摘 要：作为新型电力系统的重要组成部分，电流互感器（CT）主要用于测量、保护、控制及电能计量。若CT发生故障，如二次回路开路，会严重影响电力系统的安全和可靠运行。本文通过研究对比目前几种较为先进的CT技术，如全光纤和电子式CT，及其二次开路保护装置，提出全光CT和电子式CT在常规变电站的改造及应用；并对在新型电力系统背景下CT故障和缺陷的预控预警技术研究进行展望。 关键词：全光纤电流互感器；电子式电流互感器；缺陷预控；故障预警
中图分类号：
0 引言
为构建新型电力系统，实现碳达峰、碳中和的目标，南方电网公司于2015年提出建设数字电网的战略。基于数字电网的新型电力系统应具备“绿高效、柔性开放、数字赋能”等基本特征[1]。显而易见，作为测量、控制、和保护的核心元器件电流互感器（current transformer，CT）[2]是新型电力系统二次系统中一个必不可少的组成部分。然而，当接CT 100频道
发生故障时，比如二次侧因故开路，不但会损坏设备本身，还会对电力系统的稳定运行造成影响，甚至会造成人身伤亡等重大事故[2]。因此CT 的故障预警和缺陷预控十分必要的。为此目的，本文首先综述了现有的CT防开路技术和工程经验。然后，研究、分析、和对比了几种目前较为先进的CT技术，如全光纤和电子式CT，并提出新型电力系统背景下CT故障和缺陷的预控预警技术研究进行展望。
1 现有CT开路预控预警技术综述
1.1CT开路的发生和危害
电流互感器（CT）是一个特殊形式的变压器，当CT发生开路时，开路电压高达几千伏，如此高的开路电压，足可以造成人员伤亡以及设备损坏。另外，CT开路对各类保护装置，比如母线、线路、变压器保护的误动作和计量的准确性也有着不可忽略的影响。
1.2现有典型CT开路预控预警装置
为减少CT开路对设备及人身所带来的危害，过去二十年间已有多种CT开路保护装置被研究开发出来[5-8]。已有的CT开路保护装置的研究和开发工作主要围绕一下几点展开：1）
保护装置最大限度降低产生的过电压；2）保护装置应具有速动性，要求动作时间短；3）装置需有较高灵敏度，要求能够利用CT开路的所产生过电压的特征，快速判别CT回路是否开路。
2 新型CT技术的研究进展
目前，在常规变电站中，虽然继电保护、测控装置以及计量电表等二次设备均实现数字化，但这些装置电流的采集仍然采用电磁式电流互感器。装置与互感器之间采用电缆连接，实际运行中，由于电缆的状态无法实时检测，导致在检修过程可能由于人员的疏忽或运行过程中端子的松动造成CT开路，进而造成第1节中提及的危害和不良影响。
随着电子互感器日益成熟，光电或电子式互感器实现了对各种电气量的智能化采集，能够统一实现传统变电站的监视、控制、保护、故障录波、计量等功能，更为重要的一点彻底解决了电磁式电流互感器开路所带来的严重后果。这些新的特征也使得CT更加能适应未来新型电力系统的应用需求。
接下来，本节将介绍全光CT和有源电子式CT的工作原理及其在工程应用中存在的问题，并针对其存在的不足提出研究展望。
2.1全光纤电流互感器的应用
全光纤电流互感器[9-10]心理月刊杂志基于法拉第效应，其工作原理由图6可知，由低压侧光源发出的光束经过起偏器、λ/4玻片后再变为旋转方向相反的圆偏振光，在电流产生磁场作用下，旋转出不同的角度，两束光在光纤末端被反射镜反射，旋转方向发生了交换，返程的两束光在电流作用下，偏振光再次发生旋转，再经过λ/4玻片后变成互相垂直的两束线性偏振光，使两束光波的传输速度发生相对变化，也即是出现相位差，最终导致探测器处叠加的光强发生变化。
图6 全光CT原理图
Fig.6 The Schematic diagram of optical CT
通过检测光强的大小，合并单元对采集到的模拟量通过 A／D 转换和电光转换，形成数字量信息，然后将数据传送到通信单元，通信单元接收到数据信息后通过处理装置进行处理，
处理后的信息最终由通信处理装置按照固定的时间间隔传送给计量、测控和保护装置，如图7所示。
北京电视台台长图7 全光CT电流的采集传输回路图
Fig.7 The Acquisition and transmission circuit diagram of optical CT
然而，全光CT的应用过程中其零漂、噪声以及温漂问题也导致其测量精度及灵敏度存在一定的误差。
1）零漂问题。由于光学器件本身固有的折射以及温度所影响带来的双折射，入射光的的起偏角无法达到45°，导致全光CT采集的电流产生一个直流分量，该直流分量与所采集的电流其他非周期分量叠加在一起更进一步影响电流测量精度。
2）低频噪声问题。由于光电转换电路存在低频噪声，加之全光CT输出信号信噪比比较低，
输出的测量信号与低频噪声频带重叠难以分离，导致测量信号淹没在噪声当中，使得测量值与实际测量存在一定的误差。
3）温漂问题。全光CT的电流测量灵敏度受光路传感元件所影响，而光传感材料的灵敏度关键参数费尔德常数容易受到外界环境温度的影响，使得电流测量精度随着环境温度变化，导致其测量精度不高。
2.2空心线圈电子式电流互感器的应用
