1、本科毕业论文（20 届）电力系统用电子式互感器技术进展所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -电力系统用电子式互感器技术进展摘要电力系统是国民经济的命脉，互感器是电力系统中为电能测量、监控、保护等提供电流、电压信号的重要设备，其精度、可靠性能及稳定性与电力系统的安全、长期、稳定、经济运行密切相关，是电力系统中不可或缺的电力设备之一 6。但是，随着我国经济建设的不断发展，电力工业也得到了迅猛的发展，电力系统输电容量不断扩大，远距离输电不断增加，电网电压等级不断上升，随之对电力设备小型化、智能化、准确化的要求也日
2、益增加。目前系统中广泛运用的基于法拉第感应原理的电磁式电流互感器、电磁式电压互感器因传感机理已经呈现出了无法克服的困难，比如说绝缘、爆炸、磁干扰、磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、体积大、重量重等问题。重要的是，电力系统的发展趋势是计算机化、网络化、智能化，这些都要求互感器输出的数字化。在查了大量文献的基础上，本文全面而详尽地分析了电子式互感器的工作原理和特点，并与传统电磁式互感器进行比较，证明电子式互感器比传统电磁式互感器具有多方面的优势，可以更好的满足现代电力系统对互感器的需求，指出电子式互感器是电磁式互感器的理想替代品，为电力系统用互感器的研究指明了方向，达到了“研究规律、掌握规律、应用规律
3、”的目的。关键词 电力系统；电子式互感器；数字化；规律哈尔滨理工大学学士学位论文- II -The development of electronic transducer which use in Electric power system AbstractElectric power is very important in our daily life as it is the lifeblood of national economy. Transformers working in power system are the indispensable electrical equip
4、ments in the power system and without transformers the measurement system, monitoring system and protection system cannot work. The accuracy, reliability and stability of the transformer will influence the security, stability and economic operation of the power system. But in the recent years the el
5、ectric power industry developed rapidly with the continuous development of Chinas economic construction. Along with the continuous rising voltage level, the expanding transmission capacity and the increasing long-distance transmission, the modern power system calls for small size, intelligence and h
6、igh accuracy power equipments. Current transformer based on Faraday principle of electromagnetic induction possesses shortcomings like bulky, heavy, analog output, insulation difficult, magnetic saturation, small dynamic range, narrow band, flammable and so on. The more important is that the power s
