徐建锋
(上海交通大学，上海 200012)
关键词：数字化变电站 电子式互感器 应用 方案
摘要：电子式互感器是数字化变电站过程层的基本配置，体现了数字化变电站技术应用的基本特征，它具有绝缘结构简单、体积小、造价低、系统误差小、无饱和或谐振、二次侧可短路或开路运行等优势。本文通过调研国内制造商产品现状，提出110kV变电站中电子式互感器的选择和应用方案，同时解决了具体工程实践中可能遇到的关键问题，该方案在上海某站中经过工程实践检验，实际运行情况良好，可为其他工程实际应用提供参考。
1、概述
数字化变电站是电子式互感器、智能化一次设备、网络化二次装置在IEC61850通信协议基础上分层构建，能够实现智能设备间信息共享和互操作性的现代化变电站。IEC 61850按照变电站内监控和继电保护两大功能，从逻辑上将未来变电站内数字化设备分为三层：变电站层、间隔层和过程层。互感器作为变电站过程层的实时电气量测量装置，其作用是按照一定的比例关系将一次回路上的高电压和大电流转变为可输入测量仪表和继电保护设备的低电压、小电流信号或数字信号，实现二次设备与高压部分的隔离，保证设备和人身安全，是变电站实现监控和继电保护功能的基础。
近年来，新一代只需要数十毫伏到数伏电压输入的数字式保护测控装置逐渐达到实用化程度，而具有小信号输出的电子式互感器研发也取得了重大进展，为了规范电子式互感器的应用，国际电工委员会发布了电子式电压/电流互感器的标准，分别是IEC60044-7和IEC60044-8，我国国家标准化管理委员会据此发布了GB/T20840.7和GB/T20840.8，为我国电子式互感器的推广应用奠定了基础。
根据上述标准的定义，电子式互感器是一种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的装置，用以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装置。在数字接口的情况下，由一组电子式互感器共用一台合并单元完成此功能。
2、电子式互感器相比于传统电磁式互感器的优势
电子式互感器与传统的电磁式互感器相比有明显优势：
(1) 电子式互感器的功能、应用范围、精度要求与常规互感器基本一致，但其输出量是可供二次设备直接使用的模拟电压信号或数字量，无需经过变送器等转换装置，适应数字化变电站的应用需要。
(2) 电子式互感器通过光纤连接互感器的高低压部分，绝缘结构简单，绝缘性能优异，尤其是应用于超高压和特高压系统可大大提高可靠性。电磁感应式互感器的高压侧与二次线圈之间通过铁芯耦合，他们之间的绝缘采用充油或者SF6气体，绝缘结构复杂，造价随电压等级呈指数关系上涨，且有漏油漏气、易燃易爆等危险，维护成本高。
(3) 常规互感器应用时存在若干误差环节，如二次小信号变换误差、采样误差、传输误差等，增加了系统误差。而电子式互感器的额定误差是数字信号与标准一次信号之间的比差和角差，计入了常规互感器没有计入的误差，其输出直接供给二次设备使用，降低了系统误差。
(4) 常规互感器对负载有严格要求，电流互感器二次侧不能开路，电压互感器二次侧不能短路，负载特性试验要在额定负载下完成。电子式互感器输出为数字量，通过光纤传递至二次设备，无损耗，二次侧可开路或短路，避免了可能导致危机设备或人身安全的问题。
(5) 电子式互感器体积较小，便于集成在组合电器中。
(6) 电磁感应式电流互感器由于使用了铁芯，不可避免存在磁饱和、铁磁谐振和磁滞效应等问题，而电子式互感器不使用铁芯，不存在这方面的问题。