空心线圈电子式电流互感器[11-12]分为高压侧电路、低压侧电路和绝缘支柱三大部分。高压侧通过采集空心线圈取得与母线电流成微分关系的电压信号，然后信号处理回路将正弦电压信号调制为数字脉冲信号，再驱动发光元件转换为光信号，通过光纤将光信号送到合并单元，合并单元将收到的光信号转换为电信号，经放大处理后送给及保护和计量，具体如图8所示。
图8 空心电子式电流互感器
Fig.8 The electronic current transformer
对于电子式电流互感器，高压侧电子电路的供能问题一直制约电子式电流互感器的发展，目前，电子式电流互感器器的供能方式一般有高压母线供能、蓄电池供能、超声波供能以及激光供能。
1）高压母线取电供能。通过采用线圈从母线获得交流电源，将交流电经过整流滤波之后，经DC-DC变换为±12V和±5V，分别为高压侧测量的电路以及信号传输的数字电路供电。然而，当母线电流过小或者发生故障工况下，导致无法为测量的模拟和数字电路供电；
2）蓄电池供能。通过高压母线进行稳压整流之后对蓄电池充电，然后通过蓄电池为测量电路进行供电，然而由于蓄电池的寿命受充放电次数限制，且难以实现在线更换，故而导致其应用受限；
3）超声波供能。该供能装置通过工频电源为超声振荡器供电驱动传感器，将超声波转化为电能为高压侧测量电子电路供电，但该供能模式由于造价高以及转换效率低下，目前还处
于研究阶段。
4）激光供能。该供能模式通过在合并单元对激光器进行供电发射激光，通过能量光纤传输至远端模块，将光能进行调制转换为电能，然而由于该供能方式经常出现激光器的驱动电流、驱动电平高导致测量装置故障。
3 新型电力系统下CT故障预警预控的研究展望
以上介绍的两种比较主流结构的电子式电流互感器，虽然已经有产品挂网运行，但由于成本较高、精度以及可靠性不足等原因，导致目前离大规模替代传统电流互感器还有一定的距离。
因此，除了可能出现新的测量方法外，总的发展趋势将集中探索电子式电流互感器存在问题的解决方案，针对全光CT包括研究新型的传感光纤，使得光纤在传输过程中对温度不敏感，提高全光纤型电流互感器的进度及稳定性；研究集成光学组件，将光路中用到的有关光学器件集成在一个芯片上，使得系统的精度和性能大大提高。对于有源式电流互感器而言，激光供能相比较于其他几种功能方式相对比较稳定以及不存在供电死区，未来将着重
研究提高激光器的光电转换效率和提高激光器寿命，抑或寻求复合供能模式，以提高有源电流互感器的供能可靠性。
4 结论
本文首先综述了CT故障的原因和危害产生的机理，推荐了全光CT以及电子式CT作为新型电力系统下的新研究方向，并详细介绍了其工作原理及在数字化变电站改造中的应用。最后，本文着重展望了未来的解决方法，提出从根源切除传统电磁式CT开路所带来危害的思路，并对在新型电力系统背景下CT故障和缺陷的预控预警技术研究进行展望。
参 考 文 献
[1]邱雪松. 电力数字新基建中区块链及物联网技术的应用. 电力工程技术, 2020,39(6): 1
[2]袁季修, 盛和乐, 吴聚业.淘宝10.11事变 保护用电流互感器应用指南[M]. 北京:中国电力出版社, 2004: 8-10.．
[3]高翔.数字化变电站应用技术.北京:中国电力出版社,2008,60-72.
[4]顾强, 刘浩武, 徐晓萌, 李晓辉, 陈彬, 葛磊蛟.基于改进数字滤波算法的电子式互感器稳态校验方法.电力工程技术,2018,37(2) : 55-60.
[5]靳建峰.高灵敏度CT开路保护装置[P].中国专利:ZL200420010869.6，2005-08-03.
[6]靳建峰,翁利民,冯玉东,王毅,陈新军,沈黎明.评价三种CT二次开路保护装置[J]. 继电器, 2008, 36(6): 73- 78.
[7]Moran R J,Reis M J. Open Ciecurt Current Transformer Protection[P]. United State Patent：4466039，1984. ．
[8]周启明，陈铁,.王强,徐小川.基于STM32智能CT二次开路保护装置的设计[J].电测与仪表,2012,49(8):75-78,88.
[9]王夏霄，王野，王熙辰，王爱民,彭志强.．全光纤电流互感器动态特性实验研究[J]．.继电器，2014, 42 (3):9-14.
[10]P.Perez-Millan, , Ll Martínez-León, A. Diez, J. L. Cruz, and M. V. Andres. "A fiber-optic 我的校长生涯
current sensor with frequency-codified output for high-voltage systems." IEEE photonics technology letters 14, no. 9 (2002): 1339-1341.
[11]李伟，尹项根，陈德树，等. 基于Rogowski 线圈的电子式电流互感器暂态特性研究[J}电力自动化设备，2008，28（10）:34-37.
[12]李九虎,郑玉平,古世东,须雷.电子式互感器在数字化变电站的应用[J].电力系统自动化,2007,31(7):94-98.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议