电子式互感器在智能电网建设中的应用研究 |
| 2013-03-03 16:14 作者：李红岩 周德志 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网文 据《硅谷》杂志2012年第22期刊文称，电子式互感器相比与传统电磁式互感器在智能电网中有着诸多的优点，对电子式互感器分类、工作原理进行简单介绍，阐述电子式互感器在智能电网中的应用现状及运维中暴露的问题，并提出解决方案。
关键词：电子式电流互感器；电子式电压互感器；智能电网；智能变电站
1电子式互感器的简介
电子式互感器是具有模拟量电压输入或数字量输出，共频率为15Hz~100Hz的电气测量仪器和继电保护装置使用。其中图1为数字量输出型电子式互感器的通用图框。
根据IEC和国家标准，电子式互感器可分为有源型和无源型两种。在图1中，若一次变换器是电子部件，需要一次电源供电，则称此类电子式互感器为有源式电子式互感器；若一次传感器是光学原理的，光纤传输系统可以直接将光测量信送出，无需一次变换器，则称此类电子式互感器为无源式电子式互感器。其中图2为电子式互感器的分类示意图。
2电子式互感器的技术特点及性能比较
电子式互感器与常规互感器相比，具有消除磁饱和现象、对电力系统故障响应快、消除铁磁谐振、绝缘性能优良、能适应电能计量与保护数字化发展、动态范围大、频率响应范围宽、经济型好等优点。其中不同原理的电子式互感器也具有其自身的技术特点。
在工程应用中，不用原理的电子式互感器有其自身的优势和弊端。表1、表2中将对电子式电压互感器和电子式电流互感器根据其分类进行在性能上进行比较。
表1电子式电压互感器技术性能比较表
电子式电压互感器 有源型 无源型
电容分压 电阻分压 普克效应 逆压电效应
性
能
比
较 暂态特性 电容电压有俘获电荷现象电压过零误差大 好
温度影响 不太敏感 敏感
电磁干扰 电容分压有对地杂散电容 影响小
光点结构 简单 复杂
高压侧工作电流 需要 不需要
运行时间 相对较长 极短
运行数量 多 极少
表2电子式电流互感器技术性能比较表
电子式电流互感器 有源型 无源型
线圈型 磁光玻璃型 全光纤型
传感原理 法拉第电磁感应 法拉第磁光效应 法拉第磁光效应
高压侧敏感元件 罗氏线圈+有源电路 磁光玻璃 光纤环
性
能
比
较 测量与保护所用元件能否合用 不能 能 能
高压侧是否需要供能 需要 不需要 不需要
高压侧是否需要屏蔽 需要金属屏蔽 不需要 不需要
敏感头安装适应性 弱 弱 强
光路结构 简单 较复杂 较简单
直流与非周期分量 不可测 可测 可测
满足精度的测量范围 小 大 大
保护准确级 5P，5TPE 5P，5TPE 5P，5TPE
测量计量准确级（考虑小流情况） 0.2S 0.2S 0.2S
线性度 一般 较好 好
系统组成 简单 复杂 复杂
温度影响 无 有 有
抗电磁干扰 差 良好 良好
光波长影响 无 小 大
线性双折射影响 无 有影响（有专门技术解决） 有影响
产
品
情
况 应用场合 AIS，GIS AIS AIS，GIS
运行时间 相对较长 较短 最短
运行数量 多 一般 少
主要厂家 南瑞继保、国电南自、西安华伟 许继、同维 南瑞航天、南瑞继保、NXTPhase、ABB
3智能变电站中电子式互感器的配置及应用现状
3.1智能变电站中电子式互感器的配置
据国家电网基建〔2011〕58号-《国家电网公司2011年新建变电站设计补充规定》要求，110kv及以上电压等级可采用电子式互感器，也可采用常规互感器。选用电子式互感器，需进行充分技术经济论证。
当智能变电站中使用电子式互感器时，通过采取电子式互感器+合并单元方式实现电压电流的就地数字化采集。具体配置原则如下：
1）互感器二次绕组的数量和准确级应满足继电保护、自动装置、电能计量和测量仪表的要求。
2）保护用电流互感器的配置应避免出现主保护死去。
3）电子式互感器内应由两路独立的采样系统进行采集，每路采样系统应采用双A/D系统接入合并单元，每个合并单元输出两路数字采样值由同一路通道进入一套保护装置，以满足双重化保护相互完全独立的要求。