(7) 随着电网容量的增大，短路电流越来越大，电磁感应式电流互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量并同时满足高精度计量和继电保护的需要。电子式电流互感器有很宽的动态范围，额定电流可测从几十安培到几千安培，过电流范围可达几万安培，用于测量和保护的互感器可合二为一。
(8) 电子式互感器二次侧输出的数字信号理论上可无限共享，同一个保护或测量信号可供多个保护或测量设备使用，无需多个保护次级。
(9) 电子式互感器具有完备的自检功能，如果出现通讯故障或互感器故障，保护装置将会因收不到校验码正确的数据而直接判断出互感器异常。
3、电子式互感器的典型组成
电子式互感器的典型结构如图1所示，主要包括高压部分的采集器单元、信号传输部分以及低压部分的合并单元三个部分。
采集器单元将一次电压电流值变换为二次信号输出，根据不用工作原理的采集器单元，二次信号可以是数字信号，也可以是小模拟信号。合并单元接收各路采集器单元的二次信号，并以标准的通信报文格式传输给二次设备。
图1 电子式互感器典型结构图
根据采集器单元不同的工作原理，电子式互感器可以划分为以下类型：
(1)罗氏线圈电流互感器(采用Rogowski线圈电流传感器原理);
(2)低功率线圈电流互感器(LPCT);
(3)光学电流互感器(OCT，采用Faraday磁光效应原理);
(4)分压原理电压互感器(采用电容分压、电阻分压或阻容分压原理);
(5)光学电压互感器(OVT，采用Pockels晶体纵向电光效应原理)。
根据传感器采用的原理不同，采集器单元的结构也有所不同。对无源型纯光学互感器，采集器单元只包含电流/电压传感器;对有源型互感器，采集器单元除包含电流/电压传感器外，还包含采集信号和进行光电转换的电子电路，这些电子电路需要额外提供电源。
电子式电流/电压互感器的采集器单元和合并单元之间均采用光纤连接，采集器单元采集的数据通过一根光纤传输给合并单元，合并单元的同步信号通过另一根光纤传给采集器单元，对有源型互感器，同步信号光纤同时传递激光信号，为采集器提供电源。
不同互感器的合并单元结构可能有所不同，但其主要实现的功能基本一致：
(1)接收并处理若干个采集器单元传来的数据。
(2)接收站端同步信号，并传给各采集器单元，同步各路A/D采样。
(3)为有源型互感器提供激光电源，并监视采集器单元的电源状态。
(4)合并处理采集器单元的数据后，以网络方式提供给继电保护装置和监控系统。
4、电子式互感器在110kV变电站中的应用方案
城市高压配电网中的110kV变电站一般为终端站，变比110/10kV，变电容量40~63MVA，110kV侧为线路变压器组接线形式，配电装置采用GIS，10kV侧为单母线分段接线，配电装置采用开关柜。
以下针对这种接线模式和配电装置的变电站，通过详细的国内产品调研，提出电子式互感器的方案选择和应用，并对具体工程实践中可能遇到的关键问题给出解决方案，为工程实际应用提供参考。
4.1 光纤电子式电流互感器在110kV GIS中的应用
4.1.1 光学电流互感器原理
光学电流互感器基于Faraday磁光效应原理，当一束线偏振光沿着与磁场平行的方向通过光学玻璃或光纤时，线偏振光的振动平面将产生偏转，如果敏感路径是闭合环路，将遵守安培环路定律。通过检测光信号在光通路中的偏振旋转角，就可以得到对应的被测电流值。
光学电流互感器的优点：
(1)绝缘性能好，安全性高。
(2)动态范围大，测量精度高。
(3)频率响应范围宽。
(4)传感部分无需外接电源，不存在高、低压隔离问题。
(5)输出为数字信号，采用光纤传输，不受电磁干扰。
(6)体积小、重量轻。
4.1.2 光学电流互感器的技术发展
国外AREVA公司采用磁光玻璃技术，ABB公司和Nxtphase公司采用光纤技术，这些厂家的光学电流互感器均有工程应用。
