论文总字数：17163字

摘 要

近年来，电力行业逐步向智能化方向发展，越来越多的智能化电网出现。智能变电站作为智能电网的核心，其突破的数字化变电站，数字化变电站是用数字信号代替原来的模拟电量采集，通过光纤与通信线组成数字化网络，从而成功的实现对电压与电流数据的精测测量，最终达到对电网更好的监控和保护。

本文首先对电子式互感器国内外的研究和发展状况进行了简单的介绍，阐述了传统互感器的缺点和其现在所面临的问题。概括了非常规互感器的优点及其与常规互感器的区别。然后详细的介绍了有源互感器和无源互感器的原理。最后介绍了我国智能变电站中电子式互感器的应用。

关键词 传统互感器；有源互感器；无源互感器

Abstract

In recent years, the power industry has gradually developed into an intelligent direction, and more and more intelligent power grids have emerged. As the core of the smart grid, the intelligent substation is a breakthrough digital substation. The digital substation replaces the original analog power collection with digital signals, and forms a digital network through optical fibers and communication lines, thus successfully achieving accurate measurement of voltage and current data. Ultimately, better monitoring and protection of the grid is achieved.
This paper first introduces the research and development of electronic transformers at home and abroad, and expounds the shortcomings of traditional transformers and the problems they face now. The advantages of unconventional transformers and their differences from conventional transformers are summarized. Then the principle of active transformer and passive transformer is introduced in detail. Finally, the application of electronic transformers in intelligent substations in China is introduced.

Key words traditional transformer; active transformer; passive transformer

目录

摘要 III

Abstract IV

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国内应用研究 1

1.2.2 国外应用研究 1

第二章 常规互感器的缺点与不足 2

2.1常规互感器的现状与缺点 2

2.2常规互感器及与电子式互感器的比较 3

第三章 非常规互感器的优势 4

3.1 非常规互感器的特点 4

3.2 非常规互感器的优势 6

第四章 有源互感器和无源互感器的工作原理 7

4.1 有源型和无源型电子式互感器对比 7

4.1.1有源式电子式电压互感器 7

4.1.2无源型电子式电压互感器 8

4.1.3有源式电子式电流互感器 9

4.1.4无源式电子式电流互感器 9

4.2有源电子式互感器的原理 12

4.2.1电阻分压型电压互感器 12

4.2.2电容分压型电压互感器 14

4.2.3电感分压器 15

4.2.4空心线圈 16

4.2.5 低功率电流互感器 18

4.3无源式电子式互感器 20

4.3.1 电光效应的电子式电压互感器 20

4.3.2逆压电效应的电子式电压互感器 21

4.3.3磁光电流互感器 23

4.3.4全光纤型电子式电流互感器 24

第五章 非常规互感器的应用实例 26

5.1 智能化变电站中电子式互感器的研究应用 26

5.2电子式互感器应用对继电保护的影响 27

5.3电子式互感器在智能变电站中的应用实例 29

第六章 结束语 34

致谢 35

第一章 绪论

1.1研究背景

近十年来，面对计算机技术和网络技术的发展，加上智能电网的不断建设，电子式互感器越来越网络化、智能化。相对来说传统互感器暴露出越来越多的问题，例如磁饱和、电磁谐振、暂态特性不好等缺点。随着电力系统容量的增大，电压等级的提升，绝缘结构复杂，体积庞大等这些传统互感器所具有的问题使的对电力系统的监控和控制功能的集成出现了很大的困难。所以常规互感器在电网中的发展抑制智能电网的发展，所以新型的非常规互感器的发展和研究是现在电网发展的主要部分。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内应用研究

20世纪70年代，当国外对电子式互感器的深入研究和国家电网的需要，我国开始了对于电子式互感器的研究，现在电子式互感器在电网中的应用逐步推广。清华大学、华中理工大学、南瑞继保电器有限公司等是我国主要从事电子式互感器的开发。虽然我国现在研究出来多种的电子式互感器，但是大部分的设备仅仅局限于实验阶段，并没能实际上实现投入运行。