4）采用罗氏线圈院里的电流互感器线圈应包括：用于保护和测量的罗氏线圈、用于测量/计量的低功率线圈。
5）互感器应采取措施，以消除温度、振动、外磁场干扰对互感器精度和稳定性的影响。
6）合并单元可以布置在户外就地智能控制柜内，也可以与保护设备共同组屏布置在二次设备室。
表3、表4中为应根据国家电网公司颁布的相关设计文件要求的电子式电流互感器二次绕组配置及电子式电压互感器二次绕组配置。
表3电子式电流互感器二次绕组配置
电压等级 750/500/330kV 330/220/110kV 66/35kV
主接线 一个半接线 双母线（双母线分段） 单母线
准确级 全光纤型 边：
0.2S（5TPE）/0.2S（5TPE）/0.2S（5TPE）/0.2S（5TPE）；
中：
0.2S（5TPE）/0.2S（5TPE）/0.2S（5TPE）/0.2S（5TPE）； 主变压器进线、出线、分段、母联：0.2S（5TPE）/0.2S（5TPE）/0.2S（5TPE）/0.2S（5TPE）； 主变压器进线断路器或套管：0.2S（5TPE）/0.2S（5TPE）/0.2S（5TPE）/0.2S（5TPE）；
罗氏线圈 边：
0.2S（5TPE）/0.2S（5TPE）；
中：
0.2S（5TPE）/0.2S（5TPE）； 主变压器进线、出线、分段、母联：0.2S（5TPE）/0.2S（5TPE）； 主变压器进线断路器或套管：0.2S（5TPE）/0.2S（5TPE）；
磁光玻璃
测量用数字量输出的额定值 量程标志=0，2D41H；
量程标志=1，2D41H；
保护用数字量输出的额定值 量程标志=0，01CFH；
量程标志=1，00E7H；
表4电子式电压互感器二次绕组配置
电压等级 750/500/330kV 330/220 110/66/35kV
主接线 一个半接线 双母线（双母线分段） 单母线
台数 母线：单相；
线路、主变：三相； 母线、线路、主变：三相 母线：三相；
线路：单相；
准确级 母线：0.2（3P）/0.2（3P）；
线路、主变：0.2（3P）/0.2（3P）； 母线、线路：0.2（3P）/0.2（3P）； 母线、线路：0.2（3P）/0.2（3P）；
数字量输出的额定值 测量：2D41H；
保护：2D41H；
3.2电子式互感器在智能电网建设中的应用现状
随着电子式互感器技术的日趋成熟，电子式在不同电压等级的部分变电站中得到了应用。在110kV及以下变电站中，电子式互感器已在几年前投入了运行；在220kV及以上变电站中，逐步由电子式互感器与常规互感器并列挂网运行过度至电子式互感器单独使用并投入运行。已经投运的陕西延安750kV智能变电站、吉林长春南500kV智能变电站、江苏西泾220kV智能变电站等试点工程中全面应用了各种类型电子式互感器。
现运行的电子式互感器与GIS设备组合安装有一下几种形式：
1）将有源式电子式电流互感器安装于GIS组合电器的气室内，有源式电子式电压互感器悬挂安装与高压电级连接。
2）将有源式电子式电流互感器与隔离开关组合安装，使其安装在隔离开关底座上，隔离开关承受电离子互感器重量。这样可以压缩配电装置间隔纵向尺寸，减小变电站占地面积。
3）全光纤电子式电流互感器与GIS组合安装，其中之一将电子互感器直接套在GIS罐体外部，不改变GIS结构，安装简单；另可将电流互感器安装在GIS高压气室外部链接处，用法兰方式密封安装。
4）有源电子式电流、电压互感器安装在GIS高压气室内部。
截止至2011年5月31日为止，国家电网公司系统110（66）kV及以上电压等级在运电子式互感器共计2041台，占所有在运互感器总数的0.48%。其中电子式电流互感器1359台，电子式电压互感器411台。电子式互感器主要应用于110kV系统。电子式电流互感器以有源型为主，只有1/3为无源型，电子式电压互感器基本为有源型。
4电子式互感器运行中遇到的问题及解决方案
