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淺談電子式電流互感器


    隨著現代科學的發展,許多傳統的電力電氣設備都已被采用高新技術的新設備取代。作為這一趨勢的一個嶄新的例證,電子式電流互感器(ECT)將有可能成為傳統的電流互感器(CT)的更新換代產品。 

    隨著輸電線路電壓升高到超高壓與特高壓,傳統的充油式CT已暴露了出一系列內在的、致命的缺點,主要表現在:由爆炸引起的災難性事故的潛在危險(采用氣體絕緣的電流互感器也有類似的問題);大故障電流導致鐵芯飽和從而無法記錄故障電流的實際大小及變化過程;鐵磁共振效應;鐵芯大電感導致相位滯后并使頻響受限無法記錄故障電流高頻分量,不利于故障分析;二次輸出端開路導致高壓危險;體積與重量均大;不易與后續數字設備連接等。與其相比,ECT則表現出截然相反的優點:無爆炸危險;無磁飽和;幾乎無滯后效應;經由光路輸出,無二次輸出端開路導致高壓的危險,因此可在不切斷一次電流情況下維修二次電路;體積小、質量輕;不易受電磁干擾;易于與后續數字設備連接等。故用ECT取代現在普遍使用的電磁式CT已成為必然趨勢。

    所謂ECT,就是采用現代高新技術設計與制造的、具有并擴展了傳統CT所有功能的,可取代傳統CT的新型電流互感器。之所以稱其為高科技產品,是因為其中除了電磁學外,還涵蓋了光學、光電子學、材料學、計算機與信息科學等多個學科的許多先進技術,包括電磁感應技術、電磁屏蔽技術、偏振光學技術、專用玻璃設計制造加工與退火技術、精密機械加工技術、計算機技術、模似與數字信號處理技術、光通信技術等。說ECT是集光機電算于一身的高科技產品是一點都不為過的。

    ECT是一大類采用現代技術的新型CT的總稱。按照是否需要向其高壓部分供電,其可分為有源式ECT與無源式ECT兩大類。其中有源式ECT在其高壓部分采用新型高飽和電流精密電流互感器或空心線圈(羅氏線圈)作為一次電流傳感元件,將電流信息經過數字處理器(DSP)或單片機及相關電子線路處理并轉換成光信號后,經光纖傳到低壓部分(多數在控制室內),再經后續處理形成二次輸出的模似或數字信號;無源式ECT在其高壓部分采用光學元件(光纖或光學玻璃元件)對一次電流傳感后,直接將帶有一次電流信息的光信號經光纖傳到低壓部分,再經后續處理形成二次輸出的模似或數字信號。

    這兩類ECT在工作原理上有根本性的區別:有源型ECT仍采用電磁感應作為其一次傳感原理;無源型ECT則對傳統CT進行了根本性的變革,采用磁光效應作為其一次傳感原理。由于這種本質上的差別,使得無源型ECT具有一系列有源型ECT不具備的優點,包括其高壓部分因不需要電子線路而具有更加簡潔的結構與更可靠耐沖擊或浪涌電流的能力與絕緣能力;因其一次傳感元件為光學器件,因此不存在鐵心的影響而具有更快的響應速度與更寬的響應帶寬(有文獻報道某無源型ECT具有500MHz帶寬及納秒級時延),使其有可能被用做故障錄波等其他用途。因此,無源型ECT比有源型ECT具有更好的性能和潛在的更加廣泛的用途。

    早在上世紀60年代國際上就提出了電子(光學)式電流互感器的概念并開始了相關的科學與技術研究。經過40年的努力,隨著ECT技術的逐步成熟,2002年IEC正式頒布第一個關于ECT的技術標準IEC60044-8:2002。我國相關的技術標準也將在近期予以頒布。這標志著國內外電力行業對ECT技術的認可與接受。ECT在國內外的研發歷史具有兩個共同的特點。一是早期的研究多集中于大專院校,隨著相關技術的成熟企業開始介入并逐步成為研發與生產的主體。二是直至上世紀90年代后期,研發的主要對象都是無源型ECT,有源型ECT研究幾乎沒有什么進展。但由于光纖或光學玻璃傳感頭中線性雙折射問題的困擾,國內無源型ECT一直難于取得實用化產品研發的進展,在此期間隨著單片機與DSP實用技術的迅速發展,有源型ECT先于無源型ECT形成了實用化產品。

    據悉,國內也有數家公司與數所大學已研制出ECT產品或即將形成產品,共中絕大多數是有源型ECT(具體商家及產品信息可在網上查詢)。特別值得稱道的是,國內已有公司針對無源型ECT的光學玻璃傳感頭中線性雙折射問題,從傳感頭材料這個根本問題入手,投入巨資刻苦攻關,研制出熱膨脹系數極小的ECT專用玻璃,一舉攻克了這個困擾多年的技術難題,成功地研制出了采用光學玻璃電流傳感頭的無源型ECT,并于2004年6月經10余位專家考核后由中國電力企業聯合會主持召開了產品鑒定會,其結論為該產品技術達到國際先進水平,與會委員一致同意通過新產品技術鑒定,并可投入小批量生產。從而為我國無源型ECT研究開發開創了一條新路。

    隨著IEC關于ECT的技術標準60044-8:2002與我國相關技術標準的頒布、實用化ECT技術的日趨成熟以及更多的ECT投入實際運行,ECT技術相對于傳統CT的突出的優點必將為眾多的電力系統人士所深刻地認知并得到認同。我國電力行業中超高壓與特高壓大電流計量與線路技術也將隨之實現一次新的進步。國內眾多從事ECT艱苦研究多年的研究與開發者的夙愿終于有望如愿以償了。


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