆。 互感器输出的数字信号通过合并单元送给数字化计量、测控、保护装置使用。 .1.2.1 传感头 1）Rogowski线圈

Rogowski线圈实质上是将一组导线线圈缠绕在一个非磁性骨架上，线圈两端接上采样电阻组成，其结构如图l所示．

由于这种线圈本身并不与被测电流回路存在直接电的联系，因此它与电气回路有良好的电气绝缘．Rogawski线圈骨架采用非铁磁材料加工而成，使传感器没有磁饱和现象，即使被测电流的直流分量很大，它也不饱和，线性度好． Rogawski线圈测量电流是依据全电流的电磁感应原理，当线圈的结构一定时，线圈的互感M为一常量，测量线圈所交链的磁链与穿过Rogawski线圈限定面的电流成正比．不论线圈截面为何种形状，Rogawski线圈的感应电动势均有：，即感应电势e(t)与一次侧电流变化率成正比，相位相差90°．其低

频电流等效电路图如图2：

图中，Lo、R0、R、Co分别为线圈的自感、内阻、采样电阻、分布电容．由此

dte(t)MdI可得：

e(t)L0dI2dt(R0R)I2

I2U0/R由于线圈分布电容Co一般较小，可以忽略，所以,

I1R0RMR,又

L0dI2dtR0R,故

可见，要得到被测的一次侧电流信号，必须对Rogowski线圈二次侧输出的电压

U0dt信号进行积分，即输出端要接入积分电路将U0还原。

2）采集器

高压侧数据采集系统是将Rogowski线圈输出的模拟信号转换成数字信号，然后经由光纤传输到低压侧．其主要功能原理是将Rogowski线圈输出的模拟电流信号输入信号处理电路，并通过多路信号A/D转换器转变为数字信号，通过LED将时钟和数据信号变成光脉冲信号通过光纤传输给低电位侧的信号接收部分。 采集器为3路采样，其中一路为测量信号输入，另外两路为保护信号输入，每个通道均为独立A/D同时采样，此双保护采样通道互为自检，当其中一路采样值异常时，可发出告警信号，另一路信号可正常工作，待用户进行设备维护；这样大大提高了设备运行的可靠性安全性；

采集器增加了温度采样模块，可对全温度范围内（-40℃--60℃）的采样值温漂进行补偿，提高采样的精度；

这样既保障了高压侧与低压侧的电气隔离，又有效地减小了电磁干扰对测量结果的影响． 1.2.2 电源系统

由于电子式电流互感器的传感头安装在高电位侧，并且完全是由电子电路构成，因此必须有相应的电源提供给传感头的电子电路。高压数据采集系统需要5 V或l2 V的直流电源。

高压侧采集器的工作电源同时由一次取能线圈和激光电源提供，两者动态自检，互为热备用。如图3：一电源是从被测电流取用电源，即在被测母线上安装一个辅助电源TA，该TA处于高压端，绝缘要求低，因此结构较简单，因电源CT可能出现故障，还必须并联一激光电源，激光能量传输，即通过O/E转换，将光能转变为电子元件所需的电能。

采集器 图3 采集器电源

2 电子式电压互感器

2.1 电子式电压互感器工作的原理

1）电子式电压互感器工作原理是通过串级式电容分压器来实现高电压的测量。

如图4：U 2 = C1 U 1 / ( C1+C2 )

由上式可知 , 只要选择合适的C1,C2容量,即可得到所需的分压比 。

当线路短路或断路的故障出现的时候，储存在分压电容中的能量可以通过并联在低压侧分压电容上的小电阻R快速释放，从而对线路上的电压变化实现快速响应跟踪测量。这种传感器结构模式的特点在于改善了全电容电压分压器的暂态特性，同时继承了电容分压器原有的优点。

图4 电子式电压互感器原理图 图5 CVT原理图 2）传统CVT（图5）存在的缺点

a) 大容量输出的设计使绝缘结构复杂，体积庞大；当实际负荷低于CVT额定输出的25%时，误差就有可能超出相应准确级的规定值。

b) CVT内部含有电容和非线性电感元件(中间变压器、补偿电抗器)，在一次突然合闸或二次短路消除产生的过电压作用下有可能产生内部分次谐波铁磁谐振现象，危及CVT本身的安全，影响二次测量、保护的正常工作，

c) 传统CVT带有中间变压器，且与电压互感器连接的保护继电器入口常有隔离用的铁芯变压器，当线路重合闸时在二次侧感应的电压直流分量可能会导致这些变压器饱和，引起严重的二次侧暂态问题。 2.2 电子式电压互感器结构

2.2.1电子式互感器由位于室外的传感头部件、信号柱、光缆以及位于控制室的合并单元构成。采集器位于互感器底部。信号柱由环氧筒构成支撑件，筒内填充绝缘脂，以增强绝缘并保护光缆。

互感器输出的数字信号通过合并单元送给数字化计量、测控、保护装置使用。 低功率小信号的输出使互感器体积大为减小，采用固体绝缘脂和硅橡胶复合套管形成密封实心柱体，消除了传统电容器存在的漏油的问题，具有耐污、防爆、难燃和绝缘可靠、免维护等优点。 2.2.2 电源系统

同于电子式电流互感器。 二、电子式互感器的优点 安全性：

1）互感器的高低压部分通过光纤连接，没有电气联系，绝缘距离约等于互感器

整体高度，安全裕度大大提高；

2）高低压部分的光电隔离，使得电流互感器二次开路、电压互感器二次短路可能导致危及设备或人身安全等问题不复存在；

3）电容式电压互感器无中间变压器，避免了发生铁磁谐振的危险；

4）以固体绝缘脂替代了传统互感器的油或SF6，避免了传统充油互感器渗漏油现象，也避免了SF6互感器的SF6气体的渗漏气现象；弹性固体绝缘保证了互感器绝缘性能更加稳定，无需检压检漏，运行过程中免维护；

5）高压侧采集器的工作电源同时由一次取能线圈和激光电源提供，两者动态自检，互为热备用，系统工作稳定性高； 6）采集器为双A/D设计，互感器自检功能完备，若出现通讯故障或互感器故障，保护装置将会因错误标或收不到校验码正确的数据而可以直接判断出互感器异常从而闭锁保护； 准确性：

1）Rogowski线圈无磁饱和、频率响应范围宽、精度高、暂态特性好，不受环境因素影响；

2）电子式互感器无传统二次负荷概念，一次模拟采样值小信号低功率的输出可确保达到高精度等级；

3）采集器具有测温功能，可根据环境温度实时补偿采集数据；

4）数字信号通过光纤传输，增强了抗EMI性能，数据可靠性大大提高； 三、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，