・９８・ 工业仪表与自动化装置 ２０１３年第３期 基于电容分压的电子式互感器 陈欣，高敬更，乔立凤，杨春光，黄葆文，鱼建军 （甘肃省电力公司电力科学研究院，兰州７３００５０） 摘要：阐述了电子式互感器的概念、工作原理及其配置。电子式互感器是为智能电网进行电能 计量、保护和控制等提供电流、电压信号的重要电器设备，是互感器技术发展的必然趋势。 关键词：电子式互感器；智能电网；电容分压 中图分类号：ＴＭ４５１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００—０６８２（２０１３）０３—００９８—０２ Ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｆｏｌｒｍｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｖｉｄｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ＣＨＥＮ Ｘｉｎ，ＧＡＯ Ｊｉｎｇｇｅｎｇ，ＱＩＡＯ Ｌｉｆｅｎｇ，ＹＡＮＧ Ｃｈｕｎｇｕａｎｇ，ＨＵＡＮＧ Ｂａｏｗｅｎ，ＹＵ Ｊｉａｎｊｕｎ （Ｇａｎｓｕ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｃｏｎｃｅｐｔ，ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｆｏＦｍｅｒ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｉｓ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｗｈａｔ ｐｒｏｖｉｄｅ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｃｒｕｕｅｎｔ ｓｉｇｎａｌｓ ｆｏｒ ｅｎｅｒｇｙ ｍｅｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｓｍａｒｔ ｇｒｉｄ，ａｎｄ ｗｉｌｌ ｂｅｃｏｍｅ ｉｎｅｖｉｔａｂｌｅ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｄｅｌｅｖｏｐｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｓｍａｒｔ ｇｒｉｄ；ｄｉｖｉｄｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ０ 引言 随着智能电网的建设和发展，厂、站及系统数字 为３Ｐ，测量用电压互感器准确度等级为０．２。 电子式互感器原理如图１所示。传感器将一次电 流、电压转变成电子电路允许测量的信号，由采集器单 化测量、保护、调度和控制已成为发展的趋势。对电 力设备提出的小型化、智能化和高可靠性的要求也 越来越高。现有电磁式互感器由于其结构特点和存 在的不足已不能满足这种要求。 电子式互感器采用最新技术，可为电力系统进 元就地完成模数转换并调制成光信号，通过光纤把一 次电流电压数字量传送到位于集控室的合并器单元。 互感器高低压间采用弹性固体绝缘材料，可简化结构， 降低制造难度。 行电能计量、测量、控制及保护等提供电流、电压信 号，其精度及可靠性与电力系统的安全、稳定和经济 运行密切相关。电子式互感器具有体积小、重量轻、 频带响应宽、无饱和现象、抗电磁干扰性能佳、无油 化结构、绝缘可靠，便于向数字化、微机化发展等诸 多优点，将在数字化变电站中广泛应用。 ｉ Ｒｏ测ｇｏ量ｗ用ｓｋｉ／Ｒ保。ｇ护ｏｗ用ｓｋ ｉ ！ｉ １ 工作原理 电子式互感器是基于ＩＥＣ６（Ｘ）４４—７，ＩＥＣ６ＯＭ４—８ 一一＿＿一一一一一一一一一一一一一一一一ｊ 味自电磁式互感器的 ；｛一 …一 标准设计的，互感器接口符合ＩＥＣ６１８５０规定，用光作为 传输介质，用数字形式输出的互感器。电子式互感器 额定电压１０ ｋＶ－５００ ｋＶ，额定电流５０ Ａ－４ ０００ Ａ。保 图１互感器工作原理图 ２电子式互感器结构配置 ２Ｏ０２年，ＩＥＣ根据电子式互感器的研究和发展情 况，制定了ＩＥＣ６００４４—７电子式电压互感器标准和 ＩＥＣ６００４４—８电子式电流互感器标准，对电子式互感器 的特点、性能指标和检定原则进行了规范。 护用电流互感器准确度等级为５ＦＦＥ，测量用电流互感 器准确度等级为０．