电子式互感器与常规互感器对比

一、常规互感器分类

1.1电压互感器

电压互感器按原理分为电磁感应式和电容分压式两类。

电磁感应式多用于220kV及以下各种电压等级。电容分压式一般用于110kV以上的电力系统。电压互感器按用途又分为测量用和保护用两类，对前者的主要技术要求是保证必要的准确度；对后者可能有某些特殊要求，如要求有第三个绕组，铁芯中有零序磁通等。

1.1.1 电磁感应式电压互感器

其工作原理与变压器相同，基本结构也是铁芯和原、副绕组。特点是容量很小且比较恒定，正常运行时接近于空载状态。电压互感器本身的阻抗很小，一旦副边发生短路，电流将急剧增长而烧毁线圈。为此，电压互感器的原边接有熔断器，副边可靠接地，以免原、副边绝缘损毁时，副边出现对地高电位而造成人身和设备事故。测量用电压互感器一般都做成单相双线圈结构，其原边电压为被测电压(如电力系统的线电压)，可以单相使用,也可以用两台接成V-V形作三相使用。测量用的电压互感器往往是原边多抽头的，以适应测量不同电压的需要。供保护接地用电压互感器还带有一个第三线圈，称三线圈电压互感器。三相的第三线圈接成开口三角形，开口三角形的两引出端与接地保护继电器的电压线圈联接。正常运行时，电力系统的三相电压对称，第三线圈上的三相感应电动势之和为零。一旦发生单相接地时,中性点出现位移,开口三角的端子间就会出现零序电压使继电器动作，从而对电力系统起保护作用。线圈出现零序电压则相应的铁芯中就会出现零序磁通。为此，这种三相电压互感器采用旁轭式铁芯(10kV及以下时)或采用三台单相电压互感器。对于这种互感器，第三线圈的准确度要求不高，但要求有一定的过励磁特性(即当原边电压增加时，铁芯中的磁通密度也增加相应倍数而不会损坏)。

电磁感应式电压互感器的等值电路与变压器的等值电路相同。

1.1.2 电容分压式电压互感器

　　在电容分压器的基础上制成。电容C1和C2串联，U1为原边电压, U2为C2上的电压。空载时,电容C2上的电压为由于C1和C2均为常数，因此正比于原边电压。但实际上，当负载并联于电容C2两端时,将大大减小,以致误差增大而无法作电压互感器使用。为了克服这个缺点，在电容C2两端并联一带电抗的电磁式电压互感器YH，组成电容分压式电压互感器。电抗可补偿电容器的内阻抗。YH有两个副绕组，第一副绕组可接补偿电容Ck供测量仪表使用；第二副绕组可接阻尼电阻Rd，用以防止谐振引起的过电压。

　　电容式电压互感器多与电力系统载波通信的耦合电容器合用，以简化系统，降低造价。此时，它还需满足通信运行上的要求。

1.2电流互感器

电磁型电流互感器利用变压器原、副边电流成比例的特点制成。其工作原理、等值电路也与一般变压器相同，只是其原边绕组串联在被测电路中，且匝数很少；副边绕组接电流表、继电器电流线圈等低阻抗负载，近似短路。原边电流(即被测电流)和副边电流取决于被测线路的负载，而与电流互感器的副边负载无关。由于副边接近于短路，所以原、副边电压U1和都很小,励磁电流I0也很小。电流互感器运行时，副边不允许开路。因为一旦开路，原边电流均成为励磁电流，使磁通和副边电压大大超过正常值而危及人身和设备安全。因此，电流互感器副边回路中不许接熔断器，也不允许在运行时未经旁路就拆下电流表、继电器等设备。电流互感器的接线方式按其所接负载的运行要求确定。最常用的接线方式为单相，三相星形和不完全星形。

