电子式电流互感器中的关键技术

l 背景概述

1.1 电子式互感器与传统互感器的比较

随着电力系统电压升高、传输容量增大，传统的电磁感应式电流互感器（电磁式TA）因其传感机理呈现出不可克服的问题，尤其目前变电站的监视、控制、保护包括故障录波、安全控制装置等已微机数字化，而输出电流大（1或5A）的传统TA不能提供与数字系统匹配的一次部分信息数字信号输出，复杂的二次联线抵消了微机装置固有的高可靠性，而电子式互感器能够直接提供数字信号给计量保护装置，简化二次设备，提高整个系统的准确度和可靠性，有助于二次设备的系统集成，加速整个变电站的数字和信息化进程，并引发电力系统自动化装置和保护方式的重大变革。

1.2 相关标准

90年代中期IECTC-57拟定面向未来变电站自动化的变电站内通信网络和系统的标准（即IEC61850系列）覆盖了变电站的所有接口，并由ABB、ALSTOM、FGH、SIEMENS和VEW等公司进行变电站开放通信示范工程。2004年我国也正式确定将其转化为我国家标准。作为变电站最底层测量设备的电子式互感器的测量数据必须以符合IEC标准规定的数据格式在变电站内传输。此外，由于电子式互感器与传统互感器测量原理完全不同，校验方法差异较大，为此IECl999年制订了有关电子式电压互感器（ETV）的标准IEC60044-7 《Electronic Current Transformer》，2002年制订了有关电子式电流互感器（ETA）的标准IEC60044-8《E-lectronic Current Transformer》（第一版）。

我国电子式互感器的国家标准校验系统研制工作将由国家互感器质检中心在2004年完成。电子式互感器的IEC标准转化成我国家标准的工作预计2005年年底完成。

1.3 国内外发展及应用情况

国外20世纪60年代开始研究电子式互感器，80年代初取得了突破性进展，多种样机挂网运行成功，90年代进入实用化研制阶段并逐步向高压、超高压和特高压深入。许多国家著名公司竞相研发，其最具代表性的ABB公司已有72～765kV全系列ETA产品，测量范围50～3000A，以及组合式ETA、ETV，已用于123kV级GIS。此外，Siemens公司的激光供能型ETA已经用于我国天生桥—广州、徐州等地的500kV换流站。

我国电子式互感器的研究始于上世纪70年代，多为实验室探索，仅少数几家挂网运行。目前电子式互感器已成为关注的焦点，研究单位越来越多。

2 电子式电流互感器涉及到的关键技术

根据IEC标准ETA按测量原理分为光学TA、空芯TA（即Rogowski线圈）及低功率型TA 3种。按电压等级分为中压（10～35kV）、高压（110、220kV）、超高压（330～750kV）。

2.1 光学电流互感器

光学电流互感器（OTA）一般利用Faraday磁光效应通过偏振调制测量电流，目前的主要问题是高压变电站的户外现场应用时，温度、振动等外界因素通过光学传感单元的Verdet常数和双折射影响其性能，即随时间的长期漂移。

OTA按传感材料分全光纤型及磁光材料型两类，进入挂网运行实用化研究阶段的多为磁光材料型，其中，它对Verdet常数和双折射的补偿因材料、结构而异。顺磁性或铁磁性磁光材料Verdet常数较大，传感元件一般很短或做成薄膜，而线性双折射正比于介质长度，故双折射的影响可不考虑，但其Verdet常数随温度变化较大，故高Verdet常数块状材料型OCT中主要补偿Verdet常数。一般先测材料dV/dθ参数或曲线，再在测电流的同时用光纤温度传感器及信号分析法实测温度来补偿，但此法一则增加光学器件而使OTA可靠性降低，再则若要在100℃范围内获得0.2级精度，必须±0.1℃的测温准确度，光纤温度传感器难以胜任如此高的要求。抗磁性材料传感头的双折射的影响远大于dV/dθ，因而国内外研究双折射补偿深入而广泛，但提出的双折射补偿法均与调整入射光的偏振态有关，需借助精密偏振仪或椭偏仪精确定位起偏器，实际操作困难，直接影响补偿效果。

