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电磁式电流互感器与光电式互感器性能对比

牵引供电系统中,互感器(变流器)是供电系统中不可或缺的设备,可将供电系统的高电压和大电流值降低至以一定比例关系直接测量计量器的标准值,并可用计量器直接测量,还可作为各种继电器保护的电源发挥作用。 随着传感器技术的发展,从安全运行和测定精度的观点出发,可以采用比较先进的传感器。特别是随着光电子技术的迅速发展,技术人员开发了组合了光学传感技术和电子工程原理的电子式变流器,简称变流器。对电磁式电流互感器与光电式互感器性能进行了对比。

 一、变流器在我国的发展状况

 50年代初期,变流器的制造只是根据所得到的原型和资料进行复制,品种少,结构简单,未系列化。 沈阳变压器工厂偏振光的偏振面在磁光玻璃内旋转,即电流信号偏振调制光95-6,与以往的电磁感应式变流器相比,光电式变流器具有以下优点。于1956年翻译苏联图纸,拟建拟苏产品系列开始试制,1956年试制苏220 ky油浸绝缘变压器,1958年试制拟苏220 ky油浸绝缘变压器成功。1958年以后,根据模造品自己开始设计,在中国为0。制造5 kv-220 kv的各种规格的电流变压器和电流变压器,实现了系列化。 其中沈阳变压器工厂、华通开关工厂是试制成功的l0kv环氧树脂模制变流器,代替拟苏产品。同时改造设计了油浸绝缘变压器,形成了新的变压器系列。60年代后,沈阳变压器研究所组织了几次全国统一设计,完成了0.5 kv干电流、变压器、l0v模制绝缘电流、变压器、35kv油浸绝缘电流、变压器、110 kv油浸绝缘电流、变压器新系列的设计、试制,提高产品技术性能,使产品符合中国国内市场的需求。自1970年以来,我国变流器的整体技术水平进一步提高,品种越来越多。沈阳变压器工厂接着试制了330 kv和500 kv的油纸绝缘变流器。西安电力电容器制造商也试制了500 kv静电容量式变压器。各变压器制造商也不断进行产品的改良和完善,中国当时拥有国际变流器行业的最高电压等级的产品制造能力。所以我国已经制造了0. 55 kv-500 kv电压等级的各种规格电流表变流器,最多可实现25万a的电流,实现比较完整的系列化。 另外,零相变流器、矿用变流器、中频变流器等特殊用途的变流器的设计制作。西安高压开关工厂于1987年试制100 kv的直流变流器,在舟山直流输电线上开始运行。

 随着城市供电系统的发展,我国开始开发SF6组合设备。1973年,西安高压开关工厂开发的110 kv SF6复合电气设备在湖北丹江口水力发电站运行。从1970年开始研究仪表用变压器,之后在清华大学四平电业局的积极合作下,1979年开发了第一个原型。 90年代,新一代的光电式变流器。 很多制造商和大学,光电式变流器相继开发,正在进行试制。但是,最终由于国内部件的性能差,不稳定,暂时处于重新审视计划的状态。总之,回顾四十多年来我国变流器的发展历史,可以说国内变流器行业由于几个阶段的发展已经在国际领先。

二、电磁式电流互感器(电磁式变流器)。电磁式变流器原理:一次绕组与电力线串联连接,二次绕组的外部电路与计测器、继电器保护及自动控制装置连接,利用与变压器的原、二次侧电流成正比的特征制作,其动作原理、等效电路也与一般的变压器相同,但其一次侧绕组被测定。二次侧绕组电流表、继电器电流线圈等低阻抗负载,接近短路。一次侧电流(即被测量电流)和二次侧电流与电流变压器的二次侧负载无关,依赖于被测量线的负载。由于副边接近短路,原、副边电压u 1、UC 2都小,励磁电流I 0也小。变流器运转时,副边允许开放。

