电流互感器和电压互感器选型指南.docx

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1、目 录前言第一章电流互感器和电压互感器选型指南概述错误!未定义书签。1范围错误!未定义书签。2名词和代号错误!未定义书签。2.1 电流互感器的名词和代号错误!未定义书签。2.2 电压互感器的名词和代号错误!未定义书签。第二章电流互感器错误!未定义书签。1电流互感器概述62电流互感器的通用技术条件错误!未定义书签。2.1 环境温度错误!未定义书签。2.2 海拔错误!未定义书签。2.3 大气条件错误!未定义书签。2.4 风速错误!未定义书签。2.5 耐受地震能力错误!未定义书签。2.6 系统接地方式错误!未定义书签。3电流互感器的额定值6额定一次电流标准值63.1 额定二次电流标准值6额定连续热电

2、流63.2 额定输出容量标准值6温升限值73.3 短时电流额定值7绝缘要求74电流互感器基本特性7电流互感器型式74.1 保护用电流互感器的类型8测量用电流互感器的类型94.2 电流互感器结构介绍错误!未定义书签。4.4.1.1 高压SF6绝缘电流互感器错误!未定义书签。4.4.1.2 高压油纸绝缘电流互感器错误!未定义书签。4.4.1.3 高压电流互感器的比较错误!未定义书签。5电流互感器参数选择原则11一般规定II1.1 决定电流互感器电流比的因素15多变比电流互感器参数的选择原则161.2 保护电流互感器的特殊要求18测量电流互感器的特殊要求196高压系统保护用电流互感器参数选择20性能

3、要求201.3 配置原则2I类型选择原则221.4 保护电流互感器性能校验232X600/5A ： 一次绕组串联时为600/5A； 一次绕组并联时为1200/5A。一般在66kV及 以上电压等级的电流互感器上采用。对于35kV及以下电压等级由于产品结构布置困难, 较少采用。ClC2&P1P2C1 Pl相Cl端与产品用朱P1端进朱P摊出线C2G-P1P21S1 年2 2S12S2 3S13S2 （说册图示为三个蒯的示例）5P305P300.2S一次我图串球榭去：P1陶产品绝菊一C2一返回导体一一0（与产品维姝）一P2 一煨骊联接法：串畀联连接板将打和C1接好-一串并联连接版将P2和C2接好图27

4、8 一次绕组串并联方式（2） 二次绕组抽头方式二次绕组抽头理论上可以在起未端之间的任意部位，一般常用是中间抽头。图2-19 表示在1/3处抽头的情况。一般二次绕组抽头方式仅用在测量用电流互感器。保护级采 用抽头获得的电流比会降低保护性能，因此，保护级一般不会采用二次抽头方式获得更 小的电流比。P1P10o6S1S2S3满匝（S1-S3）: 600/5A（S2悬空）1/3处抽头（S1-S2） ： 20。/5A （S3瑞悬空）1/3处抽头（S2-S3） : MO/5A（S1 端悬空）例：二次绕级抽头方式获得：200/5A; 400/5A; 600/5A图279二次绕组抽头方式（3） 一次绕组串并联

5、和二次绕组抽头方式同时采用同时采用一次绕组串并联和二次绕组抽头方式可获得更多的电流比。综上所述，由于铁磁谐振的复杂性，尚未找出一个措施是十全十美的方案，任何措 施有其局限性。应按照使用场合的具体情况，应用某一个消谐措施。7.3 中性点直接接地系统的铁磁谐振在中性点直接接地系统中，电磁式电压互感器在断路潜分闸或隔离开关合闸时可能 与断路器并联均压电容或杂散电容形成铁磁谐振。由于电源系统和互感器中性点均接 地，各相的谐振回路基本上是独立的，谐振可能在一相发生，也可能在两相或三相发生。铁磁谐振的性质：此种谐振是在电源变压器和电压互感器的中性点都直接接地的条 件下产生的，具有正序和负序性质。所以，将电