国内华中科技大学、清华大学、北京航空航天大学对光学电流互感器进行了学术研究，部分企业开发了光学电流互感器产品，如西安同维、许继电气、南瑞继保、南瑞航天等。
磁光玻璃式电流互感器因其在稳定性、受环境影响因素干扰等问题上难以获得突破，近年来发展较慢，而光纤式电流互感器因其光通路容易控制，且采用负反馈闭环控制技术，较好的解决了环境因素影响，提高了稳定性和精度，逐渐达到了工程应用的要求，是未来光学电流互感器发展的方向。
目前南瑞航天(北京)电气控制技术有限公司生产的NAE-GL系列全光纤电子式电流互感器已经通过了“电力工业电气设备质量检验测试中心”的型式试验、精度试验，通过了“国网武汉高压研究院”的抗扰度试验、温度试验、动模试验等，在国内处于领先水平。
4.1.3 110kV GIS中光纤电流互感器的选择和应用
经过详细调研，从技术成熟度和经济性等方面进行可行性比较，可采用南瑞航天的NAE-GL110G-N2型全光纤电子式电流互感器，配合南瑞科技的S3261CD型合并单元，并集成在上海西门子8DN8-145型GIS中。
光纤电子式互感在GIS中的集成应用是一个难点，需要创新设计，既不影响GIS生产和安装，又能给FOCT创造一个持续稳定良好的运行环境。
(1)技术参数
序号名 称参数
1型式或型号敏感头NAE-G系列，户内、GIS内安装方式
电气单元NAE-G系列，户内、GIS本体安装方式
2额定电压(kV)110
3设备最高电压Um(kV)145
4额定频率(Hz)50
5额定一次电流I1n(A)600
6额定扩大一次电流值(%)120
7保护、测量精度5P，0.5级
8固定延时1 ( 为采样周期)
(2)组成部分
NAE-GL110G-N2全光纤电子式电流互感器主要由三相敏感环、电气箱、连接光缆等构成，图2为FOCT的组成及在GIS中安装示意图。从传统意义上来说，敏感环是全光纤电子式电流互感器的“一次侧”，完成磁光信号的转换，通过法兰盘安装于GIS罐体内。电气单元完成信号的光电转换及数据处理，其面板上留有直流电源接口、合并单元接口、互感器分析仪等接口。三相敏感环与电气单元之间由光缆连接，光缆采用波纹管进行保护，出厂后不能再断开，因此敏感环与电气单元必须是一体化运输。
图2 FOCT的组成及在GIS中安装示意图
(3)敏感环的安装
三相敏感环安装于GIS安装法兰上，安装时敏感环标识为“P1”的一边朝外，敏感环布局如图3所示。安装时，先将敏感环分别通过4个M3×25螺钉安装于法兰上，然后通过纤卡固定光缆，通过M3×10螺钉将纤卡安装于法兰上。
图3 敏感环安装布局图
(4)电气箱的安装
电气箱体采用减震器过渡安装在GIS汇控柜内，减震器在GIS制造厂现场安装，每个电气箱体安装有6个减震器，侧壁安装4个，底部安装2个。
(5)调试和维护
互感器在GIS中安装就位之后，可根据具体要求进行低压器件的耐压试验和互感器的极性检查。运行维护时，可根据实际需要用电子式互感器分析仪监测互感器是否运行良好，可在连续运行规定的时间(一般为两年)后或者因其他特殊原因(如故障维修)要求进行互感器的准确度校准。
4.2 阻容分压电子式电压互感器在110kV GIS中的应用
4.2.1 分压原理电子式电压互感器
根据分压回路的结构，分压原理电压互感器分为电阻分压、电容分压、阻容分压。相对于传统电压互感器，分压原理电压互感器无饱和，对电压响应线性度好;体积小，重量轻;不会造成铁磁谐振;有较宽的频率相应带宽;一台互感器就可以用于测量和保护的目的。
分压原理的互感器在常规变电站中的应用已经比较成熟，也是数字化变电站中电子式电压互感器的主要实现方式。在数字化变电站中主要有两种应用模式：高、中电压等级一般分压出的二次输出接入合并单元数字化后送给二次设备;低电压等级一般二次输出的小模拟信号直接接入二次设备。
