摘要： 电子式互感器的开发与应用前景。
1 前言
电子式互感器是为电力系统进行电能计量、测量、控制、保护等提供电流、电压信号的重要器件，其精度和可靠性与电力系统的安全、稳定及经济运行密切相关，是电力系统必不可少的设备。电力互感器的主要发展趋势是传感准确化，传输光纤化和输出数字化，尤其是传感准确化是保护与控制装置的正确动作的基础。现代电力系统对互感器在电能计量、电能质量检测、保护控制、故障录波，以及电网动态观测等各项装备上的测量精度要求愈益提高，作为数字电力系统的重要组成部分，数字式变电站需要数字输出和采用光纤传输的互感器。近年来，电子式互感器的研发得到了很大的发展，具有广阔的应用前景。
2 电子式互感器的研制与应用
20世纪90年代，国内外已有许多单位开始研制各种类型的新型电子互感器，目前一些著名高压电气设备制造商，如ABB公司，西门子公司，阿尔斯通公司生产出的产品已形成72.5~765kV系列产品；在北美138~500kV电网中，电子式互感器已投入运行。国内也有不少单位生产电子式互感器，并在工程中得到了一定的应用。华中科技大学利用罗戈夫斯基(Rogowski)线圈的输出正比于电流导数原理，研制的110kV光电式电流互感器(TA)，早在1993年就在广东投入试运行。据不完全统计，截至2008年6月，国内全站采用电子式互感器的220kV变电站4所，110kV变电站20余所，还有其它大量的部分采用电子式互感器的变电站。近期，将有10余个全站采用电子式互感器的220kV变电站投产，110kV变电站全站采用的更多。有源型电子互感器已全面进入实用化阶段。
3 电子式互感器的分类
目前电子式互感器主要包括：有源电子式互感器和无源电子式互感器两种类型。
有源电子式互感器处于高电位时需要电源，是一种基于罗戈夫斯基线卷的无铁芯（空芯）线卷的ECT。有源电子式互感器体积小，质量轻、暂态响应和运行性能良好、可靠性高。即可直接以模拟量的形式输出到就近的开关装置，也可用光纤进行信息传递，这样能大大简化互感器的绝缘结构，以便高压电网应用。
无源电子式互感器处于高电位的部分不需要电源，是一种基于磁光效应的互感器，如采用法拉第效应(Faraday effect)的OCT，直接用光进行信息的变换和传输，与高压电路完全隔离。具有不受电磁干扰、不饱和、测量范围大、有效频带宽、暂态响应和运行性能良好、便于数字传输等特点，适合于各种电压，尤其是超高压电网的应用。
由于光电式电流互感器(OCT)的实际应用更广泛，故下面着重予以介绍。[#page#]
4 光电式电流互感器的结构原理
4.1 无源光电式电流互感器(OCT)
根据IEC标准规定，光电式互感器是一种电子式互感器。从传感头有无电源的角度可区分为：无源式和有源式两类。OCT主要利用了Faraday磁光效应。1846年Faraday首次发现：磁场不能对自然光产生直接作用，但在光学各向同性的透明介质中，外加磁场H可使在介质中沿磁场方向传播的平面偏振光的偏振面发生旋转。这种现象被称为磁致旋光效应或Faraday效应。
当一束线性偏振光通过置于磁场中的Faraday旋光材料（如重火石玻璃）θ时，若磁场方向与光的传播方向相同，则光的偏振面将产生旋转。旋转角θ正比于磁场强度H沿偏振光通过材料路径的线积分：
θ=V ∫H ·dl=V·i (1)
式中，V为磁光材料的Verder常数，角度θ与被测电流成正比。利用检偏器将角度θ的变化转换为输出光强度的变化，经光电变换及相应的信号处理，便可求得被测电流i，如图2所示。实际应用中还有一种全光纤(all-fiber)式的CT，其工作原理与OCT的相同，如图3所示。
4.2 全光纤电流互感器(AFOCT)
光纤电流互感器(FOCT)同样是基于Faraday效应来测定电流的。因为采用光纤作为传感介质，故在绝缘性、抗电磁干扰、可靠性等方面，比传统的电磁式CT有很大优势。而且，它还不含交流线卷，不存在开路危险。以前，光纤CT的研究主要集中在磁光晶体结构的传感头方案上。欧洲ABB公司研制出达到IEC标准0.2级晶体结构的FOCT。近年来，北美Nxtphase公司已研制出超过IEC0.2S级的全光纤AFOCT；我国清华、华中科技大学也相继研制出正常环境下精度为0.3％的块状结构AFOCT。北航研制的新型AFOCT，传感光纤采用共光路设计，因而具有较好的互易性和较强的抗干扰能力。全温下比例因数变化< 0.5％。
AFOCT的结构及工作原理：全光纤CT系统构成如图4。整个结构按功能可分为光学传输、光学传感头和信号处理电路三部分。其中光学传输部分完成光信号的产生、传输、转换和干涉；光学传感头部分则传感导线中的电流，并将它转换为干涉光的相位信息；信号处理电路产生调制电压；对信号进行解算得到电流值。