6、压互感器剩余电压绕组开口短接是不能 完全消除谐振的，应采用人为破坏谐振条件的措施：（1）采用电容式电压互感滞，根本上消除此种谐振的可能性。（2）选用在电压因数为2倍内呈容性的电磁式电压互感器。（3）对于参数配合不好、易激发谐振且己投运的不变电所（升压站），一般采用 改变倒闸操作方式，避免带断口电容的断路器投切带电磁式电压互感器的空载母线。具 体操作时要作到：投入时先投入断路器；切除时事先切除电磁式电压互感器；切除时在 有可能时也可先临时断开电源变压器的中性点。7.4 电容式电压互感器的铁磁谐振电容式电压互感潜包括电容分压器和电磁单元。电磁单元中的电抗线圈在额定频率 下的电抗值约等于分压器两个电

7、容并联的电容值。在电磁单元二次短路乂突然清除时， 一次侧电压突然变化的暂态过程可能使铁心饱和，与并联的两部分分压电容发生铁磁谐 振。制造部门应保证电容式电压互感器的性能满足以下要求：（1）在电压为0.8Up、1.0U加、1.2Up而负荷实际为零的情况下，互感器二次 端子短路后又突然消除短路，其二次电压峰值应在0.5s之内恢复到与短路前正常值相 差不大于10%。（2）在电压为1.5Up“（用于中性点有效接地系统）或1.9U”（用于中性点非有 效接地系统）且负荷实际为零的情况下，互感器二次端子短路后又突然消除短路，其铁 磁谐振持续的时间不应超过2so电容式电压互感器的暂态响应电容式电压互感器的暂态

8、响应对电网保护的影响是一个很复杂的问题，与多种因素 有关，并且也不可能给出对每一种情况都有效的数值。暂态响应对于继电保护的影响不 仅和暂态过程的幅值有关，而且和其频率有关。在额定电压下电容式电压互感器的高压 端子对接地端子短路后，二次输出电压应在额定频率的一个周期之内降低到短路前电压 峰值的10%以下。上述给定值可以使普通的机电型继电器在一般的线路长度和短路电流得到准确的 动作。对于快速继电器（例如静态继电器）或非常短线路，或短路电流很小情况，暂态 响应应由用户与保护继电器和互感器的制造厂协商，可以提出更严格要求（例如5%以 下）。第四章电子式互感器1概述1.1常规互感器存在的问题互感器是电力

9、系统中用于继电保护和电测量的重要设备，其精确度和可靠性对电力 系统的安全、稳定和经济运行有着重要影响。随着电力系统的发展，发电和输变电容量 不断增加，电网电压不断提高，对电流和电压互感器提出了许多新的和更加严格的要求, 而常规的电磁式互感器已越来越不适应这种发展情况，在运行中暴露出一系列严重缺 占八、（1）绝缘结构复杂，体积笨重。特别是用于超高压系统并且要满足大短路容量的 动稳定及热稳定要求时。（2）电流互感器线性度低，在短路时容易饱和，静态和动态准确范围小。特别是 用于超高压系统并考虑暂态工作循环的性能时。（3）电压互感器可能出现铁磁谐振，损坏设备。（4）由电流、电压互感潜引至二次保护控制设

10、备的电缆是电磁干扰的重要耦合途 径。（5）采用油浸纸绝缘易燃、易爆不安全。为此，许多单位多年前即提出并研究采用各种新原理实现新的互感器，但直到近几 年才取得重大进展，其原因是下述因素大大促进了新型互感器的开发和应用：（6）微电子技术广泛用于测量和保护等，二次设备功率消耗很小，一般不超过 1VA2VA甚至为mVA级，对互感器的输出容量要求大大降低。但二次设备的低电平 对抗电磁干扰提出了严峻要求。（7）开关设备的集成化和智能化要求互感器体积小、重量轻，输出实现数字化。（8）发电厂和变电所综合自动化的广泛应用，要求互感器输出数字化，甚至直接 接入过程总线实现网络化。（9）数字技术和光通信技术的快速发