对于110kV采用线路变压器组的接线形式，仅110kV线路需装设电压互感器，用于测量、计量等。考虑到光学电压互感器产品实现难度大，成本也较高，现阶段还无法推广，而分压原理的电子式电压互感器技术上比较成熟，造价也较低。
4.2.2 110kV线路GIS中分压原理电子式电压互感器的选择和应用
经过详细调研，从技术成熟度和经济性等方面进行可行性比较，110kV线路GIS采用上海MWB的RCVT-G145型阻容分压原理电子式电压互感器，配合南瑞科技的S3261CD型合并单元，并集成在上海西门子8DN8-145型GIS中。
(1)技术参数
序号名 称参数
1设备最高电压Um(kV)145
2额定一次电压(kV)110/√3 kV
3额定二次电压(kV)3.25/√3 V
4设备最高电压Um(kV)145
5额定频率(Hz)50
6额定二次负荷(千欧)20
7额定电压因数及相应的额定时间1.2 连续;1.5 30s
8保护、测量精度3P，0.5级
(2)设备安装
RCVT-G145 型阻容式电压互感器是三台单相器身安装在同一壳体内的三相共体式电压互感器，每相器身的一次侧“A”端与盆式绝缘子上导电端连接，另一端作为接地端“N”。互感器的一次部分位于外壳内，二次部分位于接线盒内。接线盒上三个电缆引线密封装置处标有字母L1，L2，L3，分别表示三个单相的二次出线电缆，电缆为双屏蔽结构，每根电缆末端包含接插件一个，与互感器整机一同提供。电缆和接插件不可分离，且电缆不可分割。L1，L2，L3 电缆和盆式绝缘子上标有L1，L2，L3的导电端相对应，组成一组A 相、B 相、C 相。
图4 阻容式电压互感器外形
(3)调试
互感器一次出线端子对地工频耐压试验，可以与GIS 耐压试验同时进行，GIS 耐压要求为110kV/30 分钟，试验时电缆末端的二次端子应短接;变比测量;充以额定压力(20℃)的六氟化硫气体，静置24 小时后测量含水量;测量产品年漏气率。
(4)组装图
图5 GIS组装图
4.3 低功率线圈电子式电流互感器在10kV开关柜中的应用
4.3.1 低功率线圈电子式电流互感器(LPCT)原理
LPCT是是传统电磁式电流互感器的一种改良和发展，基于电磁感应原理，它包含一次绕组、小铁芯和损耗极小的二次绕组。它基本原理与传统的CT相仿，不同之处是LPCT输出信号为电压信号，由电阻取样实现，其幅度正比于一次电流且同相位。
LPCT按照高阻抗设计，使得传统电磁式电流互感器在非常高一次电流下出现饱和的缺点得到改善，并因此显著扩大测量范围。而且LPCT在非常宽的范围内有相同的传输特性，这样使用一个线圈可以同时满足测量和保护的需要。
LPCT的设计主要面向于中低电压等级电网(35kV及以下)，而在这些电压等级间隔内，二次设备一般都就地布置在一次电气设备附近，因此LPCT的二次输出大多直接进入二次设备进行采样，避免了中间环节，这也是LPCT最为常见的典型应用方式。
LPCT也存在一些局限性：它对二次设备的输入阻抗要求比较苛刻，二次设备如果增加或减少，会影响测量精度;二次输出为小模拟信号，易受到外界环境干扰。
4.3.2 10kV开关柜中低功率线圈电子式电流互感器的选择和应用
经过详细调研，从技术成熟度和经济性等方面进行可行性比较，选择采用大连第一互感器厂LDTZ9-10/150b型低功率线圈原理的电子式电流互感器，配合南瑞科技的S3261CD型合并单元，并集成在上海南华兰陵电气有限公司的KYN28A-12型开关柜中。
(1)技术参数
序号名 称参数
1型式或型号敏感头LDTZ9-10/150b型，户内、开关柜内安装方式
2额定电压(kV)10
3设备最高电压Um(kV)12
4额定频率(Hz)50
