智能变电站中的无源电子式互感器

第三节　互感器

1.常规电流互感器的缺点?

答:常规电流互感器在故障状态下铁芯饱和及磁滞回线，会使电流测量极其不准确;抗电磁干扰能力弱;绝缘技术、体积、质量和价格都随电压等级的升高而越来越大;运输安装和维护较为困难;测量受频率影响较大。

2.国际标准对电子式互感器的参数要求是什么?

答:根据国际标准IEC 61850－5－13的要求，电子式互感器须为各种智能IED提供高准确度的电流I和电压U(准确度应小于0.2%)，其数据采样率必须大于或等于12 000次/s。三相同步时间应为±1 μs。PMU与WAMS的连接应满足IEEE 37.118的准确性标准(1级)并对数据传输使用IEEE 37.118标准。要求PMU的数据采样率大于等于12 000次/s，测量频率的绝对准确度为±1 MHz，绝对相角准确度为±0.02°，时间准确度为±1 μs。数据传输率为50/60 Hz。

3.电子式互感器由哪些部分构成?

答: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，有些部分可以省略。

4.电子式互感器按功能如何分类?

答:按功能分可分为电子式电压互感器(EVT)、电子式组合互感器(ECVT)、电子式电流互感器(ECT)。

5.电子式互感器按应用场合如何分类?

答:按应用场合可划分为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。

6.电子式互感器按是否需要一次电源如何分类?

答:按是否需要一次电源分类如下。

(1)有源电子式互感器:电磁感应原理(空心线圈、LPCT)互感器，分压原理(R、L、C)互感器。

(2)无源电子式互感器:法拉第磁光效应原理互感器，Pockels电光效应互感器，Kerr效应互感器，逆压电效应互感器，光学玻璃结构的电流互感器。

7.电子式互感器输出量是多少?

答:模拟量ECT:4 V(测量)及200 mV(保护)。EVT:1.625 V，2 V，3.25 V，4 V，6.5 V以及上述值的1/3。

数字量输出ECT:2D41H(测量)及01CFH或00E7H(保护)。EVT:2D41H输出格式按GB/T 20840.8(IEC 60044－8)或DL/T 860.9(IEC 61850－9)的要求。

8.有源电子式互感器有哪些特点?

答:(1)传感头部分有电子电路及工作电源。

(2)利用电磁感应或分压原理获取被测信号:ECT:空心线圈(RC)、低功率铁芯线圈(LPCT)EVT:电阻、电容、电感分压。

(3)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。

(4)用于GIS或者罐式断路器时电源在低压侧。

9.有源电子式互感器的关键技术及难点是什么?

答:(1)供电技术(GIS、罐式断路器例外)。

(2)激光、小CT取能。

(3)远端传感模块(一次采集模块)的稳定性和可靠性。

10.无源电子式互感器的特点是什么?

答:(1)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。

(2)EVT传感头利用Pockels电光效应原理。

(3)光纤只传输传感信号，同时光纤可实现高低压绝缘隔离。

(4)是电子式互感器的理想解决方案。

11.目前电子式互感器要着重改善的地方有哪些?

答: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。

12.光纤传感器的测量原理是什么?

答:光纤传感器是一种把被测量转变为可测的光信号的装置，以光作为敏感信息的载体，以光纤作为传递敏感信息的媒质，由光发送器、敏感元件、光接收器、信号处理系统以及光纤组成。由光发送器发出的光源经光纤引至敏感元件，光的某一特性受到被测量的调制后，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到期待的被测量。

13.与传统传感器相比，光纤传感器有哪些优点?

答:光纤传感器与传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。光纤传感器更稳定、更可靠、更准确，而且不受电磁干扰、体积小、重量轻、可挠曲、灵敏度高、动态范围大、电绝缘性能好，在易燃易爆、强腐蚀、强电磁场等恶劣环境中能够稳定工作。

14.智能电网中使用的传感器有哪些?

