电子式互感器技术及其发展方向

李鑫

引言

电子式互感器是检测智能电网信息的探头，是智能电网测控系统的重要部件。新型电子式互感器是传感器技术、计算机技术和通信技术三大信息支柱技术快速发展和有机结合的产物，它颠覆了高压电器只能依靠油、气绝缘的传统理念，沿用长时间的油-气绝缘被先进的“光隔离”绝缘技术取代。这些新理念和新技术发挥了技术引擎的推动力，引发国际上一波又一波的研发热潮，被誉为21世纪初高压电器制造业的一场革命。

1.电子式互感器的核心技术

电子式互感器融合了高电压、电磁场、传感器、微处理器、光通信、以太网等多学科技术成果，是不同门类的技术交叉渗透的综合体，如图1所示，电子式互感器通用结构图包含7大模块，概括了电子式互感器的所有类型，构成电子式互感器的核心技术是多学科技术成果的系统集成，它是一个技术群。

图1 电子式互感器通用结构图

1.1传感技术

1）罗氏线圈（Rogowski-coil）电流传感器。罗氏线圈是一种均匀缠绕在非铁磁性材料上的螺线管。非铁磁性材料不存在铁磁饱和和磁滞效应，因而罗氏线圈电流传感器具有无磁滞和磁饱和等优点，适用于大范围保护测量。2）磁光玻璃电流传感器。这种传感器用在混合型电流互感器（Magneto Optic Current Transformer， MOCT）中，利用光纤传光，采用磁光玻璃传感。一般将磁光材料做成闭合环形结构从而能从一定程度上消除杂散磁场的影响。闭环混合式磁光电流互感器的工作测量过程，只和磁光材料的维尔德常数有关，准确度能够得到保证。3）光纤式电流传感器。以法拉第磁致旋光效应作为传感原理，光纤本身作为传感元件。一般选用单模光纤，从原理上讲可进一步细分为光纤干涉型和全光纤效应型两类。

1.2高压侧电子电路供能技术

1）激光供能技术。激光源发出激光信号，通过光纤将激光能量送至高压侧的光电池，将光能转换为电能，再经过调理电路，输出稳定电压供采样电路工作。随着技术的进步，激光供能技术的可靠性也逐步提高，可与自励电源交替工作。这种非电气连接的能量传送方式，能克服强电磁干扰，在特高频磁场测量中有很好的应用前景。2）蓄电池供能技术。由经过特殊设计的线圈从高压母线感应出电流作为充电源，经过整流和稳压调节后，对蓄电池充电。高压侧电子电路的工作电能由蓄电池供给。这种技术结构简单，容易实现，主要问题是蓄电池频繁的充放电造成寿命较短，更换也比较困难。

3）自励电源技术。它是独立式光隔离电流互感器的核心技术。线圈由高压母线产生的规律变化的磁场激励得到交流电，经过整流、滤波和稳压供给高压侧电路，实现自供电。这一技术应用可使互感器摆脱“有源”，实现“无源化”，缺点是如果母线电流不稳定，可能造成电源电压波动，影响供电稳定性。

2.电子式互感器面临的问题

1）环境因素干扰。电子式互感器的微电子器件比较精密，同时又工作在高压线、隔离开关、断路器等强干扰源附近，设备受到的电磁辐射干扰较大。再有户外的高温、雨雪、酸碱污染等环境因素影响，采集的信号可能发生畸变，如罗氏线圈输出信号与其结构有很强的相关性，温度导致罗氏线圈结构发生变化，影响输出信号准确性。2）现场校验问题。电子式互感器输出的是弱点信号，包括数字信号和模拟信号，这给现场校验带来了难度。必须出台更完备的校验标准和方法。3）相关技术水平需提高。辅助电源是电子式互感器涉及的新部件，对于独立式互感器，电源技术是其核心技术，其可靠性直接决定了互感器的可靠运行，但是目前仍然存在问题，例如受母线电压影响，长期大功率激光供能缩短光器件寿命等。4）通用性和互换性。目前为止，电子式互感器的产品设计没有统一标准，部件之间不可拆分，零配件通用性和互换性较差，各个厂家的产品互相替代比较困难，给设备的安装和维护造成很大不便。国内外产品与二次设备的兼容性不足的问题解决得还不够好。

3.电子式互感器技术发展趋势

电子式互感器技术是一项较新的技术，通过实际应用，人们更关注其在工业应用现场的实际实用表现。纵观电子式互感器技术的研究历程和面临的问题，预测其发展趋势如下。1）有源传感走向无源传感。较有源传感方式，无缘传感在实际应用中有其技术优势。随着自供电技术的成熟和完善，未来独立式ECT可以完全或者基本摆脱对外部电源的依赖，实现无源传感。2）集成于GIS等组合电器中。电子式互感器因其原理的先进性，具有功率低、可小型化的优势，互感器将更多地组合于组合电器，进而节约空间占用，降低生产成本，各种互感器相互组合形成优势互补，可能出现电流和电压组合、电磁式和光学组合的互感器。3）功能合理复用。合理利用电子式互感器中总线型数据传输通道和传输方式，形成数字数据共享，由一点测试的数据可以被多个设备共享使用。互感器的通信设备应提供可拓展的数字借口，或整合不同的数字接口形成新的标准，作为多种测控设备信息共享通道。4）实现部件标准化。克服当前电子式互感器部件通用性和互换性差的缺点，其生产领域形成统一的标准，结构设计、组成部件被模块化和标准化，通用性和互换性问题得到解决，零部件可以相互更换，提高检修和维护的便利性。

结束语

电子式互感器具有优良的绝缘性能和暂态特性，占地面积、价格方面也具有较大的优势，随着电力系统电压等级的升高，相比于常规互感器，电子式互感器的综合优势就更加明顯。随着电子式互感器技术的进步，其在智能电网发展过程中的应用也会越来越广泛。电子式互感器全面取代常规互感器是必然趋势。

（作者单位：山东理工大学电气与电子工程学院）