SLD（超发光度二极管）光源发出的光经过单模耦合器后，由起偏器起偏成为线偏光。线偏光以45°注入保偏光纤，分别沿X轴和Y轴向前传播。当这两束正交模式的光经过λ/4波片后，分别变为左旋和右旋的圆偏振光进入传感光纤。由于受到导线中的电流产生的磁场作用，左右旋圆偏振光以不同的速度传播，从而引起光波相位变化。光由传感光纤端面的镜面反射后，这两束圆偏振光的偏振模式互换，再次通过传感光纤而再次受到磁场作用，使所受的作用效果加倍。这两束返回的光再次通过λ/4波片后，恢复为线偏振光，并在起偏器处发生干涉。最后，携带相位信息的光由耦合器耦合进入探测器。在整个光的传播过程中，光都经历了保偏光纤的X轴和Y轴与传感光纤的左旋和右旋模式，只在时间上略有差异。因此，到达探测器的光只携带了由于Faraday效应产生的非互易相位差Фf，那么探测器输出的光强为：
Pd=loss·0.5·Po[1+cos(Фf+Фm)] (2)
式中，loss—光路损耗；Po—光源输出光强；Фm—调制相移；Фf=4NVI—法拉第相移，其中N为传感光纤的匝数，V为Verder常数，I为导线中的电流。[#page#]
4.3 有源光电式电流互感器
这是一种基于传统互感器传感原理，利用有源器件调制技术、以光纤为信号传输媒介将高压侧转换得到的光信号送到低压侧解调处理，并得到被测电流信号的新型互感器。它既发挥了光纤系统的绝缘性能好、抗干扰能力强的优点，明显降低了高压、大电流互感器的体积、重量和制造成本，又利用了传统互感器原理技术成熟的优势，避免了纯光学互感器光路复杂、稳定性差等技术难点。
有源OCT的结构原理：它是通过一次采样传感器（空心线卷或小CT，电阻分流器）将电流信号传递给发光元件而变成光信号，再由光纤传递到低电位侧、变换成电信号以后输出。高压侧电子器件供电方式有光供电、母线电流供电和太阳能电池供电等。目前应用最多是采用空心线圈的有源式OCT，其组成原理如图5所示。
空心线圈（Rogowski线圈）实际上是均匀密绕在一环形非磁性骨架上的空心螺管线圈。这是由Rogowski.w.等人提出的，其输出电压正比于被测电流的变化率，结构原理如图6所示。
Rogowski线圈的截面为矩形或圆形，根据全电流定律和电磁感应定律，可推导出正方形截面线圈所交链的磁链为：
(3)
当被测电流i发生变化时，线圈的输出端所产生的感应电动势为：
(4)
式中，i为被测电流，h为骨架高度，N为线圈匝数，μo为真空磁导率(μo=4π×10-7H/m)，Ra为骨架外径，Rb为骨架内径。
由式(4)可知，Rogowski线圈的感应电动势与线圈的尺寸、匝数以及一次电流有关，受外磁场和母载流导体位首的影响小。因此，对Rogowski线圈的输出电压积分即可还原为被测电流。
5 电子式互感器的优越性
5.1 绝缘性能
常规电流互感器的绝缘结构一般采用在高压瓷套管（或复合材料套管）内的油纸绝缘或SF6气体绝缘。存在绝缘油、油箱和瓷套管等引起的可靠性失效问题，因而不可避免存在易燃、易爆等危险。
电子式电流互感器一次侧的传感单元一般为光学器件或者Rogowski线圈和LPCT，由于它们均悬浮于高电位侧，传感单元一、二次侧的绝缘较简单，且与电压等级的高低关系不大。电磁式CT中由于绝缘性能劣化导致的故障，不会出现在电子式CT中。
5.2 磁饱和、铁磁共振和磁滞效应
由于电磁式CT采用了铁芯，不可避免存在磁饱和、铁磁共振和磁滞效应等问题。电子式CT则不存在这方面的问题。对基于LPCT的电子式互感器。由于LPCT自身的特点，如二次负荷小，采用优质铁芯等，故磁饱和问题并不突出。[#page#]
5.3 二次侧开路的影响
电磁式CT的二次回路不能开路，否则，二次线圈存在开路高压的危险。电子式CT的高压侧与低压侧之间没有电气连接关系，通过光纤传递信号。光纤具有良好的绝缘性能，能确保高压回路与二次回路在电气上完全隔离；此外，其二次输出为低功率电压信号或数字脉冲信号，故低压侧无开路高压危险。
总之，从影响常规互感器可靠性的几个因素考虑，电子式互感器的可靠性比常规互感器高。并且，电子式互感器虽初期投入较大一些，但从全寿命周期成本来看，其基建、安装和维修成本降低很多，总成本仍能显著降低。除此之外，电子式互感器体积小、重量轻 、能有效节省空间、功耗极小、节电效果大，且具有环保产品的特征、综合造价低。随着电压的升高，这一系列优势会更加明显。
表1所列为电子式互感器与传感器的对比。
6 结束语
随着我国经济的快速发展，对电力系统提出更高要求。为了协调发展与环境保护的关系，高电压、远距离输电势在必行。这对承担着计量、控制和保护重要责任的互感器来说，也提出了严格要求。新型电子式互感器是数字变电站的关键器件之一，电子式互感器的诞生，是互感器传感准确化、传输光纤化和输出数字化发展趋势的必然结果。电子式互感器的一系列优点，正好满足了电力系统发展的需要。它将随着加工工艺、材料性能的提高，微电子技术、微机技术、光电子技术的迅速发展，在电力系统将有着广阔的应用前景。
参考文献
[1] 许玉香， 项力恒， 刘小刚， 电子式互感器的应用研究， 《高压开关行业通讯》2010 NO4
[2] 冯煜珵， 电子式电流互感器的特点和存在问题，《上海电力》2011 NO1
[3] 邓隐北， 新型光电式高电压测量器和电流互感器，《电子变压器技术》2007 NO9