２ Ｓ；保护用电压互感器准确度等级 收稿日期：２０１２—１２—１７ 作者简介：陈欣（１９６８），男，重庆人，本科，高级技师，从事电能 计量与检测技术研究。 电子式互感器中电流信号采集器是利用电磁感应 原理的罗氏线圈、光学装置或传统电流互感器等方式 ２０１３年第３期 工业仪表与自动化装置 ・９９・ 实现的；电压信号采集器主要采用电阻分压器、电容分 压器、串联感应分压器或光学原理等方式实现。采集 电容器中的电容元件一般用油浸膜纸电容或全膜电 容工艺制造。这种电容器每只芯子电容量１Ｏ ｎＦ～ ｋＶ，一节分压电容 到的电压和电流模拟量由采集器就地转换成数字信号 ５００ ｎＦ，运行电压一般不超过１并通过光纤传送到合并器单元，合并器单元接收并转 换成符合ＩＥＣ６１８５０格式的数据通过光纤以太网提供 给保护、测量等设备。采集器单元和合并器单元可以 根据需要是一对一、一对多或多对一等多种组合形式。 ２．１罗氏线圈 罗氏（Ｒｏｇｏｗｓｋｉ）线圈是由非磁性材料为骨架构成 的空心线圈，因此不会出现磁饱和以及磁滞现象。这 些特点决定了用罗氏线圈作为传感器具有良好的线性 度和暂态特性。所以，将罗氏线圈输出的电压信号用 于保护系统具有优越性。以图２为例，当负载很大时， 罗氏线圈输出电压为： Ｕｏｕｔ（ 式中：，Ｐ为导体中流过的一次瞬时电流， 为导体与 罗氏线圈之间的互感，由线圈物理结构与导体空问布 置决定。 图２罗氏线圈不意图 ２．２小功率电流互感器 小功率电流互感器是一种铁心线圈式低功率电 流互感器，是传统的电磁式互感器的发展。小功率 电流互感器可以带高阻抗，可以输出和一次电流成 比例的电压信号，而且它的准确度特别高，用来提供 测量用信号有很大的优越性。小功率电流互感器工 作原理如图３所示。 图３小功率ｃＴ工作原理 ２．３电容分压器 电子式互感器使用最多的电压互感器是电容分 压器，其工作原理如图４所示。电子式互感器分压 器的额定电压通常不超过３００ ｋＶ，测量更高电压需 要多节电容器串联使用。 电容分压器的分压比受电容元件对地分布电容 影响，考虑到对地电容，理论计算所得分压比为： １ １ ＝ｋ 『１一（１一－￣、 。ｃｏｓｅｃｈ ＬＩ）］ Ｂ Ｂ ｎｎ （２） 式中：卢＝ ，ｃ 为高压臂总电容，ｃ 为总对地电容， ｋｏ为不考虑对地电容时的分压比。 图４基于电容分压器的电子式电压互感器 ２．４采集器单元 电子式互感器的采集器用来对模拟量输入进行 采样、模数转换并通过光纤传送数据到合并器。采 集器与合并器之间仅通过２根光纤进行能量和数据 的传递。采集器提供３路模拟量输入，分别是电压、 保护电流和测量电流，经低通滤波进入模数转换回 路。模数转换回路采用高精度的、高采样率的１６位 Ａ／Ｄ转换器，其信噪比可以达到９０ ｄＢ。 电源回路负责给采集器各部分提供电源，并提 供采样中断。在采样中断中，ＣＰＵ开始数据采样和 转换，并将转换后的数据进行打包处理，打包后的数 据经过调制通过光纤发送到合并器。采集器的主工 作电源来自激光电源。取能线圈得到的能量经整 流、滤波处理后，作为采集器工作的热备用电源。 ３结构特点 电子式互感器和传统的互感器相比在结构上有 以下特点： （下转第１０３页） ２０１３年第３期 工业仪表与自动化装置 ・１０３・ 姿及相互之间的位置，最终均能围捕成功。同时 优势，通过合理的策略也可以使围捕成功，说明多机 也可看出，由于围捕机器人要主动去加速追赶目 器人通过合作可以弥补单个机器人不足。这正好体 标机器人，所以总的来说围捕机器人所消耗的能 现了多机器人的群体协作优势：单个机器人不能完 量比目标机器人要多，特别是长时问作为Ａ角色 成的任务可以由多个机器人协作来完成，多机器人 机器人其消耗的能量更快。但通过围捕机器人的 系统的围捕性能与它的成员数目有关。 角色转换策略调整围捕机器人的消耗，事实上如 参考文献： 果参加围捕的机器人数量不同角色转换的策略也 ［１］ ＺＨＵ Ｑｉｎｇｂａｏ．Ａｎｔ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｕｆｔｉ— 不同，如刚好３个机器人参加围捕，则重点是保持 Ｒｏｂｏｔ Ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎ Ｕｎｋｎｏｗｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｆｔｗａｒｅ，２００６，１７（９）：１８９０—１８９８． 