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、測控、計量、監(jiān)控、遠動、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，各個系統(tǒng)實現(xiàn)信息共享。常規(guī)綜自站的一次設(shè)備采集模擬量，通過電纜將模擬信號傳輸?shù)綔y控保護裝置，裝置進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后處理數(shù)據(jù)，然后通過網(wǎng)線上將數(shù)字量傳到后臺監(jiān)控系統(tǒng)。同時監(jiān)控系統(tǒng)和測控保護裝置對一次設(shè)備的控制通過電纜傳輸模擬信號實現(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，通過光纜上傳測控保護裝置，然后傳到后臺監(jiān)控系統(tǒng)，而監(jiān)控系統(tǒng)和測控保護裝置對一次設(shè)備的控制也是通過光纜傳輸數(shù)字信號實現(xiàn)其功能。

隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)電壓等級的不斷提高，對電壓、電流的測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)備也不斷地改進和發(fā)展，其中對于衡量互感器先進與否的一個重要指標就是互感器的絕緣問題。對于傳統(tǒng)的電磁式互感器來說，由于絕緣成本隨著絕緣等級的升高成指數(shù)增長，因此原有的空氣絕緣、油紙絕緣、氣體絕緣和串級絕緣已經(jīng)不能滿足超高壓設(shè)備的絕緣要求，同時傳統(tǒng)互感器存在磁飽和的問題，造成繼電保護裝置的誤動或拒動，而且鐵磁諧振、易燃易爆及動態(tài)范圍小等缺點一直是傳統(tǒng)互感器難以克服的困難。于是，各種針對高電壓、大電流信號的測量方法便應(yīng)運而生，其中，基于光學(xué)和電子學(xué)原理的測量方法，經(jīng)過近三十年的發(fā)展，成為相對比較成熟、最有發(fā)展前途的一種超高壓條件下的測量方法。

光電互感器指輸出為小電壓模擬信號或數(shù)字信號的電流電壓互感器。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，現(xiàn)在發(fā)展的高電壓等級用光電互感器一般都用光纖輸出數(shù)字信號。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，采集器采樣后，AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由LED轉(zhuǎn)換為光信號，通過光纜送回主控室。羅科夫斯基線圈一般有保護、計量和測量、能量線圈，羅科夫斯基線圈形狀是空心螺線管，無鐵芯，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，從傳感頭通過絕緣支柱內(nèi)部引下，送回主控室。④能量問題。傳感頭部件的電源是光電互感器的難點之一。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?，一般稱無源式;另一種是用電磁感應(yīng)或分壓原理將電流電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)樾‰妷盒盘枺賹⑿‰妷盒盘栟D(zhuǎn)換為光信號傳輸給二次設(shè)備，一般稱有源式。無源式由于存在穩(wěn)定性和可生產(chǎn)性較差、電子回路復(fù)雜等問題，現(xiàn)在主要處在實驗室階段，推廣運用還有待時日。有源式的難點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)出電流來提供能量;當一次電流太小，不足以提供能量時，使用能量光纜，由戶內(nèi)激光發(fā)生器通過光纜上送能量。兩種方式可互為備用，自動切換。

相對于傳統(tǒng)的電磁式互感器，光電互感器有明顯的優(yōu)點：

(1)在高電壓、大電流的測量環(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)沒有傳統(tǒng)電流互感器二次開路產(chǎn)生高壓的危險，以及傳統(tǒng)充油電壓、電流互感器漏油、爆炸等危險;

(3)不會產(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，適用于繼電保護和諧波檢測;

(5)動態(tài)范圍大，能在大的動態(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)字化信號處理要求，它還可用于以保護、監(jiān)控和測量為目的高速遙感、遙測系統(tǒng);

(7)整套測量裝置結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小;

(8)各個功能模塊相對獨立，便于安裝和維護，適于網(wǎng)絡(luò)化測量。

由于光電互感器的諸多優(yōu)點，光電互感器取代傳統(tǒng)互感器將只是一個時間問題。國際上，光電互感器已逐步成熟，正已越來越快的速度推廣運用。其中ABB、西門子等公司生產(chǎn)的光電互感器已有十幾年的成功運行業(yè)績。采用光電互感器的數(shù)字化變電站在歐洲也已經(jīng)投入運行。我國光電互感器的研制和運用相對比較落后，僅有為數(shù)不多的變電站使用了一些進口的光電互感器。國內(nèi)有二十余家企業(yè)和高校涉足了光電互感器的開發(fā)，經(jīng)過多年的努力，已有若干套設(shè)備在現(xiàn)場試運行。

我國在有源式光電互感器的研究已走在無源式的前面，有的產(chǎn)品已在多個變電站試運行近一年的經(jīng)驗，運行情況良好，可滿足保護和計量的要求，并通過了部級鑒定，達到國際先進水平。同時國內(nèi)的二次設(shè)備制造商開發(fā)了可與光電互感器直接接口的數(shù)字接口繼電保護裝置、數(shù)字接口電能表等二次設(shè)備，為光電互感器的實際應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

光電互感器目前存在的問題對電能計量方面的影響：

(1)由于處在研究開發(fā)中，光電互感器性能仍不穩(wěn)定。對于電能計量來說，光電互感器的穩(wěn)定運行是保障計量準確的前提，尤其是一些在變電站計費的電能表，更加不能忽視光電互感器的性能穩(wěn)定性。

(2)溫度對光電互感器的精度有較大的影響。電能計量是對精度要求較高的專業(yè)，其對精度的要求往往要高于其他專業(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，不可避免的對電能計量帶來一定影響。

(3)電子互感器在A/D轉(zhuǎn)換的過程中存在較大的角度誤差。在光電互感器對采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的A/D轉(zhuǎn)換中，會帶來較大的角度誤差，從而對電能計量的計量準確性又帶來了一定的影響。

(4)與光電互感器相匹配的電能表必須具有國家法定計量檢定機構(gòu)的認證。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行計量，原先的電能表均無法實現(xiàn)計量功能，為此就出現(xiàn)了一個新的問題，新型的電能表作為一種“新”計量工具，按照國家法規(guī)就必須有具有國家法定計量檢定機構(gòu)的認證，因此新型電能表的認證也是必不可少的。