7、ystem is tend to digital, networked and intelligent. In the basis of reading a large number of literature. This paper is devoted to the study the working principle and characteristics of the electronic transformers, and the investigated result shows that electronic transformers possess many advantag
8、es and can better meet the needs of the modern power system comparing with the traditional transformers. At the same time this paper tries to point out the direction of further development of the electronic transformers. 哈尔滨理工大学学士学位论文- III -Thus, this paper achieves the purpose of “To research the l
9、aw, to understand the law, to use the law “.Keywords power system,；electronic transformer；digital； regular哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .61.1 课题背景 .61.2 互感器的简介 .61.2.1 互感器的作用 .61.2.2 互感器的分类 .71.3 电子式互感器 .81.3.1 电子式互感器的分类 .81.3.2 电子式电流互感器的结构 .91.3.3 电子式电压互感器的结构 .111.4 电子式互感器与传统互感器的比较
10、.131.4.1 传统式互感器的特点 .131.4.2 电子式互感器的特点 .13第 2 章 电子式电流互感器 .152.1 磁光电流互感器 .152.1.1 磁光电流互感器的原理 .152.1.2 磁光电流互感器的结构 .162.1.3 磁光电流互感器的稳定性问题 .172.2 全光纤电流互感器 .182.2.1 概述 .182.2.2 基于偏振检测方法的全光纤电流互感器 .182.2.3 基于干涉检测方法的全光纤电流互感器 .202.3 空心线圈电流互感器 .212.3.1 空心线圈原理 .212.3.2 空心线圈的类型 .232.3.3 空心线圈电流互感器性能分析 .242.4 补偿式光
11、学电流互感器 .262.4.1 比较式光学电流互感器 .262.4.2 自适应式光学电流互感器 .28第 3 章 电子式电压互感器 .313.1 光学电压互感器 .313.1.1 基于 Pokels 效应的光学电压互感器原理 .31哈尔滨理工大学学士学位论文- V -3.1.2 Pockles 效应电场传感头的基本结构 .323.2 阻容分压型电压互感器 .343.2.1 电阻分压型电压互感器 .343.2.2 电容分压型电压互感器 .36第 4 章 组合式电子电流 电压互感器 .384.1 组合式光学电子电流 电压互感器 .384.1.1 组合式光学电子电流电压互感器的构成 .384.1.2
12、 组合式光学电子电流电压互感器的分类 .394.1.3 组合式光学电子电流电压互感器的绝缘结构设计 .404.2 GIS 中电子电流 电压互感器 .414.2.1 概述 .414.2.2 GIS 中电子式电流电压互感器的结构 .41第 5 章 全文总结与展望 .435.1 本文主要工作总结 .435.2 电子式互感器技术展望 .43致谢 .46参考文献 .47附录 .51哈尔滨理工大学学士学位论文- 6 -第 1 章 绪论1.1 课题背景目前电力系统大多采用的是传统的电磁式电流互感器和电压互感器来实现对电流和电压的测量。电磁式互感器经历了一百多年的发展，材料和制作工艺不断改进，为提高测量准确度
13、而采取了各种补偿措施，电磁式互感器已经发展到一个相对比较成熟的阶段。曾经在很长一段时间内，电磁式互感器在电力系统中也具有测量准确度高和制造工艺成熟的优势，适应了电力系统的测量要求。但是，由于传统的电磁式互感器存在的绝缘、爆炸、磁干扰、磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、体积大、重量重等问题，使其已经难以满足当今电力系统发展的要求，电子式互感器取代传统式互感器已经成为一种必然36。电子式互感器主要由传感元件和数据处理单元组成，由于其传感机理的先进性，绝缘相对简单，不存在爆炸、磁饱和、磁干扰以及铁磁谐振的问题，动态范围大、频率响应宽，并且结构紧凑、体积小，适应传感准确化、传输光纤化、输出数字化的发展方向