1.2.2 国外应用研究

20世纪60年代，计算机技术的发展，推动了国外对电子式互感器的研究，但是由于技术的限制，对其的研究一直处于理论探索阶段。80年代初期，对于电子式互感器的研究进入了一个关键时期，并且还是一个成果丰硕的时期，各类型的电子式互感器逐步在电网中成功运行。90年代以后，国外的各大制造商制造出各种实用化的产品，有源电子式电流互感器的发展越来越多样化，多用途和全球化。随着光纤技术的发展，一种全光纤光学电流互感器得到了研究者的青睐，并且由Carmanah工程公司研发的该互感器首次在美国电厂投入使用。国外对于全光纤电流互感器研究比国内的早一些，提出了能够有效地解决非线性问题的方法，提出的办法能够在一定的程度上抑制温度偏移问题，实现电力系统的投入，世界上许多著名的电力公司投入了大量的人力，财力及物力，通过长时间的观察与记录，取得可靠的数据，证实了其准确性和可靠性。进入了21世纪以后，对于电子式互感器来说，其在实用技术方面经过了较长时间的运行，在各个方面，都取得了更加相对可靠的数据用作技术支持，各个国家竞相研制相关的产品，从而占领市场。例如，ABB公司开发的磁光电流互感器和光学电流互感器，德国的西门子和法国的AREVA公司都由各自由不同的产品向市场输送。

第二章 常规互感器的缺点与不足

2.1常规互感器的现状与缺点

传统互感器主利用电磁感应原理。自从1831年法拉第发明变压器以后，电磁式互感器的原理和结构都没有发生过实质性的变化。它图2.1是电磁式电流互感器的结构图。从结构中可以看出，电磁式互感器的绝缘结构需要能够承受很高的高电压，因此，在其绝缘结构的设计和制造过程中，复杂的结构需要很高的成本，电磁式电压互感器与图2.1的绝缘结构相似，故而存在一样的问题。目前，我国的电压等级已经高达1000KV了，传统互感器暴露出的问题越来越多了，这么高的电压等级，会使的互感器的绝缘结构变得更加的复杂，制造的成本会越来越高。传统互感器的缺点有：

（1）绝缘结构复杂，导致了体积变大，重量增加。

（2）铁磁谐振的问题，会使得设备损坏。

（3）电磁干扰的耦合途径时由互感器接到二次保护控制设备的电缆。

（4）油浸式的绝缘方法，会出现漏油等现象，从而引发爆炸，运行安全性是难以得以保证的。

图2.1 电磁式电流互感器的结构图

2.2常规互感器及与电子式互感器的比较

表2.1传统互感器与电子式互感器的比较

第三章 非常规互感器的优势

3.1 非常规互感器的特点

电子式互感器在实用阶段所变现出来的优势使得它正逐步取代常规互感器，从而应用于数字化变电站中。近年来，出现的智能电网的建设热潮，智能化、小型化和多功能化的电气设备成为了电力系统中急需品，实现这些功能，电子式互感器是重要的一部分。电子式互感器的本质其实就是将模拟量变换为数字量的设备。它用已经模拟出来的电流和电压的信号，在接近信号源的地方，使用一种做可靠的方式，将其转换为数字量。根据电子式互感器的发展过程来说，其存在这两种形式，一种有源式，另一种无源式，其中的形式要可分为图3.1。这两种形式在不断的竞争中得以发展。每种形式都有这自己的优势，有着自己的发展空间，从而在现在智能化的时代，进一步满足各个用电方面的要求和经济条件。有源式电子式互感器在现代计算机技术和微电子技术飞速发展的时刻，并且在智能化变电站发展的潮流中会有更加大的突破。无源互感器由于高压端不需要电源为其供能。电子式互感器作为传统电磁式互感器的理想换代设备，它将会给电力系统的电力测量和保护带来历史性的革命性变革。

