电子式互感器及其在数字化变电站中的应用(0904)

电子式互感器及其在数字化变电站中的应用南瑞继保电气有限公司•数字化变电站概述数字化变电站应用电子式互感器的意义•国内外电子式互感器的发展及应用概况•电子式互感器的分类•电子式互感器的结构及原理有源电子式互感器的结构及原理无源电子式互感器的结构及原理•电子式互感器的试验方法•电子式互感器的主要技术参数电子式互感器有别于常规互感器的主要技术指标电子式互感器的型式试验•电子式互感器与二次设备的接口及配置接口、配置、同步、输出信号的规约•电子式互感器的生产及出厂试验简介•电子式互感器的安装调试及现场验收简介•电子式互感器的运行维护简介•电子式互感器应用实例数字化变电站概述•数字化变电站是由智能化一次设备和网络化二次设备分层构建，建立在IEC61850通信规范基础上，能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站。•智能化一次设备:电子式互感器、智能化开关等•网络化二次设备：过程层、间隔层、站控层与传统变电站的比较RCS保护RCS测控其他IEDCT/PTPCS保护PCS测控其他IEDECVTMU智能化开关GOOSEMMS电缆过程层间隔层站控层传统互感器光缆电子式互感器传统变电站结构图AIS数字化变电站结构图GPS工作站1工作站2远动站GPS工作站1工作站2远动站IEC61850IEC60870-5-103服务器A打印机站控层服务器B操作员工作站－XXXXXXXXXXXXXXXRCS-9698GXXXXXXXXXXXXXXXRCS-9698GRSTRST光纤工程师工作站规约转换器第三方智能电子设备，电度表，故障录波器等过程层总线:站控层总线:调度系统GPS天线RCS-9785C/DGPS时钟同步装置运行报警主从同步秒脉冲分脉冲区号取消IEC60870-5-101,IEC60870-5-104,DNP3.0,等RTURCS-9698G/HGPS时钟同步装置五防工作站（可选）RCS-9794A/B支持GMRP的交换机PCS-9700SCADA系统PCS-900系列保护装置PCS-9705系列测控装置PCS-9000系列保护装置PCS-221PCS-222PCS-221PCS-222PCS-9250系列电子式/光学电子式互感器间隔层过程层合并单元智能操作箱断路器PCS-9250系列电子式/光学电子式互感器断路器合并单元智能操作箱光纤MMS,GOOSEGOOSEIEEE1588IEEE1588支持GMRP的交换机GMRP，SNTP(联锁)，SV,(跳闸/开入)，数字化变电站系统结构图•常规互感器的主要缺陷•电子式互感器的主要优势(1)高低压完全隔离，绝缘简单，安全性高；没有因漏油而潜在的易燃、易爆等危险。(2)不存在磁饱和、铁磁谐振等问题。(3)频率响应宽，动态范围大，精度高，可同时满足测量和继电保护的需要。(4)体积小，重量轻，节约占地面积；无污染，无噪声，具有优越的环保性能。(5)不存在CT二次输出开路及PT二次输出短路的危害。(6)数字信号分享更为容易，带负载能力强。(7)成本与电压等级的关系不大。因此电压等级越高，经济性越明显。(8)方便地实现电压电流组合式。(9)适应电力系统数字化、智能化和网络化的需要。应用电子式互感器的意义数字化变电站实施的主要内容•主要内容：–一次设备智能化：电子式互感器，开关智能化–支持IEC61850的网络化二次设备–网络架构•实施的重点：过程层数字化–电压电流信号数字化传输–通过GOOSE网络实现对一次设备的控制和状态采集•始于二十世纪七十年代初英国、前苏联、日本、美国等•二十世纪八十年代发展较快微电子技术、光纤传感技术及光纤通信技术推动了电子式互感器发展•二十世纪九十年代进入实用化研究阶段ABB、ALSTHOM、SIEMENS等•二十一世纪初开始工程应用1999年IEC60044-7（电子式电压互感器）发布2002年IEC60044-8（电子式电流互感器）发布2007年GB/T20840.7（电子式电压互感器）和GB/T20840.8(电子式电流互感器)发布标准对电子式互感器使用条件、额定输出、设计及试验等进行了规范。