围捕机器人的能量相对均衡，避免个别机器人能 ［２］ 袁瑗，焦继乐，曹志强，等．基于模糊控制协调策略的 量过早消耗完而退出。如围捕机器人多于３个 多自主机器人围捕［Ｊ］，华中科技大学学报：自然科学 时，可以让某个机器人长时间处于Ａ角色状态，让 版，２０１１，３９（２）：３２８—３３１． 这个机器人与目标机器人进行“纠缠”，最终这个 ［３］ 王巍，宗光华．基于“虚拟范围”的多机器人围捕算法 机器人即使因能量先耗尽而退出，也由于这个机 ［Ｊ］．航空学报，２００７，２８（２）：５０８—５１２． 器人的“纠缠”消耗目标机器人的能量，节省其他 ［４］ 付勇，汪浩杰．一种多机器人围捕策略［Ｊ］．华中科技 围捕机器人的能量和时间，为围捕成功创造机会， 大学学报：自然科学版，２００８，３６（２）：２６—２８． ［５］ 裴惠琴，陈世明，孙红伟．动态环境下可扩展移动机器 符合人类社会经常采用的“牺牲局部赢得全局”的 人群体的围捕控制［Ｊ］．信息与控制，２００９，２８ 策略。 （４）：４３７—５５３． ５ 结束语 ［６］李淑琴，王欢，李伟，等．基于动态角色的多移动目标 围捕问题算法研究［Ｊ］．系统仿真学报，２００６，１８（２）： 实际的机器人的能量都是有限的，其运行速度也 ３６２—３６５． 是在一定的范围内，在单个机器人能量、性能都不占 ［７］ 陈阳舟，王文星，代桂平．基于角度优先的多机器人围捕 优势的前提下，利用多机器人围捕过程中总能量多的 策略［Ｊ］．北京工业大学学报，２０１２，３８（５）：７１６—７２０． （上接第９９页） １）电子式互感器可从实现原理上根本地避免 问题。目前，二次设备微机化的普及使得二次回路 磁路饱和、铁磁谐振等问题，提高采集精度； 负载大为减小，随着基于罗氏线圈原理和电容分压 ２）频率响应宽，动态范围大，可有效进行高频 原理的电子式电压互感器的不断发展，产品在变电 大电流的测量。 站中得到广泛应用。目前，已在多座变电站挂网运 ３）不存在电磁式互感器因采用油绝缘而导致 行，初步达到工程实用化水平。 的易燃易爆等缺陷，二次信号通过光纤传输，不存 电子式互感器将以其在绝缘性能、测量精度、安 在电磁式互感器二次侧ＴＡ开路和ＴＶ短路等危险； 全性、数字化和自动化配套能力等方面的优势，成 ４）二次侧信号通过光纤传输，不存在电缆传输 为未来数字化变电站互感器技术发展的必然趋势。 方式的电磁干扰问题； 参考文献： ５）绝缘结构简单，一次高压与二次设备通过光 ［１］ ＩＥＣ ６００４４—７ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ Ｐａｒｔ ７，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ 纤连接，无电磁式互感器的绝缘问题； Ｖｏｌｔａｇｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ［Ｓ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ６）体积小、重量轻、造价低，随着电压等级的升 Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ，２００２． 高这些优势更加明显； ［２］ ＩＥＣ ６００４４—７ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ Ｐａｒｔ ８，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ７）二次侧可直接输出数字信号，与其他智能电 ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ［Ｓ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ，２００２． 子设备连接方便，满足数字化变电站的要求。 ［３］ 肖耀荣，高祖绵．互感器原理与设计基础［Ｍ］．沈阳： ４结束语 辽宁科技出版社，２００３． ［４］ 黄德祥，孙志杰，陈应林．新型高电压测量装置——数 基于Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈和法拉第原理的电子式电 字光电式串联感应分压器的研制［Ｊ］．高压电器， 流互感器解决了传统电磁式互感器可能存在的饱和 ２００５，４１（２）：１４３—１４５．