答:智能电网中使用的传感器包括传统传感器、光纤传感器以及新兴的智能传感器等。传统传感器包括电流/电压传感器、气体传感器、超高频传感器、温湿度传感器、压力传感器、振和传感器、噪声传感器、风速和风向传感器等。

15.光纤传感器一般可分为哪些种类?

答:按照光纤在传感器中所起的作用，光纤传感器一般可分为三类。

(1)功能型光纤传感器。利用光纤本身的特征把光纤直接作为敏感元件，既感知信息，又传输信息。有时又称其为传感型光纤传感器，或叫作全光纤传感器。

(2)非功能型光纤传感器。利用其他敏感元件感知待测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号。有时也称其为传光型传感器，或叫作混合型传感器。

(3)拾光型光纤传感器。利用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。

16.智能传感器技术所涉及的领域有哪些?

答:智能传感器技术是涉及传感、微机械、微电子、网络、通信、信号处理、电路与系统，以及小波变换、神经网络、遗传算法、模糊理论等多种学科的综合技术。

17.智能传感器有怎样的特点?

答:智能传感器具有以下特点:①通过软件技术可实现高精度的信息采集;②具有一定的自动编程能力;③功能多样化等。智能传感器性价比高，易于安装与维护;集成度高、体积小，并且能有效地防止破坏;电磁兼容性良好，易于实现故障检查;同时具有实现智能数据交换与远程控制的软硬件，因此在设备状态监测等方面具有广泛的应用前景。

18.什么是无线传感器网络?

答:无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)是多学科高度交叉的前沿研究领域，综合了传感器、嵌入式计算、计算机及无线通信、分布式信息处理等技术。无线传感器网络利用大量的微型传感计算节点，通过自组织网络以协作方式实时监测、感知和采集各类环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，以一种“无处不在的计算”的新型计算模式，成为连接物理世界、数字虚拟世界和人类现实社会的桥梁。

19.无线传感器网络的基本要素是什么?它们之间如何实现通信?

答:无线传感器网络的基本要素是传感器、感知对象和观察者。传感器之间、传感器与观察者之间通过有线或无线网络进行通信，节点间以Ad Hoc方式(Ad Hoc是一种特殊的无线移动网络。网络中所有节点的地位平等，无须设置任何的中心控制节点。网络中的节点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发能力)进行通信，每个节点都可以充当路由器的角色。

20.与传统电磁感应式电流互感器相比，电子式互感器有哪些优点?

答:与传统电磁感应式电流互感器相比，电子式互感器具有以下优点:①高、低压完全隔离，具有优良的绝缘性能;②不含铁芯，消除了磁饱和及铁磁谐振等问题;③动态范围大，频率范围宽，测量精度高;④抗电磁干扰性能好，低压侧无开路和短路危险;⑤互感器无油可以避免火灾和爆炸等危险，体积小，重量轻;⑥经济性好，电压等级越高效益越明显。

21.罗氏线圈电流互感器的基本原理是什么?

答:罗氏线圈电流互感器是目前应用的主流电子式互感器产品。罗氏线圈是一种较成熟的测量元件，它是一种特殊结构的空心线圈，将测量导线均匀地绕在截面均匀的非磁性材料的框架上，就构成了罗氏线圈。罗氏线圈可以直接套在被测量的导体上，导体中流过的交流电流会在导体周围产生一个交替变化的磁场，从而在线圈中感应出一个与电流变比成比例的交流电压信号，即可根据被测电流的变化，感应出被测电流变化的信号。

22.罗氏线圈电流互感器的优点有哪些?

答:其优点在于被测电流几乎不受限制，反应速度快，可以测量前沿上升时间为纳秒级的电流，且精度可高达0.1%。由于没有铁芯，所以不存在铁磁饱和的问题。从测量大电流的观点来看，罗氏线圈是一种较理想的敏感元件。

23.影响罗氏线圈测量精度的因素有哪些?