2000年以来，数字化变电站的建设需求进一步推动了电子式互感器的应用，目前电子式互感器已开始小范围应用，并有逐步推广的趋势。电子式互感器的发展及应用概况•国外电子式互感器的研制应用概况ABB、ALSTHOM、MITSUBISHI、SIEMENS等(1)ABB及ALSTHOM约十年前研制出基于Faraday磁光效应的无源电子式电流互感器和基于Pockels电光效应的无源电子式电压互感器，产品计量精度达到0.2级，满足实用化要求，但其无源电子式互感器产品的实际应用很少。前几年，NxtPhase公司研制出全光纤无源电子式电流互感器，其产品的各项性能指标在-40℃+50℃温度范围满足实用要求，试运行效果较好，已有少量产品在变电站投入运行。电子式互感器的发展及应用概况•国外电子式互感器的研制应用概况电子式互感器的发展及应用概况•国外电子式互感器的研制应用概况(2)基于空芯线圈、分流器及激光供电等技术的有源电子式互感器是目前各公司推广应用的重点，已有不少工程使用有源电子式互感器。近年来，ABB及SIEMENS在高压直流输电工程中使用的互感器多数均为有源电子式互感器，其电流互感器使用分流器、空芯线圈和激光供电等技术，电压互感器主要使用电阻分压等技术。电子式互感器的发展及应用概况•国外电子式互感器的研制应用概况(3)气体绝缘开关（GIS）是各公司推广应用有源电子式互感器的另一个主要方面。GIS电子式互感器中，电流互感器采用空芯线圈，电压互感器采用同轴电容分压技术，输出信号以数字形式经光纤传输。在这方面，ABB、MITSUBISHI、ALSTHOM及SIEMENS等均有相应产品。电子式互感器的发展及应用概况•国外电子式互感器的研制应用概况(4)中低压开关柜是各公司推广应用电子式互感器的另一方面，中低压开关柜中使用的电子式互感器一般采用小信号模拟量输出（4V、225mV等）。电子式互感器的发展及应用概况•国内电子式互感器的研制应用概况我国电子式互感器的研制工作始于二十世纪九十年代初，早期主要是一些科研院所从事有关研究工作，如清华大学、华中理工大学、电子部26所及哈尔滨工业大学等，并有多种有源及无源电子式互感器样机研制出来，但绝大多数仅限于实验室阶段。随着技术的发展及逐步成熟，2000年以来国内一些企业开始介入电子式互感器研制开发，如南瑞继保、南京新宁、西安同维及北京许继等公司，目前国内部分厂家研制生产的电子式互感器的性能指标已达到国外同类产品技术水平，目前国内已有近百座数字化变电站采用了电子式互感器。电子式互感器的发展及应用概况•国内电子式互感器的研制应用概况电子式互感器的发展及应用概况•国内电子式互感器的研制应用概况电子式互感器的发展及应用概况•有源电子式互感器-利用电磁感应等原理感应被测信号-CT：空心线圈、低功率CT(LPCT)、分流器-PT：电容分压、电感分压、电阻分压-传感头部分具有需用电源的电子电路-利用光纤传输数字信号•无源电子式互感器（光CT、光PT）-利用光学原理感应被测信号-CT：Faraday磁光效应-PT：Pockels电光效应-传感头部分不需电子电路及电源-利用光纤传输传感信号电子式互感器分类•有源及无源电子式互感器应用比较有源电子式互感器的技术相对较为成熟，其技术性能已基本可以满足实用化要求，国内目前建设的数字化变电站使用的互感器绝大部分均为有源电子式互感器。无源电子式互感器的技术难度较大，其温度稳定性一直是阻碍其实用化的关键问题，但由于其不需要远端电子模块，可靠性较高，具有很好的应用前景，多年来国内外有关单位一直在从事技术攻关。近年来，无源电子式互感器的研究取得了较大的进展，特别是基于Faraday磁光效应的全光纤电流互感器的性能指标已基本可以满足实用化要求，取得了较好的试验及试运行效果，但目前还处于初期应用阶段。