5额定一次电流I1n(A)600
6额定扩大一次电流值(%)120
7保护、测量精度5P、0.5级
8保护级、测量级额定负荷2kΩ、20 kΩ
9额定二次输出电压0.15V(保护)、1V(测量)
(2)外形尺寸
LDTZ9-10/150b型电子式电流互感器为成型产品，采用环氧树脂浇注绝缘，可直接安装于开关柜中，与常规电磁式电流互感器差别不大。
(3)输出接口
该型电子式电流互感器输出为一个与一次侧电流成正比的小电压信号，因信号幅值较小，为避免信号衰减及电磁干扰，将保护装置下放至开关柜分散布置，采用屏蔽同轴电缆和专用接头直接连接电子式电流互感器和数字化保护装置，由保护装置进行同步采样，从而获取一次侧电流信息。对主变开关柜，保护装置独立组屏，在开关柜中配置MU，电流互感器输出接至MU，由MU同步采样。
(4) 调试和维护
互感器在开关柜中安装之后，可根据具体要求进行试验，试验项目有绝缘电阻测量、短时工频耐受电压试验、局部放电试验、端子标志检验、误差试验等。
额定绝缘水平(kV)12
局部放电(pC)<20(1.2Um √3)
额定频率(Hz)50
额定一次电流200A,400A,600A(150b); 2500A(175b)
额定二次电压测量、计量:1V; 保护:0.15V
二次负荷测量、计量:20kΩ ; 保护: 2kΩ
准确级测量、计量:0.5; 保护:5P20
4.4 分压电子式电压互感器在10kV开关柜中的应用
分压电子式电压互感器原理与4.2.1节类似，分压器采用电阻分压。
经过详细调研，从技术成熟度和经济性等方面进行可行性比较，选择采用大连第一互感器厂JDZZ10-10C型电阻分压原理的电子式电压互感器，配合南瑞科技的S3261CD型合并单元，并集成在上海南华兰陵电气有限公司的KYN28A-12型开关柜中。
(1) 技术参数
序号名 称参数
1设备最高电压Um(kV)12
2额定一次电压(kV)10/√3 kV
3额定二次电压(kV)3.25/√3 V
4额定频率(Hz)50
5额定二次负荷(千欧)2
6额定电压因数及相应的额定时间1.2倍连续;1.9倍8小时
7保护、测量精度3P，0.5级
(2)设备安装
JDZZ10-10C型电子式电压互感器为成型产品，采用环氧树脂浇注绝缘，可直接安装于开关柜中，与常规电磁式电流互感器差别不大。
(3)电压分配器和输出接口
因电压互感器输出为一个与一次侧电压成正比的小电压信号，幅值较小，为避免信号衰减及电磁干扰，将保护装置和电度表下放至开关柜分散布置，采用屏蔽同轴电缆和专用接头直接连接电子式电压互感器和数字化保护装置、电度表，由保护装置、电度表进行同步采样，从而获取一次侧电压信息。
一般10kV本期为单母线四分段接线，该型号电子式电压互感器用于母线电压互感器，为了将其输出信号提供给多回出线保护和测量回路使用，需要增加电压分配器。电压分配器为有源设备，需按母线配置电源适配器。电压分配器与保护装置、电度表、MU等装置间的连接采用屏蔽同轴电缆和专用接口。电压分配器的连接可参考下图。
图6 电压分配器接线示意图
(4)调试和维护
互感器在开关柜中安装之后，可根据具体要求进行试验，试验项目有短时工频耐受电压试验、局部放电试验、端子标志检验、误差试验等。
4.5全站采用电子式互感器一览表
型式原理参数用途厂家
110kV线路、主变FOCT法拉第磁光效应5P，0.5数字化保护、数字化故障录波、测量、数字化计量南瑞航天
110kV线路EVT电阻电容分压3P，0.5
110000/√3V:3.25/√3V
数字化故障录波、测量、数字化计量MWB进口
10kV ECT低功率线圈5P20，0.5数字化保护、测量、数字化计量大一互
10kV EVT电阻分压3P，0.5数字化保护、测量、数字化计量大一互
