淺談數(shù)字化變電站中的光電互感器

數(shù)字化變電站就是將信息采集、傳輸、處理、輸出過(guò)程完全數(shù)字化的變電站。全站采用統(tǒng)一的通訊規(guī)約構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量、監(jiān)控、遠(yuǎn)動(dòng)、VQC等系統(tǒng)，均用同一網(wǎng)絡(luò)接收電流、電壓和狀態(tài)信息，各個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息共享。常規(guī)綜自站的一次設(shè)備采集模擬量，通過(guò)電纜將模擬信號(hào)傳輸?shù)綔y(cè)控保護(hù)裝置，裝置進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后處理數(shù)據(jù)，然后通過(guò)網(wǎng)線上將數(shù)字量傳到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和測(cè)控保護(hù)裝置對(duì)一次設(shè)備的控制通過(guò)電纜傳輸模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)其功能。數(shù)字化變電站一次設(shè)備采集信息后，就地轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過(guò)光纜上傳測(cè)控保護(hù)裝置，然后傳到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，而監(jiān)控系統(tǒng)和測(cè)控保護(hù)裝置對(duì)一次設(shè)備的控制也是通過(guò)光纜傳輸數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)其功能。

隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)電壓等級(jí)的不斷提高，對(duì)電壓、電流的測(cè)量要求也在不斷提高，而互感器作為連接高壓與低壓的一種電器設(shè)備也不斷地改進(jìn)和發(fā)展，其中對(duì)于衡量互感器先進(jìn)與否的一個(gè)重要指標(biāo)就是互感器的絕緣問(wèn)題。對(duì)于傳統(tǒng)的電磁式互感器來(lái)說(shuō)，由于絕緣成本隨著絕緣等級(jí)的升高成指數(shù)增長(zhǎng)，因此原有的空氣絕緣、油紙絕緣、氣體絕緣和串級(jí)絕緣已經(jīng)不能滿足超高壓設(shè)備的絕緣要求，同時(shí)傳統(tǒng)互感器存在磁飽和的問(wèn)題，造成繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)或拒動(dòng)，而且鐵磁諧振、易燃易爆及動(dòng)態(tài)范圍小等缺點(diǎn)一直是傳統(tǒng)互感器難以克服的困難。于是，各種針對(duì)高電壓、大電流信號(hào)的測(cè)量方法便應(yīng)運(yùn)而生，其中，基于光學(xué)和電子學(xué)原理的測(cè)量方法，經(jīng)過(guò)近三十年的發(fā)展，成為相對(duì)比較成熟、最有發(fā)展前途的一種超高壓條件下的測(cè)量方法。

光電互感器指輸出為小電壓模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)的電流電壓互感器。由于模擬輸出的光電互感器仍存在傳統(tǒng)互感器的一些固有缺點(diǎn)，現(xiàn)在發(fā)展的高電壓等級(jí)用光電互感器一般都用光纖輸出數(shù)字信號(hào)。光電互感器與傳統(tǒng)互感器外形相似，但體積小，重量輕，主要由傳感頭、絕緣支柱和光纜三部分組成。①傳感頭部件有羅科夫斯基線圈、采集器、A/D轉(zhuǎn)換器和光發(fā)生器LED。工作原理是由羅科夫斯基線圈從一次傳變信號(hào)，采集器采樣后，AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由LED轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過(guò)光纜送回主控室。羅科夫斯基線圈一般有保護(hù)、計(jì)量和測(cè)量、能量線圈，羅科夫斯基線圈形狀是空心螺線管，無(wú)鐵芯，填充非晶體材料，主要起支撐作用。②絕緣支柱采用硅橡膠絕緣子，內(nèi)部填充固態(tài)硅膠，起到支撐、絕緣和固定光纜作用。③光纜分為數(shù)據(jù)光纜和能量光纜，從傳感頭通過(guò)絕緣支柱內(nèi)部引下，送回主控室。④能量問(wèn)題。傳感頭部件的電源是光電互感器的難點(diǎn)之一。傳感頭部件(采集器、A/D轉(zhuǎn)換器和光發(fā)生器LED)使用微功耗裝置，功率30毫瓦。

光電互感器可分為兩種型式。一種是用磁光效應(yīng)和電光效應(yīng)直接將電流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，一般稱無(wú)源式;另一種是用電磁感應(yīng)或分壓原理將電流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樾‰妷盒盘?hào)，再將小電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)傳輸給二次設(shè)備，一般稱有源式。無(wú)源式由于存在穩(wěn)定性和可生產(chǎn)性較差、電子回路復(fù)雜等問(wèn)題，現(xiàn)在主要處在實(shí)驗(yàn)室階段，推廣運(yùn)用還有待時(shí)日。有源式的難點(diǎn)是提供高壓端需要的工作電源，但隨著激光供能和高壓取能技術(shù)的突破，已得到根本上的解決。光電互感器傳感頭部件的能量來(lái)源有兩種途徑。一是從一次取能，由能量線圈感應(yīng)出電流來(lái)提供能量;當(dāng)一次電流太小，不足以提供能量時(shí)，使用能量光纜，由戶內(nèi)激光發(fā)生器通過(guò)光纜上送能量。兩種方式可互為備用，自動(dòng)切換。