电子式互感器分类•电子式互感器结构框图电子式互感器的结构及原理一次电流（电压）传感器一次转换器传输系统二次转换器合并单元A相电子式电流（电压）互感器Ｐ１Ｐ２Ｂ相电子式电流（电压）互感器Ｃ相电子式电流（电压）互感器保护、测控IEC60044-8IEC61850-9-1/2•有源电子式互感器的结构电子式互感器的结构及原理独立型电子式互感器结构•有源电子式互感器的结构电子式互感器的结构及原理GIS电子式互感器结构•有源电子式电流互感器工作原理电流互感器利用空芯线圈及低功率线圈传感被测一次电流。低功率CT（LPCT）的工作原理与常规CT的原理相同，只是LPCT的输出功率要求很小，因此其铁芯截面就较小。空芯线圈是一种密绕于非磁性骨架上的螺线管，如图所示。空芯线圈不含铁芯，具有很好的线性度。空芯线圈的输出信号e与被测电流i有如下关系：电子式互感器的结构及原理•有源电子式电压互感器工作原理电容分压、电感分压、电阻分压电子式互感器的结构及原理独立型电子式电压互感器工作原理远端模块•有源电子式电压互感器工作原理电子式互感器的结构及原理GIS电子式电压互感器工作原理•有源电子式互感器的关键技术1、绝缘技术特别是高压独立式互感器的绝缘2、空芯线圈及电容分压器的稳定性及抗干扰技术3、远端电子模块的稳定性和可靠性（安置在室外时温度、电磁干扰等）4、独立型电子式互感器的远端模块取电技术5、积分技术、与保护的通讯配合电子式互感器的结构及原理•无源电子式电流互感器的结构电子式互感器的结构及原理保护测控计量光纤电流传感器绝缘子光纤光缆一次导线光纤耦合器光纤偏振器合并单元主控室或保护小室一次场光纤调制器光源驱动信号解调A相B相C相•无源电子式电流互感器的工作原理Faraday磁光效应电子式互感器的结构及原理普通光偏振光磁感应强度BFaraday材料Faraday旋光角φ起偏器检偏器LlVHdlVNI•块状玻璃光学电流互感器-各种光学器件包括准直透镜、起偏器、检偏器及传感玻璃通过光学胶粘接-工作温度范围窄、温度稳定性较差-国内外研究了二十多年，很少应用电子式互感器的结构及原理•全光纤光学电流互感器-借鉴光纤陀螺的技术-所有光学功能元件均利用光纤制成，通过熔接的方式连接光学元件-工作温度范围宽、温度稳定性好-近年来成为国内外光CT研究的主流模式-获得较好的试验及试运行效果，已开始初期应用电子式互感器的结构及原理传输光纤合并单元（在控制室中）一次传感器波片反射镜一次导体光纤传感环解调电子电路探测器光源耦合器起偏器偏振分光相位调制器•无源电子式电压互感器的工作原理-Pockels电光效应-光PT目前还处于研究中电子式互感器的结构及原理vVvdln41302)41302(ldnV•无源电子式互感器的关键技术-传感材料（低双折射）-传感头的组装工艺技术（减小双折射）-信号处理技术-温度对精度的影响-振动对精度的影响-长期工作的稳定性电子式互感器的结构及原理•电子式互感器的主要特点—数字输出•误差和极性试验—电子式互感器校验仪-同步采集电子式互感器的输出信号及标准互感器的输出信号-准确度满足要求（不小于0.05%）-计算电子式互感器的比差、角差、复合误差、瞬态误差-显示、存储测试结果-专业机构认证，有资质的单位生产•极性定义标为P1的端子是正极性时，帧中的对应值为其MSB等于0电子式互感器的试验方法电子式互感器的试验方法被试ECTP1V1数字帧P2基准CTP1KrP2S1S2Ip二次转换器基准A/D转换器R1IsRc合并单元求值单元(例如，微机)is(n)iref(n)时钟,e电子式互感器的试验方法•电子式电流互感器的误差和极性测试-试验设备升流器、标准电流互感器（0.02级）、5A/4V标准转换器、合并单元、电子式互感器校验仪-试验回路ECT标准CT5A/4V合并单元电子式互感器校验仪电子式互感器的试验方法•电子式电流互感器的误差和极性测试-合格判据电子式互感器的试验方法•电子式电压互感器的误差和极性测试-试验设备升压器、标准电压互感器（0.05级）