4.6 合并单元(MU)的应用
南瑞科技的S3261CD型合并单元，主要用于110kV线路GIS、110kV主变GIS及10kV主变开关柜，同步采集多路(最多12路)ECT/EVT输出的数字信号，并按照规定的格式发送给保护、测控、故障录波、电能计量等设备。
图7 合并单元
NS3261CD合并单元主要技术指标
序号名称性能
1数据采样率5kHz，10kHz(可选)
2额定测量电流2D41H
3额定保护电流01CFH
4额定电压2D41H
5电磁兼容静电放电：4级;快速瞬变干扰：4级;1M脉冲群干扰：3级;辐射电磁场干扰：4级;浪涌(冲击)抗扰度：4级;电压突降、短时中断抗扰度：IEC61000-4-11最严酷级标准; 射频场感应的传导骚扰抗扰：3级;工频磁场抗扰度：3级;脉冲磁场抗扰度：4级
6电源电压220VAC±20%或DC85～DC242V
7功耗<50W
8工作条件及环境1.工作温度范围：-10℃～+55℃;
2.相对湿度：≤95%(无凝结)
3.大气压：86kPa ～106 kPa
当前根据所采用的电流/电压互感器类型、原理的不同，MU的输入信号有数字输入、常规CT/PT输入、模拟小信号输入等几种，根据输入信号的不同，选择不同型号的MU。110kV主变GIS采用M1型MU，仅有数字输入，MU与110kV电子式电流互感器之间采用一对2根850μm多模光纤联系，物理接头方式采用ST接头，其中1根由MU至ECT，发送同步采样脉冲;另1根由ECT至MU，发送ECT采集的数据。110kV线路GIS采用M5型MU，有数字输入和模拟小型号输入，MU与110kV电子式电压互感器之间采用屏蔽电缆连接。10kV主变开关柜采用M3型MU，仅有模拟小信号输入，MU与10kV电子式电流互感器之间采用屏蔽电缆连接。
每台MU有4个100M全双工以太网口，分别用于保护、故障录波、电能表和网络分析仪。
5、结语
电子式互感器是数字化变电站过程层的基本配置，体现了数字化变电站技术应用的基本特征，它具有绝缘结构简单、体积小、造价低、系统误差小、无饱和或谐振、二次侧可短路或开路运行等优势，本文通过调研国内制造商产品现状，提出110kV变电站中电子式互感器的选择和应用方案，同时解决了具体工程实践中可能遇到的关键问题，该方案在上海某站中经过工程实践检验，实际运行情况良好，可为其他工程实际应用提供参考。
6、参考文献
[1] IEC61850系列标准
[2] DL/Z 860系列标准
[3] GB/T 20840.7-2007(IEC60044-7(1999)) 互感器 第7部分：电子式电压互感
[4] GB/T 20840.8-2007(IEC60044-8(1999)) 互感器 第8部分：电子式电流互感器
[5] IEC60044-7:1999 Instrument transformer part7. electronic voltage transformer.
[6] IEC60044-8:2002 Instrument transformer part8. electronic current transformer.
[7] 陈文升，唐宏德，数字化变电站关键技术研究与工程实现[J]，华东电力，2009，(1)
[8] 徐大可，汤汉松，孙志杰，电子式互感器在数字化变电站中的应用
[9] 李九虎，郑玉平，古世东，须雷，电子式互感器在数字化变电站中的应用
7、作者简介
徐建锋，男，(1981-)，上海交通大学电子信息与电气工程学院电气工程及其自动化专业。2003年7月至2010年8月在上海电力设计院有限公司从事电气专业设计工作;2010年9月至今在上海市电力公司发展策划部(电网规划中心)工作。