另一常用双折射补偿法是利用法拉第效应非互易特征的互易性补偿法。实现完全的互易性补偿一般须复杂的传感头结构，多在闭环式传感头结构的最后一次反射时用屋脊棱镜转向，使光路沿第一次传播路径反向传输。分析及实验结果表明该法由于传感头内光反射次数较单向环路增加近一倍，出射光束质量较差，加工及耦合极为困难，而灵敏度未如理论分析那样增大一倍，故难于实用。

上述二法均未补偿Verdet常数，该常数的波动改变测量通道的比例系数（等效于被测电流幅值的变化），直接影响测量准确度，即使采用常数随温度变化较小的抗磁性材料，-40℃～+40℃环境温度范围内Verdet常数起伏的误差也远远超过0.2级OTA的准确度要求，这是现有补偿法没有解决而OTA实用化又必须解决的关键问题。

近期提出的新方法结合比较测量法与光学测量法，采用温度特性好（-40℃～+80℃范围内温度系数变化＜10-4）的永磁体为参考源，原有光路部分采用永久磁铁为参考信号，再利用同一光路同时测量参考信号和被测电流两者产生的磁场，因该二磁场对光信号的调制同时在同一光路上实现，Verdet常数及温度等外界干扰因素对两信号的影响完全相同，故直流参考磁场和被测工频交流磁场解调后的参考信号和被测信号中所含干扰因素完全一样，按比较测量法原理处理采样信号，可真实地还原出完全补偿了Verdet常数及温度等外界因素的被测电流信号，其验证工作已在实验室内完成。

2.2 空芯电流互感器

现阶段实用化高压ETA以空芯线圈为传感单元，低压侧的半导体激光器通过供能光纤给高压侧的调制电路供电，将高压侧的含有被测电流信息的电压信号转换成数字信号，驱动发光二极管，通过信号传输光纤以光脉冲形式传输至低压侧。

2.2.1 空芯线圈的结构及制造工艺

和传统互感器的绕制方法不同，为了获得高测量准确度，空芯线圈须按以下原则绕制：线圈密度恒定；骨架截面积恒定；线圈横截面与中心线垂直，否则将引入较大的测量误差。实际半手工绕制时常不能完全满足上述要求，批量生产时性能分散性大，所以一般空芯线圈的设计精度最高可达0.1 %，实际应用时常仅1～3％。IEC标准中对传感单元额定电流时的二次输出有明确数值要求，所有输出偏离值均计入测量误差，为了解决空芯TA生产时的分散性，IEC60044-8中特别允许采用一标记Ra的电阻来调整二次输出值。生产工艺成为阻碍空芯TA产业化的一个关键问题。

华中科技大学提出并设计了新结构的空芯线圈及其制备方法，它无需手工绕制和电阻调整，能容易地实现生产完全自动化，制造的空芯线圈互换性好，且测量准确度高，可同时满足计量和保护的双重要求，抗干扰能力强，-40℃～+90℃范围内温度稳定性优于±0.1％，测量灵敏度高，额定电流20 A时准确度0.2级；额定电流≥300 A时0.2 S级。

2.2.2 高压下空芯TA的供能方法

最初高压下空芯TA采用悬浮式电源变换器供电（即小TA方式），自母线取能。一般能对一次侧的电子电路单元提供足够电能，但母线电流很小（如低至额定电流的5％）时，则不足以维持正常的激励状态，无法供能，这种小电流供电死区可能使ETA无法正常工作。现在一般用低压侧的半导体激光器通过供能光纤给高压侧的调制电路供电，但关键问题是高压侧工作电路功耗过大（约200mW），一般光电转换效率较高时为30％，要求光源（半导体激光器）出纤功率＞600 mW，这种量级的光源寿命一般较短，远小于电力系统要求的TA寿命（30年），且成本昂贵，成为阻碍ETA产业化的另一关键因素。但功耗降低则TA性能随之降低，需在二者间寻求一个最佳平衡点。本文通过合理设计信号调制方式使测量准确度满足0.2级时高压侧电路功耗降到50 mW，激光器的出纤功率也随之大为降低，其寿命可满足电力系统应用的要求。

3 结束语

目前OTA温度稳定性研究方面遇到的困难使得很多研究单位都致力于采用空芯线圈测量高压下的电流（我国电网上运行的均为进口的此类ETA），其供能技术已可解决，但这种TA比OTA结构复杂，且激光供能系统需要进口，价格昂贵（几乎近TA成本之半），不利于批量生产和推广应用，所以新供能方法应是下一步的研究重点。