电流互感器可按以下几种方式分类：

(1) 按用途分

测量用电流互感器(或电流互感器的测量绕组)：在正常工作电流范围内，向测量、计量等装置提供电网的电流信息；

保护用电流互感器(或电流互感器的保护绕组)：在电网故障状态下，向继电保护等装置提供电网故障电流信息。

(2) 按绝缘介质分

干式电流互感器：由普通绝缘材料经浸漆处理作为绝缘；

浇注式电流互感器：用环氧树脂或其他树脂混合材料浇注成型的电流互感器；

油浸式电流互感器：由绝缘纸和绝缘油作为绝缘，一般为户外型。

气体绝缘电流互感器：主绝缘由气体构成。

(3) 按电流变换原理分

电磁式电流互感器：根据电磁感应原理实现电流变换的电流互感器；

光电式电流互感器：通过光电变换原理以实现电流变换的电流互感器。

(4) 按安装方式分

贯穿式电流互感器：用来穿过屏板或墙壁的电流互感器；

支柱式电流互感器：安装在平面或支柱上，兼做一次电路导体支柱用的电流互感器；

套管式电流互感器：没有一次导体和一次绝缘，直接套装在绝缘的套管上的一种电流互感器。

母线式电流互感器。没有一次导体但有一次绝缘，直接套装在母线上使用的一种电流互感器。

1.3电磁式互感器-额定变比和误差

互感器的额定变比KN指电压互感器的额定电压比和电流互感器的额定电流比。前者定义为原边绕组额定电压U1N与副边绕组额定电压 U2N之比；后者则为额定电流I1N与I2N之比。即 KN＝U1N/U2N(对电压互感器) KN＝I1N/I2N(对电流互感器)电压(或电流)互感器原边电压(或电流)在一定范围内变动时,一般规定为0.85～1.15U1N(或10～120%I1N),副边电压(或电流)应按比例变化,而且原、副边电压(或电流)应该同相位。但由于互感器存在内阻抗、励磁电流和损耗等因素而使比值及相位出现误差，分别称为比差和角差。比差为经折算后的二次电压(或二次电流)与一次电压(或一次电流)量值大小之差对后者之比，即 fU 为电压互感器的比差，fI 为电流互感器的比差。当KNU2>U1(或KNI2>I1)时，比差为正，反之为负。角差为二次电压(或二次电流)相量旋转180°后与一次电压(或一次电流)相量之间的夹角，以分为单位。并规定副边的相角超前于原边的相角时，角差为正，反之为负。对没有采取补偿措施的电压互感器，比差为负，角差一般为正值，比差的绝对值和角差均随电压的增大而减小；铁芯饱和时，比差与角差均随电压的增大而增大。对于没有采取补偿措施的电流互感器，比差为负值，角差为正值，比差的绝对值和角差均随电流增大而减小。采用补偿的办法可以减小互感器的误差。一般通过在互感器上加绕附加绕组或增添附加铁芯，以及接入相应的电阻、电感、电容元件来补偿。常用的补偿法有匝数补偿、分数匝补偿、小铁芯补偿、并联电容补偿等。

二、 电子式互感器分类

电子式互感器是一大类新型互感器的总称，包括电子式电流互感器和电子式电压互感器。前者采用低功率线圈、罗氏线圈或光学材料作为一次传感器，后者采用电阻／电容分压器或光学材料作为一次传感器，利用光纤进行信号传输，通过对测量电量的信号处理，实现数字量或模拟量的输出。

电子式电流互感器从原理上可分为两类：一是基于电磁感应原理的互感器，如采用Rogowski线圈的互感器、采用低功率线圈的互感器(LPCT)；二是基于法拉第磁光效应的光学互感器。

电学原理的电流互感器在AIS变电站应用时，要解决处于高电位电子设备的供电问题，一般采用大功率激光供能解决，但激光器件长期运行存在老化问题，给设备的稳定运行带来不利影响；在GIS或HGIS变电站应用时，电子设备可安装在地电位侧，能够通过站用直流电源直接供电，可靠性较高。电学原理的电流互感器在已投运的数字化变电站获得了较多应用。

光学原理的电流互感器又分块状玻璃式和全光纤式两种，都是基于法拉第磁光效应的传感器。块状玻璃式的传感器中采用的是Verdet 常数较大的光学材料，它对光信号的损耗大，且Verdet 常数的温度稳定性比较差，较难进行温度补偿。全光纤式方案充分利用了法拉第效应的非互易性和光纤中线性双折射的互易性，目前已成为国际上的主流研究方案，国内外已经有成功运行的实例。 