相對(duì)于傳統(tǒng)的電磁式互感器，光電互感器有明顯的優(yōu)點(diǎn)：

(1)在高電壓、大電流的測(cè)量環(huán)境中，光纖或光介質(zhì)是良好的絕緣體，它可以滿足高壓工作環(huán)境下的絕緣要求;

(2)沒(méi)有傳統(tǒng)電流互感器二次開(kāi)路產(chǎn)生高壓的危險(xiǎn)，以及傳統(tǒng)充油電壓、電流互感器漏油、爆炸等危險(xiǎn);

(3)不會(huì)產(chǎn)生磁飽和及鐵磁共振現(xiàn)象，它尤其適用于高電壓、大電流環(huán)境下的故障診斷;

(4)頻帶寬，可以從直流到幾百千赫，適用于繼電保護(hù)和諧波檢測(cè);

(5)動(dòng)態(tài)范圍大，能在大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)產(chǎn)生高線性度的響應(yīng);

(6)適應(yīng)了現(xiàn)在電力系統(tǒng)的數(shù)字化信號(hào)處理要求，它還可用于以保護(hù)、監(jiān)控和測(cè)量為目的高速遙感、遙測(cè)系統(tǒng);

(7)整套測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小;

(8)各個(gè)功能模塊相對(duì)獨(dú)立，便于安裝和維護(hù)，適于網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量。

由于光電互感器的諸多優(yōu)點(diǎn)，光電互感器取代傳統(tǒng)互感器將只是一個(gè)時(shí)間問(wèn)題。國(guó)際上，光電互感器已逐步成熟，正已越來(lái)越快的速度推廣運(yùn)用。其中ABB、西門(mén)子等公司生產(chǎn)的光電互感器已有十幾年的成功運(yùn)行業(yè)績(jī)。采用光電互感器的數(shù)字化變電站在歐洲也已經(jīng)投入運(yùn)行。我國(guó)光電互感器的研制和運(yùn)用相對(duì)比較落后，僅有為數(shù)不多的變電站使用了一些進(jìn)口的光電互感器。國(guó)內(nèi)有二十余家企業(yè)和高校涉足了光電互感器的開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)多年的努力，已有若干套設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行。

我國(guó)在有源式光電互感器的研究已走在無(wú)源式的前面，有的產(chǎn)品已在多個(gè)變電站試運(yùn)行近一年的經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行情況良好，可滿足保護(hù)和計(jì)量的要求，并通過(guò)了部級(jí)鑒定，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。同時(shí)國(guó)內(nèi)的二次設(shè)備制造商開(kāi)發(fā)了可與光電互感器直接接口的數(shù)字接口繼電保護(hù)裝置、數(shù)字接口電能表等二次設(shè)備，為光電互感器的實(shí)際應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

光電互感器目前存在的問(wèn)題對(duì)電能計(jì)量方面的影響：

(1)由于處在研究開(kāi)發(fā)中，光電互感器性能仍不穩(wěn)定。對(duì)于電能計(jì)量來(lái)說(shuō)，光電互感器的穩(wěn)定運(yùn)行是保障計(jì)量準(zhǔn)確的前提，尤其是一些在變電站計(jì)費(fèi)的電能表，更加不能忽視光電互感器的性能穩(wěn)定性。

(2)溫度對(duì)光電互感器的精度有較大的影響。電能計(jì)量是對(duì)精度要求較高的專(zhuān)業(yè)，其對(duì)精度的要求往往要高于其他專(zhuān)業(yè)。而絕大多數(shù)的光電互感器均是裝設(shè)在戶外，南方春秋兩季夜晚與白天溫差較大，不可避免的對(duì)電能計(jì)量帶來(lái)一定影響。

(3)電子互感器在A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程中存在較大的角度誤差。在光電互感器對(duì)采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的A/D轉(zhuǎn)換中，會(huì)帶來(lái)較大的角度誤差，從而對(duì)電能計(jì)量的計(jì)量準(zhǔn)確性又帶來(lái)了一定的影響。

(4)與光電互感器相匹配的電能表必須具有國(guó)家法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。由于光電互感器的結(jié)構(gòu)特殊性，必須要采用與之相匹配的電能表進(jìn)行計(jì)量，原先的電能表均無(wú)法實(shí)現(xiàn)計(jì)量功能，為此就出現(xiàn)了一個(gè)新的問(wèn)題，新型的電能表作為一種“新”計(jì)量工具，按照國(guó)家法規(guī)就必須有具有國(guó)家法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)的認(rèn)證，因此新型電能表的認(rèn)證也是必不可少的。