14、，使其必将成为传统电磁式互感器的换代产品。数字化变电站作为当今世界的热门话题之一，引起了各界认识的广泛关注， 随着电力系统的发展，互感器也为了适应其而不断被开发和研究，早在 20 世纪 50 年代，国外一些公司相继开始了对新型互感器的研究，并在 90 年代将电子式互感器应用到电力系统中。越来越多的国家把目光投向新型电子式互感器的研发，国际电工委员会也颁布了电子式互感器（IEC60044-8 ）的标准。同时，国内也已经将此标准等同采用并转化为相应的国标：电子式电压互感器（GB20840.7-2007）和电子式电流互感器（GB20840.8-2007） ，为电子式互感器的技术发展奠定了一定参考基础
15、 8。1.2 互感器的简介1.2.1 互感器的作用互感器是为电力系统中电能的计量、测量、监控、保护等提供电流或者电压信号的重要电力设备 1。为保证电力系统经济安全的运行，就要求被测信号能够准确的被反映出来，从而做出相关动作 39。互感器是电力传哈尔滨理工大学学士学位论文- 7 -输系统中连接一次和二次之间的纽带，它由一个或者多个电流或电压传感器组成，用于产生能够正确反映被测信号的量，供给其他测量仪器或者设备 15。互感器的主要作用可归纳如下：（1）将电力系统一次侧的电流或者电压信号传递到二次侧，供给其他测量仪表和计量装置，从而正确反映一次侧电流和电压的运行情况。（2）当电力系统发生故障时，互感
16、器能快速感应，并且正确反映出故障状态下的电流或者电压波形，与继电保护和其他装置配合，实现对电力系统故障情况下的监测、控制和保护。（3）互感器实现了一次高压侧和二次设备侧的电气隔离，从而保证了二次设备和工作人员的安全，并且将一次侧的高电压、大电流转换为二次侧的低电压、小电流，使测量更标准化。1.2.2 互感器的分类1.按原理分（1）电磁式互感器。是按比例变换电压或者电流的设备，它是为测量仪器、仪表等提供信号的变压器。（2）电子式互感器。由连接到传输系统和二次转换器的一个或多个电流或电压传感器组成，采用光电子器件用于传输正比于被测量的量，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制设备的一种装置。在数字接口
17、的情况下，一组电子式互感器共用一台合并单元完成此功能。2.按用途分（1）测量用互感器。主要是在电力系统正常运行时，将大电流变成小电流，高电压变为低电压，然后与 测 量 仪 表 配 合 ， 对 电 路 的 电 压 、 电 流 、电 能 等 进 行 监 视 、测 量 和 记 录 。（2）保护用互感器。主要在电力系统非正常运行或者故障运行条件下，将相应的信号供给继电保护或者其他设备，以便设备做出相应动作，实现对非正常运行或者故障运行的监视、记录和校正。3.按对象分（1）电流互感器。是利用电磁感应原理改变电流量值的一种器件。它的一 次 绕 组 串 联 在 电 路 中 ， 并 且 匝 数 很 少 ， 因
18、 此 ， 一 次 绕 组 中 的 电 流完 全 取 决 于 被 测 电 路 的 一 次 负 荷 大 小 而 与 二 次 电 流 无 关 。 而 二 次 绕 组与 测 量 仪 表 、 继 电 器 等 的 电 流 线 圈 串 联 ， 由 于 测 量 仪 表 和 继 电 器 等 的 电流 线 圈 阻 抗 都 很 少 ， 电 流 互 感 器 的 正 常 工 作 方 式 接 近 于 短 路 状 态 。 并且 在 运 行 中 不 允 许 电 流 互 感 器 二 次 侧 开 路 。 如 果 二 次 侧 开 路 ， 二 次 电流 为 零 ， 这 时 电 流 互 感 器 的 一 次 电 流 全 部 用 来 励
19、磁 ， 铁 芯 中 的 磁 通 密 度剧 烈 增 加 ， 引 起 铁 芯 中 有 功 损 耗 增 大 ， 使 铁 芯 过 热 ， 导 致 互 感 器 损 坏 。电 流 互 感 器 又可分为：哈尔滨理工大学学士学位论文- 8 -电磁式电流互感器。是一种正常条件下其二次电流与一次电流成正比，且在连接方法正确时相位差接近于零的互感器。电子式电流互感器。是一种在正常使用条件下，其二次转换器的输出正比于一次电流，且相位差在连接方向正确时接近于已知相位角的互感器。（2）电压互感器。是利用电磁感应原理改变交流电压量值的一种器件。它 的 一 次 侧 的 电 压 不 受 二 次 侧 负 荷 的 影 响 ， 并