电子式电压互感器从原理上可分为两类：一是利用电学原理基于电阻、电容、电感分压的电压互感器；二是光学原理的电压互感器，分为普克尔效应和逆压电效应两种原理。

分压原理的电子式电压互感器在数字化变电站中得到了广泛应用，由于电子器件无需安装在高电位侧，可直接采用站用直流系统供电，可靠性较高。学原理的电压互感器目前还没有工程应用案例，但已有研制成功的普克尔效应的电压互感器。

电子式互感器分类示意图

2.1电子式互感器结构及安装

2.1.1 独立型电学原理电流互感器

独立型电学原理电流互感器主要由一次传感器、远端电子模块、光纤绝缘子、合并单元四部分组成。一次传感器位于高压侧，包括一个低功率CT、两个空芯线圈、一个高压电流取能线圈。远端电子模块也称一次转换器，位于高压侧。电学原理电流互感器有两个完全相同远端模块，两个远端模块互为备用，保证互感器具有较高的可靠性。绝缘子为内嵌光纤的实芯支柱式复合绝缘子。光纤绝缘子高压端光纤以ST头与远端模块对接，低压端光纤以熔接的方式与传输信号的光缆对接。合并单元接收并处理三相电流互感器及三相电压互感器远端模块下发的数据，对三相电流电压信号进行同步，并将测量数据按规定的协议(IEC60044-8或IEC61850-9-2)输出供二次设备使用。其结构如下图所示。

独立型电学原理电流互感器

2.1.2 独立型电容分压原理电压互感器

独立型电容分压原理电压互感器主要由电容分压器、远端电子模块、合并单元三部分组成。电容分压器将被测高电压分出一较低电压信号给远端模块进行处理。远端电子模块也称一次转换器，位于低压侧的底座内。电子式电压互感器有两个完全相同远端模块，两个远端模块互为备用，保证互感器具有较高的可靠性。合并单元同时接收并处理三相电压互感器及三相电流互感器远端模块下发的数据，对三相电流电压信号进行同步，并将测量数据按规定的协议(IEC60044-8或IEC61850-9-2)输出供二次设备使用。其结构如下图所示。

独立型电容分压原理电压互感器

2.1.3 独立型电学原理电流电压组合互感器

独立型电学原理电流电压组合互感器将电流互感器和电压互感器组合为一体，主要由一次电流传感器、远端电子模块、分压器、合并单元四部分组成。一次电流传感器位于高压侧，包括一个低功率CT、两个空芯线圈、一个高压电流取能线圈。远端电子模块也称一次转换器，位于高压侧。互感器有两个完全相同的远端模块，两个远端模块互为备用，保证互感器具有较高的可靠性。分压器将被测高电压分出一较低电压信号给远端模块进行处理，分压信号从分压器的高压端引出。合并单元一方面为远端模块提供认能激光，另一方面接收并处理三相电流电压互感器远端模块下发的数据，对三相电流电压信号进行同步，并将测量数据按规定的协议(IEC60044-8或IEC61850-9-2)输出供二次设备使用。其结构如下图所示。

独立型电学原理电流电压组合互感器

2.1.4 光学原理电流互感器

光学原理电流互感器一般由光纤电流敏感环、电流/电压电气单元及合并单元组成。光学原理电流互感器从原理可分为磁光玻璃式和全光纤式。

磁光玻璃式电子互感器采用光学玻璃作为电流敏感环，而全光纤式电子互感器中的敏感元件和传输元件都为光纤。电流电气单元介于光纤电流敏感环和合并单元之间，实现光探测信号的发送、电流信息的采集和处理及与合并单元的通信等功能，是全光纤电子式电流互感器的重要组成部分。电流电气单元主要有两种结构，—种是密闭箱体结构，另—种是机架式结构。合并单元主要功能就是同步采样和处理多路的电子式互感器输出的光纤数字信号，并将测量数据按规定的协议(IEC60044-8或IEC61850-9-2)输出供二次设备使用。其结构如下图所示。