图3.1 电子式互感器的分类

有源电子式互感器的应用越来越广泛。根据互感器的结构，有源电子式互感器可以分为空气绝缘开关设备独立式结构（AIS）、隔离断路器集成安装结构（DCB）、气体绝缘全封闭组合电器集成安装结构（GIS）。

无源式电子互感器是一个将光学和有关电力学等学科完美的结合起来的新兴技术。其原理主要来源于法拉第效应和普克尔效应，从而实现对电压与电流的监控，在高压绝缘方面有着优良的性能。

电子式互感器主要实现原理如下表3.1：

表3.1电子式互感器的实现原理

电子式互感器通用框图如图3.2所示：

图3.2 电子式互感器的通用框图

电子式互感器展现出了好的暂态特性，具有高的测量精度，并且不存在铁磁饱和现象，这些特点对继电保护的快速、可靠和灵敏动作，为顺利切除故障提供好的保障，并且会为将来的保护带来实质性的变化和影响。电子式互感器的整体结构如图3.3

图3.3 电子式互感器的整体结构

3.2 非常规互感器的优势

（1）相比较传统互感器，由于没有铁芯结构，从而使得磁路饱和被消除了。

（2）不会发生电流互感器二次回路开路和电压互感器二次回路短路等这些问题，进一步避免了给设备和人身造成严重的危险。

（3）绝缘性能优良。

（4）数据传输抗干扰能力强。

（5）消除了铁磁谐振，抗电磁干扰能力强。

（6）电子式互感器能够直接提供数字信号，进一步的简化了电子设备的结构。

（7）由于不会由电流互感器饱和和误差曲线这些问题，减少了一些不必要的实验项目，进一步省去了一些繁琐的工作。

图3.4 磁旋光型电子式互感器

第四章 有源互感器和无源互感器的工作原理

4.1 有源型和无源型电子式互感器对比

图4.1为电子式互感器结构示意图。由第三章介绍可以看出，电子式互感器的独特优势使得它成为电力系统最为可取的下一代互感器

图4.1 电子式互感器结构示意图

4.1.1有源式电子式电压互感器

有源式电子式电压互感器根据原理有两种形式，一种为法拉第电磁感应，另一种为分压原理，如图4.2所示为有源电压互感器的典型图。从测量品质角度，可以达到电能计算的要求。但是不能够准确的分析非周期分量，同时在电容分压中测量暂态有时间延迟问题，，上述所存在的问题将会对故障的测量准确度产生不利的影响。

图4.2有源型电子式电压互感器原理图

在运行安全方面，有源型电子式电压互感器虽然有着比传统互感器的独特优势，但是其依旧存在这由铁磁谐振所引发的设备故将隐患，

4.1.2无源型电子式电压互感器

无源式电子电压互感器主要基于Pockels电光效应和逆压电效应，但是这两种光学互感器目前正处于实验室研究阶段，主要是因为无源式非常规互感器具有以一下缺点：

无源式非常规互感器虽然各个国家的电力工作者和科研人员正在积极的研究并提出更重新的方法去提高测量准确度，在实验室的条件下取得了一定的成果，但是在实用性方面，现阶段在长期运行下其稳定性是难以得以保证的，研究还有待进一步深入。

通过比较，电子式电压互感器的区别如表4.1

表4.1 各类电子式电压互感器比较结论

4.1.3有源式电子式电流互感器

有源式电子式电流互感器是现在是电子式互感器实用化程度最高的互感器。由于它是有源的，故需要供能，供能方式有：利用CT从输电线上取能、利用电容分压器从母线上取能，激光供能方式。其原理图如图4.3

图4.3 有源电子式电流互感器原理图

4.1.4无源式电子式电流互感器

无源式电子式互感器其分为为磁光玻璃光学电流互感器和全光纤电流互感器。关于这两种互感器的原理，将会在下文中详细介绍。

图4.4为磁光玻璃型电子式电流互感器。

图4.4磁光玻璃型电子式电流互感器

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