20、且 在 大 多 数 情 况 下 ， 二 次侧 负 荷 是 恒 定 的 ， 且 二 次 侧 所 接 的 负 荷 是 测 量 仪 表 和 继 电 器 的 电 压 线 圈 ，它 们 的 阻 抗 很 大 ， 因 此 ， 电 压 互 感 器 的 正 常 工 作 方 式 接 近 于 空 载 状 态 ，必 须 指 出 ， 电 压 互 感 器 二 次 侧 不 允 许 短 路 ， 因 为 短 路 电 流 很 大 ， 会 烧 坏电 压 互 感 器 。 电 压 互 感 器 又 可 分 为 ： 电 磁 式 电 压 互 感 器 。 是 一 种 通 过 电 磁 感 应 将 一 次 电 压 按 比 例 变 换成 二 次 电
21、 压 的 电 压 互 感 器 ， 这 种 互 感 器 不 附 加 其 他 改 变 一 次 电 压 的 电 气元 件 。 电 子 式 电 压 互 感 器 。 是 一 种 在 正 常 使 用 条 件 下 ， 其 二 次 电 压 正 比于 一 次 电 压 ， 且 相 位 差 在 连 接 方 向 正 确 时 接 近 于 已 知 相 位 角 的 互 感 器 。电容式电压互感器。主要是由电容分压器和电磁单元组成，其二次电压正比于一次电压，且相位差在连接方向正确时几乎接近于零。（ 3） 组 合 互 感 器 。 是 由电流互感器和电压互感器组成并装在同一外壳内的互感器。这种互感器同时具有电流互感器、 电 压
22、互 感 器 的 功 能 ，也 可 分 为 电 磁 式 组 合 互 感 器 和 电 子 式 组 合 互 感 器 。1.3 电子式互感器电子式互 感 器 标 准 首 先 定 义 了 电 子 式 互 感 器 及 其 各 部 分 的 组 成 ， 其中 包 括 一 次 传 感 器 、一次转换器、传输系统、二次转换器、合并单元、一次电源以及二次电源。采用光电子器件用于传输信号，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制设备，其输出信号一般为正比于被测量的电压或者电流信号。在数字接口的情况下，一组电子式互感器共用一台合并单元。以下将分别对电子式电流互感器和电子式电压互感器的分类和结构做出详细的介绍 11。1.3.1
23、 电子式互感器的分类1.电子式电流互感器（1）按原理分光学电流互感器。是利用法拉第磁光效应原理，采用光学原理、 器件 做 电 流 传 感 器 的 一 种 互 感 器 。 光 学 器 件 主 要 由 光 学 玻 璃 、 光 纤 等 组成 ， 其 输 出 电 压 大 小 正 比 于 被 测 电 流 大 小 。哈尔滨理工大学学士学位论文- 9 -空心线圈电流互感器，又称为 Rogowski 线圈式电流互感器。它是有源电子式互感器，主要由 Rogowski 线圈和数字变换器组成。空心线圈一般由漆包线均匀绕制在环形骨架上，其相对磁导率与空气的相对磁导率相同，这也是空心线圈电流互感器区别于其它带铁心的电流
24、互感器的一个显著特征。空心线圈电流互感器在原理和结构上与传统的电流互感器有很大的不同，其性能会受到温度及外界磁场等因素的影响。铁心线圈式低功率电流互感器。它是在传统式电流互感器的基础上发展而来的，在一次侧高电流的情况下，其饱和性能得到改善，并且测量范围相对较广，其输出为电压信号。（2）按用途分测量用电子式电流互感器。是一种用于测量的电流互感器，其输出信号传输至有关仪器仪表。保护用电子式电流互感器。是一种用于保护的电流互感器，其输出信号传输至继电保护和控制装置。2.电子式电压互感器（1）按原理分光学电压互感器。由光学材料做敏感原件，利用光纤传输信号，被测电压直接加在敏感元件上，且输出电压正比于被
25、测电压，是一种传感型电子式电压互感器。阻容分压型电压互感器。是针对电容分压型电压传感元件的暂态响应不佳问题而提出的，被测电压由电阻器、 电 容 器 或 者 阻 容 器 分 压 后 ，变 为 光 信 号 通 过 光 纤 传 输 至 二 次 转 换 器 ， 经 过 处 理 得 到 被 测 电 压 。（2）按 用 途 分 测 量 用 电 子 式 电 压 互 感 器 。 是一种用于测量的电压互感器，其输出信号传输至有关仪器仪表。 保 护 用 电 子 式 电 压 互 感 器 。 是一种用于保护的电压互感器，其输出信号传输至继电保护和控制装置。1.3.2 电子式电流互感器的结构为了规范和推动互感器行业的快速健康发展，我国于 2007 年 1 月颁布了电子式电流互感器的国家标准：GB/T20840.8-2007 ，标准对电子式互感器数字量的输出做了一些规定 7。图 1-1 是电子式光学电流互感器在变电站中运行的一般模式，光源发出的光通过光缆传输至位于绝缘套管高压区的传感头，经处理后，光信号又通过光缆从高压区传至低压区二次转换器，实现光电转换，信号再经过处理后进入合并单元，合并单元的同步高速数据采集模块对各路模拟量进行采集，并将所采集的数据以串行的方式输到二次设备，实现对信号的计量、监控以及保护。