答:目前从对罗氏线圈的研究来看，影响其测量精度的因素有以下几点。

(1)绕制工艺误差。罗氏线圈绕线非均匀，匝间留有调节间隙或绕线稀疏不均匀，会造成磁密并不完全垂直于每匝线圈截面，从而造成测量误差。

(2)计算误差。骨架材料的磁导率并非真空磁导率μ₀造成的计算误差。在罗氏线圈的输出公式中，骨架材料的磁导率按μ₀计算，而实际的骨架材料的磁导率在(1.0～1.1)μ₀之间波动，从而引起计算值与实际值之间的误差。

(3)浇铸误差。罗氏线圈绕线完毕后，外面还需要用皱纹纸及半导体纸进行包绕，然后在130℃下用环氧树脂浇铸。浇铸过程中的高温及压力会造成漆包线变软，甚至环氧树脂借助压力作用渗入绕线内空隙中，从而产生浇铸误差，浇铸误差一般在0.2%～2%。

(4)一次导线位置误差。一次导线的不同放置位置(位于中心或偏心)会造成测量误差，该误差是由罗氏线圈的绕线不均匀造成的，误差大小取决于一次导线的偏心度及绕线的均匀程度。(www.xing528.com)

(5)外部一次导线电流的磁场耦合干扰误差。由于电力线为三相，其他两相距离罗氏线圈测量相很近，其一次大电流产生的磁场会造成测量相的输出产生误差，该误差由罗氏线圈的绕制工艺误差产生(绕线非均匀或非整层绕制)。

(6)其他误差。罗氏线圈的使用温度条件及外部高频电磁场干扰也会造成其输出产生误差。

上述影响因素中，由于工艺方面引起的误差可通过提高制造质量来尽量减少，而对于外磁场对绕组和测量回路产生的干扰，需要通过屏蔽罗氏线圈来减小测量误差。

24.目前有源型电子电流互感器的供能方式主要有哪些?

答:目前有源型电子电流互感器的供能方式主要有三种:①自励方式，即通过电磁耦合利用一次侧电流从母线上取能;②外送方式，即由地面低压系统取能并转换为激光，通过光纤输送至高压平台，然后再将光能转换为电能;③采用可充电蓄电池供能，但该方式存在光电池转换效率、电池老化等问题，可靠性难以保证。所以，目前大部分的电子式电流互感器产品采用前两种方式相结合的供能模式。在一次导线带电前，通过光纤引导射频能量充入传感器电源，使采样电路预先启动;一次导线带电后，即可依靠自励源供电，此时射频注能自动关闭。

25.低功率电流互感器(LPCT)有哪些特点?

答:LPCT线圈采用纳米晶铁芯材料，其磁导率为常规互感器铁芯磁导率的40倍左右，使传统电磁式互感器在非常高偏移一次电流下出现饱和的问题得到了极大的改善，并因此显著扩大了电流的测量范围。除了量程比较宽外，LPCT可以设计的尺寸比传统电磁式电流互感器小很多。LPCT的输出依靠长期稳定的内部电阻变换得到可重复的精确结果，所以电阻性质必须在很宽的温度范围和很长的时间内保持稳定。

26.赛格奈克型光纤电流互感器原理是什么?

答:赛格奈克型光纤电流互感器的基本原理为:由光源发出的光经过耦合器后由光纤偏振器起偏，形成线偏振光。线偏振光以45°注入保偏光纤后，被等幅注入保偏光纤的X轴和Y轴传输。当这两束正交模式的光经过λ/4波片后，分别转变为左旋和右旋的圆偏振光，进入传感光纤。在传感光纤中，由于传输电流产生磁场的法拉第效应，这两束圆偏振光以不同的速度传输。在由传感光纤端面的镜面反射后，两束圆偏振光的偏振模式互换(即左旋光变为右旋光，右旋光变为左旋光)，再次穿过传导光纤，并再次与电流产生的磁场相互作用，使产生的相位加倍。这两束光再次通过对λ/4波片后，恢复为线偏振光，并在光纤偏振器处发生干涉。最后，携带相位信息的光由耦合器混合进探测器。由于发生干涉的两束光，在光路的传输过程中，分别都通过了保偏光纤的X轴和Y轴与传感光纤的左旋和右旋模式，只在时间上略有差别，因此返回探测器的光只携带了由于法拉第效应产生的非互易相位差。通过以上的原理分析可以看出，由于在系统中传输的光通过了完全相同的光路，因此方案具有优良的互易性，这也意味着具有更好的环境抗干扰能力。另外，此方案所用的光学器件比传统的光学互感器少，而得到的干涉相位是其2倍，因此成本更低。