 开放时,一次侧电流成为励磁电流,磁通和二次侧电压远远超过正常值,威胁人身和设备的安全。因此,不能将保险丝连接到电流变压器的二次侧电路上。另外,电流表和继电器等设备不旁路,运行中也无法拆卸。在这样结构中,为了将所有的低压设备与高电压隔离,铁心与绕组间及初级绕组与次级绕组间需要充分的耐压强度的绝缘层。电磁式变流器的运转特征分析:目前广泛应用的是电磁式变流器,其常见的饱和状态主要有2种:恒定饱和和和过渡饱和,其中恒定饱和主要是一次电流值过大而进入变流器饱和领域,二次电流与一次电流不成比例。

 过渡的饱和,由于很多非周期成分的存在而进入变流器饱和领域。。

 另外,由于电磁变流器的铁心具有饱和非线性,因此发生系统短路事故时,变流器因高振幅的短路电流饱和而输出的二次电流大幅变形,保护被切断,供电系统发生重大事故。

 变流器的饱和会引起波形畸变,并且其频带响应特性差,频带狭窄,系统的高频响应差,因此,存在难以通过新的高频过渡成分实现快速保护等一系列问题。

 三、光电式互感器

 1.光电式变流器包括有源型电子式变流器、被动磁光玻璃电子式变流器2种,有源型电子式变流器的特征在于,一次传感器是空心线圈,高压侧电子部件动作需要来自电源的供电,被动磁光玻璃电子式变流器的特征在于,一次传感器是光。 请参见下图。

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有源型光电式变流器是高压侧电流信号,通过采样线圈向发光元件传递电信号,形成光信号,再通过光纤向低压侧传递,进行逆变器,变换为电信号,放大输出。高压侧电子设备的电源为光供给方式、母线电流供给方式及超声波电源供给方式。

 其结构如图1所示。能动型是比较早期的结构,具有结构简单、稳定性高、可靠性高的优点。存在采样信号顶部结构复杂的缺点。无源型光电式变流器的感测头无需供电电源。

 传感头一般以法拉第光磁效应原理制作,通过光纤将从低电位的光源发出的偏振光导向高电压侧,使被测定电流产生的磁场中通过。带电流信号的光波通过光纤传递到低电位侧,进行光电转换放大输出。 其结构如图2所示。

  无源结构的优点在于结构简单,而且完全不使用以往的电磁感应元件,没有饱和的问题,充分发挥了光电式变流器的特点,特别是高压侧无源电子部件没有温度稳定的问题,容易保证变流器的寿命。 其缺点在于,光学器件的制造难度高,测定的高精度化困难,长期稳定性不高

2.电子式变流器的工作原理

 法拉第光磁效应:将通过一次布线的电流设为I,将在布线周围产生的磁场的强度设为h,当束偏振光通过该磁场时,直线偏振光的偏振角度成为偏振光,其偏振角度θ计算如下nn.png

公式中,v是光磁玻璃的场常数(该参数与玻璃的材料相关),l是光磁玻璃中的光的通过路径长度。电子式变流器以l为环路设计,根据法拉第光磁效应原理,可以实现以下目的 1526887673265420.png1526887673873911.png

偏振片发出、具有强度1526887673563854.png的一条光束线偏振光输入光强度,通过磁场时,强度为1526887674611185.png的两条光分别被检光镜检测,因此其大小QQ图片20180521152052.png

公式中,1526888031108730.png是光路的光强度衰减系数,1526888031961828.png是偏振镜和检光镜所成的角度(在本系统中为常数)。则,1526888145760638.png,经转换后,nn7.png 

3.法拉第磁光效应原理图。

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4.. 二次处理系统

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 四、光电式电流互感器产品 

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  上图所示产品是组合现在的感测技术、电子技术及光通信技术来检测电流的新型变流器,使用rogowki线圈来检测电流,在信号处理后从光纤向低压侧传输信号的二次设备。