光学原理电流互感器

三、电子式互感器与常规互感器对比分析

3.1电子式互感器技术性能特点

常规互感器与电子式互感器除原理、结构不同外，在性能上，特别是暂态性能、绝缘性能方面有较大区别。电子式互感器的优点在于以下几个方面：

(1) 消除了磁饱和现象。常规电流互感器在运行中系统发生短路时，在强大的短路电流作用下，特别是非周期分量尚未衰减时，断路器跳闸，或在大型变压器空载合闸后，互感器铁芯将保留较大剩磁，铁芯饱和严重，将使互感器暂态性能恶化，使二次电流不能正确反映一次电流，保护拒动或误动。而电子式互感器的光电互感器、罗氏线圈电流互感器没有铁芯，不存在饱和问题，暂态性能比常规互感器好，大大提高了各类保护故障测量的准确性，从而提高保护装置的正确动作率，保证电网的安全运行。

(2) 对电力系统故障响应快。现有保护装置(包括微机保护)的保护原理是基于工频量进行保护判断的，而不是利用故障时的暂态信号量作为保护判断参量，易受过渡电阻和系统振荡、磁饱和等因素的影响，保护性能难以满足当今电力系统超高压、大容量、远距离发展的要求。利用暂态信号作为保护判断参量是微机保护的发展方向，它对互感器的线性度、动态特性都有很高的要求。常规互感器自身性能的限制不能满足这一要求。

(3) 消除了铁磁谐振，抗干扰能力强。常规电压互感器中，电磁式电压互感器呈感性，与断路器容性断口会产生电磁谐振。此外，电容式电压互感器本身含有电容元件及多个非线性电感元件(如速饱和电抗器、补偿电抗器和中间变压器)，在一次侧合闸操作或一次侧短路及二次侧短路并消除故障等时，其自身均将产生瞬态过程，此过程可能激发稳定的次谐波谐振，从而导致补偿电抗器和中间变压器绕组击穿。而电子式互感器没有构成电磁谐振的条件，其抗电磁干扰力强。

(4) 优良的绝缘性能。随着电压等级的提高，电磁式电流互感器、电磁式电压互感器大大增加了绝缘困难，用油等绝缘材料有爆炸危险，且体积大、重量重。电子式互感器绝缘相对简单，高压侧与地电位侧之间的信号传输采用绝缘材料制造的玻璃纤维，体积小、重量轻、绝缘性能好。

(5) 适应电力计量与保护数字化的发展。电子式互感器能够直接提供数字信号给计量、保护装置，有助于二次设备的系统集成，加速整个变电站的数字化和信息化进程，并引发电力系统自动化装置和保护的重大变革。

(6) 动态范围大。随着电网容量增加，短路故障时，短路电流越来越大，可达稳态的20-30倍以上。电磁式电流互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量。而电子式电流互感器有很宽的动态范围，光电电流互感器和罗氏线圈电流互感器的额定电流为几十安培到几十万安培。一个电子式互感器可同时满足计量和保护的需要。

(7) 频率响应范围宽。光电互感器、罗氏线圈电流互感器频率响应均很宽，可以测出高压电力线上的谐波，还可以进行暂态电流、高频大电流与直流电流的测量，而电磁式互感器传感头由铁芯构成，频率响应很低。

(8) 经济性好。随着电力系统电压等级的增高，常规互感器的成本成倍上升，而电子式互感器在电压等级升高时，成本稍有增加。此外由于电子式互感器的体积小、重量轻，可以组合到断路器或其他一次设备中，共用支撑绝缘子，可减少变电站的占地面积。

3.2电子式互感器与常规互感器运行情况分析

统计结果显示，目前电子式互感器故障率高于常规互感器，故障主要为采集器故障，无源电子式电流互感器的光纤故障问题、有源电子式电压互感器的绝缘问题亦较突出。

3.3电子式互感器与常规互感器应用分析

(1) 从采样就地数字化方面，电子式互感器 合并单元与常规互感器 合并单元配置方案均能实现采样数据的就地数字化，目前电子式互感器 合并单元的配置方案已有较多工程运行实例，积累了不少现场运行经验，常规互感器 合并单元的配置方案是一种过渡措施。

(2) 采用电子式互感器可减少一次设备尺寸，进而可对配电装置进行优化，节省占地面积。

(3) 电子式互感器的应用是智能电网发展的必然趋势，电子式互感器产品可靠性是需要逐步提高的，在这个过程中也是需要将其投入到相关工程中进行检验其可靠性，进一步促进产品可靠性的提升。

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