27.光学电压互感器有哪些优缺点?

答:光学电压互感器根据其传感机制，具有不存在磁饱和、准确度高等优点。它利用光纤传递信息，抗干扰能力强，还能起到测量回路和高压回路电气隔离的作用，因而绝缘结构比传统互感器简单，并能减小体积、降低重量，有着传统电磁式互感器无法比拟的优点。然而采用电光晶体或压电晶体管作为传感组件的，其原理都是依据晶体在外加电场的作用下产生的电极化效应来实现对电场或电压的测量。因而环境温度及应力等外界作用将引起晶体的附加极化并形成对电场极化的干扰，影响工作稳定性。虽然可以采取一些措施消除或降低温度或外界应力对光纤电压互感器的影响，但这同时往往使传感头光路、电路变得更复杂，对传感头的加工与固化工艺的要求也更高。

28.罗氏线圈电流互感器的特点有哪些?

答:(1)罗氏线圈电流测量系统一个突出的特点就是线性度好。线圈不含磁饱和元件，在量程范围内，系统的输出信号与待测电流信号一直是线性的。系统的量程大小不是由线性度决定的，而是取决于最大击穿电压。积分器也是线性的，量程取决于本身的电气特性。线性度好使得罗氏线圈非常容易标定，因为系统可以使用常见的基准信号进行标定，标定后的系统在整个量程范围内都是线性的，测量结果都是准确的。测量准确度高，可达0.1级，保护可达5TPE级。同时由于线性度好，系统的量程可以随意确定，瞬态反应能力突出。频率响应范围宽，有利于新型保护原理的实现及提高保护性能。

(2)采集器处于和被测量信号等电位的密闭屏蔽的结构部件中，采集器与合并单元通过光纤相连，数字信号通过光缆传输，抗干扰能力强，数据可靠性高。

(3)电子式互感器通过光纤连接互感器的高低压部分，绝缘结构大为简单。以绝缘酯替代了传统互感器的油或SF6，互感器性能更加稳定，同时避免了传统互感器渗漏油的问题，也避免了SF6互感器的SFa气体对环境的影响。无须检压检漏，运行过程中免维护。

(4)不含油或SF6，彻底避免了充油互感器可能出现的燃烧爆炸等事故。高低压部分的光电隔离，使得电流互感器二次开路可能导致危及设备或人身安全等问题不复存在。

29.罗氏线圈电流互感器工程应用上存在的主要问题有哪些?

答:(1)罗氏线圈易受电磁干扰，在运行中传感线圈应严格屏蔽。

(2)高压传感头需要电源供给，一旦掉电将停止工作。因而在户外、空气绝缘变电站中应用时，要解决处于高电位电子设备的供电问题和信号从高电位到低电位的传送问题。

(3)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。

(4)罗氏线圈直接输出的信号是电流微分信号，不能测量非周期分量。

(5)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，从而产生输出结果受影响、电子线路测量准确度问题等。

罗氏线圈电流互感器比较适合应用于小绝缘距离的高电压系统，尤其是应用于全封闭气体绝缘装置(GIS)最好。

30.磁光玻璃型电流互感器有哪些优点?