 有110 kv、220 kv、330 kv、500 kv、750 kv等多个电压电平,有支柱式和悬挂式两种安装方式。 

 适用于以往的电磁式变流器的所有用途,特别适用于要求高精度、线性、过渡性能和高压、超高压的情况。

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 上图显示的是世界第1集合的复合式高压直流电流/电压光电测定装置在中国的高岭转流站进行了测试安装。 

 同时使用支撑和悬挂安装方式 

五.传统的电磁感应式电流互感器相比,光电式电流互感器具有以下优点

 (1)绝缘性能优异,低成本。在光电式变流器中,高电压侧的信息通过由绝缘材料构成的玻璃纤维传递到低电压侧,其绝缘结构简单,一般随着电压电平的提高而直线增加。 

  

 (2)不含铁心,不存在磁饱和、强磁性共鸣等问题。

 

 光电式变流器的运转过渡响应良好,稳定性好,保证系统运转的高可靠性。(3)电磁感应式变流器的二次电路无法开路,低压侧有可能成为开路高电压。 光电式变流器的高电压和低电压之间只连接光纤,光纤具有良好的绝缘性能,因此高电压电路和二次电路完全电隔离,低电压侧不存在因开路而产生高电压的可能性,同时没有磁耦合,因此电磁干扰引起的变流。

 

 (4)过渡响应范围广,测定精度高。输电网正常工作时,变流器中流过的电流不大,但短路电流越来越大。

 电磁感应式变流器由于存在磁饱和的问题,因此很难进行大范围的测量,高精度的测量和继电器保护需求通过1个通道并存。

 光电式变流器具有宽动态范围,1个测量通道的额定电流为数十安培~数千安培,过电流范围为数万安培。因此,能够同时满足测量和继电器保护的需求,同时消除电磁感应式变流器的多个测量通道的复杂结构。(5)频率响应范围广。

 光电式变流器传感头部分的频率响应取决于传感头上的光纤的转换时间,实际能够测定的频率范围主要由电子电路部分决定。现在的光电式变流器的构造,能够检测出高压电力线上的高次谐波。

  电磁感应式变流器在这样的各个方面的动作是困难的。(6)不存在充油引起的易燃性、爆炸性等危险。

 光电式变流器绝缘构造简单,不采用油绝缘,在构造设计上可以避免这样的危险。(7)小型轻量光电式变流器的磁性开关头本身的质量一般在1 kg以下。光电式变流器,代替大型的传统型变流器,与断路器组合成一体,实现设备的小型化、一体化。(8)支持电气参数的测量和保护数字化、微型计算机化、自动化的流程。

 光电式变流器一般以数字形式输出,适用于越来越广泛采用的微型计算机保护、电气参数测量的数字化、自动化流程。(9)在高压直流输电中,直流测定用的光电式变流器比以往型变流器具有更大的优点,其重量为同级的直流变流器的1/40,没有电磁干扰和强磁性损失,与电力自动化系统的网络具有互换性。例如,我国从三峡到常州500 kv的直流输电系统使用abb公司的光电式变流器,用于线路的直流电流及高次谐波电流、交流侧不平衡电流、桥式电流等的测定。

七、光电式变流器的发展状况。

 1994年abb公司发表了能动型光电式变流器的电压水平为72.5~765 kv,额定电流600~6000 a。

  到目前为止,这项技术已经发展很大,日本除了500 kv、1000 kv的高压电力网测量用的光电式变流器外,还进行了500 kv以下6个。6 kv电压级GIS用光电式变流器。而且,光电式变流器的电压电平是以往的72.5~765 kv,发展为现在的500 kv、1000 kv高压电网测量用的光电式变流器,进一步达到500 kv以下6.6 kv电压级GIS用光电式变流器。

 1994年abb公司发表了能动型光电式变流器的我国也在这一方面取得了一定的进展,特别是近年来,在吸收国外经验的基础上,一部分厂商生产了光电式变流器。



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