4.1电子式互感器运行情况
经国家电网公司相关单位对公司系统110（66）kV以上电子式互感器运行情况的调研，对对各类电子式互感器运行过程中出线的问题进行了统计分析，具体情况如下：
1）电子式电流互感器。据统计，投运以来，国家电网公司系统内电子式电流互感器共发生故障141台次，其中500kV等级61台次（均为直流系统），220kV电压等级11台次，110kV电压等级67台次，66kV电压等级2台次。
电子式电流互感器各故障类型占总数百分比分别为：采集器故障46.8%，传感器故障17.0%，光纤故障10.6%，合并单元故障6.4%，激光功能单元故障3.5%，绝缘受潮0.7%，软件问题2.1%，噪声干扰10.6%，其他2.3%。
2）电子式电压互感器。据统计，电子式电压互感器共发生故障52台次，其中800kV等级32台次（均为直流系统），220kV电压等级2台次，110kV电压等级17台次，66kV电压等级1台次。
3）电子式电流互感器各故障类型占总数百分比分别为：采集器故障26.9%，合并单元故障1.9%，电磁干扰9.7%，绝缘问题61.5%。
电子式电压、电流组合型互感器。电子式电压、电流组合型互感器共发生故障9台次，其中220kV等级1台次，110kV电压等级5台次，66kV电压等级3台次。
4.2电子式互感器应用问题分析
由于在运电子式互感器数量有限，运行时间不长，积累的运行经验不多，设备的稳定性和可靠性较常规的互感器存在较大差距。运行期间发现存在以下问题。
1）技术不够成熟。激光供电型电子式电流互感器高压侧电子电路较为复杂且受功能影响；磁光玻璃电流互感器存在光学传感头加工困难、测量受光功率波动的影响、小电流测量时的信噪比较低、易受环境温度的影响等；全光纤电流互感器存在光纤器件的非理想偏振特性问题、Verdet常数的补偿问题和小电流测量时的信噪比较低等问题；电子式电压互感器较电流互感器的成熟度更低，电容分压型的电子式电压互感器易外界空间杂散电容对电压分压比的影响；光学电压互感器整体方案还需深入研究，与光学电流互感器一样易受外界环境因素影响。
2）设备稳定性差。实际运行中，电子式互感器故障率偏高、易受外部干扰出现数据异常，电子式互感器处于户外环境的高压线、隔离开关、断路器等强干扰源附近，需经受恶劣气候和不规则强电磁干扰的考验。有源式电子式互感器在高压侧含有电子电路且需要电源支持才能正常工作，但是由于目前的电子式互感器所用电子元件的电磁兼容标准偏低，抗干扰能力普遍偏低。因光学器件对温度、振动敏感导致无源电子式互感器的稳定性受温度、振动的影响。
3）入网管理不到位，针对电子式互感器存在试验项目和方法不完善，检验项目针对性不强；运维管理困难，电子式互感器运行设备少，时间短，目前还没有相关规程规定指导设备状态特征量获取、设备评价、维护和检修工作；运行期间故障率高，直流系统国外生产电子式互感器中，无源式电压互感器运行情况较稳定，有源式电流互感器远端模块出现故障率大，国内生产全光纤电路互感器敏感环易损坏。
4）电子式互感器运行时间短，其长期运行的稳定性、可靠性及寿命还需要经过足够长时间运行实践的检验；电子式互感器制造、验收、检修、运行管理等规程规定缺少或尚未完善，行波故障测距装置需要专门配置能提供快速采样值的采集器和合并单元，电子式互感器用于电能计量尚未得到国家有关部门的认证。
4.3电子式互感器应用建议及智能电网过度方案
针对电子式互感器监测、运行过程中出现的一些情况，电网公司及设备厂家需加强技术研究，提高产品可靠性的同时制定各类技术标准，规范生产运行管理来改进电子式互感器。
就现阶段而言，常规互感器具有较成熟的运行经验，配以合并单元实现就地数字化采样传输，虽然是一种过渡措施，但在现阶段是一种较为可行的技术方式：一方面解决了互感器的可靠性问题；另一方面随着电子式互感器的逐步推广，为应用二次设备全寿命周期运行创造了条件。 |
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