答:(1)测量品质优良，频带范围宽，能够测量包括直流量到很高频率(电子线路限制)的交流，无惯性环节，响应速度快。

(2)高压传感部分无线圈、线路板、电子器件等，做到了高压端免维护，更加安全可靠。

(3)绝缘结构简单，绝缘成本不会随电压等级上升。

(4)可实现模拟信号、数字信号及数模混合信号多种输出形式。

(5)抗电磁干扰能力优异。完全采用光学材料作为传感元件和传输元件，测量信号不受外界电场、磁场的影响。

(6)具有良好的线性度及超大的动态范围。

31.磁光玻璃型电流互感器工程应用上存在的主要问题有哪些?

答:(1)采用开环工作模式，由于偏振光方位角与输出光强对应关系为正弦函数，随着测量范围的增加，非线性误差增大。

(2)磁光玻璃Verdet系数较小，为信号处理带来一定难度。

(3)存在线性双折射现象，磁光玻璃封装工艺要求高。

(4)运行经验少，长期稳定性和可靠性有待运行考验。

32.全光纤型电流互感器的优点有哪些?

答:(1)互感器中敏感元件和传输元件均为光纤，可熔融连接，基本上不受外界环境温度的影响，可实现敏感元件的长期稳定性和免维护，可靠性高。

(2)采用了全数字闭环控制技术，但增加了光原理电子调制器，即增加了系统的复杂性。

(3)抗干扰性强，适应500 kV变电站的电磁环境。

(4)互感器测量的线性度极好，动态测量范围大，并可测量直流和非周期性分量。

33.全光纤型电流互感器工程应用上存在的主要问题有哪些?

答:(1)光纤Verdet常数比逆磁玻璃的Verdet常数还要低接近1个数量级，因此多数光纤结构传感头采取多圈数绕制的方法，增加灵敏度，但光程的增加必然使线性双折射影响增大，而线性双折射与环境温度相关，克服温度影响是其主要课题之一。

(2)系统结构复杂，环节多，所用光学元件多，需要专门的温度控制等。

(3)运行经验少，长期稳定性和可靠性有待运行考验。

34.新安装(或更换)的互感器投运前应检查的项目有哪些?

答:(1)电子式互感器应在铭牌(或说明书)规定的技术指标范围内运行。

(2)电子式互感器的接地点，具有“零电位”(对单相分压式电压互感器)、“数字逻辑地”(电连接的数字信号)、“保护地”等多重作用，所以产品上标明的接地点螺栓应可靠接地，接地线为明线以便查验，禁止以底座接地代替接地点接地、虚挂接地以及运行中接地线开路。

(3)互感器一次端子板连接可靠(确保面接触)，保证在任何季节和检修时其机械负荷不超出制造厂规定。

(4)互感器的二次接线应稳定可靠，极性关系正确。

(5)互感器外绝缘爬电距离及伞群结构应满足安装地点污染等级及防雨伞要求，户内互感器应满足相应的污秽等级及凝露试验要求。

(6)互感器安装位置应在变电所过电压保护范围内，防止直击雷或侵入波造成破坏。

(7)电压互感器允许的最高运行电压及额定时间应遵守国标规定。

35.电子式互感器巡视周期是如何规定的?

答:(1)变电站值班人员应定期巡视。新投运的互感器设备应监视运行48 h，之后转入正常巡视，监视期间应根据投运后的情况多次巡查。

(2)正常巡视。有人值班电站每周至少一次，包括夜间闭灯巡视;无人值守电站每月至少一次。

(3)高温、高湿、气象异常、高负荷、自然灾害期间和事后，应及时巡视。

36.电子式互感器巡视项目有哪些?

答:(1)外观巡视。检查外观是否完好，各连接处是否牢靠，电接点是否有发热、变色、跳火，外露接点是否严重锈蚀。

(2)与互感器相关的仪表指示(测量值、保护值)是否在正常范围。

(3)互感器外绝缘是否清洁，有无裂纹、积灰及放电现象或留有放电痕迹。

(4)有无异常振动(交流声过大或异常音响)，接地螺栓是否因振动而松脱。

(5)有无发自互感器本体的挥发性异味。

(6)外露的通信线路连接是否完好无损。