11、展，使互感器输出信号可方便的变成数字信号，通过光纤输出，彻底解决高压设备的绝缘问题和电磁干扰的问题。表4-1常规式互感器和电子式互感器比较表比较项目常规互感器电子式互感器绝缘复杂绝缘简单体积及重量大、重体积小、重量轻CT动态范围范围小、有磁饱和范围宽、无磁饱和PT谐振易产生铁磁谐振PT无谐振现象CT二次输出不能开路可以开路输出形式模拟量输出数字量输出1.2电子式互感器的开发应用概况现在国际上很多单位都在加紧研制各种类型的新型互感器。根据IEC最近的文件， 对这类新型互感器统称为电子式互感器(Electronic Transformer)0它包括连接传输系 统和二次变换器的一个或多个电流或电压传

12、感器，将被测量按比例传送给测量仪器、仪 表和保护或控制装置。装置的输出可能是模拟量也可能是数字量。对于模拟量输出的互 感器，二次变换器直接供给二次设备，对于数字输出的互感器，可用一个汇接单元将多 个二次变换器汇集输出至二次设备。实用上电子式电流互感器(简称ECT)和电子式电 压互感器(简称EVT)往往组成一个装置。所以，本书中本节除叙述保护用电子式电流 互感器外，同时也叙述测量用电子式电流互感器和电子式电压互感器。这些电子式互感器中的一类是倍受人们关注的基于光效应的互感器，如采用法拉 第效应(Faraday effect)等磁光变换原理的电流互感器，普尔克斯效应(Pockelseffect)

13、等电光变换原理的电压互感器等。这类互感器直接用光进行信息变换和传输，与高电压 电路完全隔离，具有不受电磁干扰、不饱和、测量范围大、效应频带宽，体积小、重量 轻及便于数字传输等优点，适合于各种电压特别是超高压开关设备中的应用。由于互感 器处于高电位的部分不需要电源，故称为无源电子式互感器。另一类电子式互感器如无铁心的空心线圈(罗戈夫斯基线圈)电流互感器，带铁心 的低功率电流互感器，电阻分压或阻容分压的电压互感器等。这些电子式互感器与常规 互感器较近似，亦称为半常规互感器。它们体积小、重量轻、暂态响应和运行性能良好, 可靠性高，可以直接以模拟量形式输出至就近的开关装置。也可用这种半常规的互感器 进

14、行信息测量，但用光纤技术进行信息传送，这样可大大简化互感器的绝缘结构，以便 用于高电压系统。但这类电子式互感器处于高电位的传感器需要电源，故亦称为有源电 子式互感器。2007年已正式颁布了 GB/T 20840.7-2007互感器 第7部分：电子式电压互感 器(IEC 60044-7： 1999, MOD)、GB/T20840.8-2007互感器 第 8 部分：电子 式电流互感器(IEC 60044-8： 2002, MOD)。在这些标准中对电子式互感器的使用 条件、技术要求和规格等作了全面的、详细的规定。使用条件原则上与常规互感器是相 同的，但技术要求和规格则基于电子式互感器的特性，具有明显

15、的差异。对基于光效应的电子式互感器，国内外许多单位曾进行了长期的大量的研究工作。 我国有多个高等学校、研究所和制造厂正在积极进行开发研制。由于它技术较复杂，成 本较高，性能易受某些因素影响，不易做到稳定，因此，虽然这种原理提出较早并且研 究单位很多，但目前一般尚处于研窕试用阶段。但直至最近国外才有个别制造厂的产品 正式投入商业运行。对基于半常规互感器的电子式互感器，由于技术比较成熟，运行经验较多，国内外 已开始在中压开关柜，高压GIS装置以及常规电器中推广使用。2电子式互感器的一般结构IEC 60044-8提出了电子式互感器的一般结构如图4-1,其中包括一次传感器及变 换器、传输系统、二次变换

16、器及汇接单元。图中所有单元并不都是必须的，如光传感器 即不需要一次电源。IV：未投运EF：设备失效MR：维护申请图4v单相电子式互感器通用框图数字输出一般是经汇接单元将多个互感器的采样量汇集并变换为数字量串行输出。 一般通过一个串行、单方向、多落点、点对点链路输送至二次设备。一个汇接单元最多 可输入7个电流互感器(3个测量用ECT和/或3个保护用ECT/或一个中性点ECT) 和五个电压互感器(3个保护/测量用EVT和/或母线EVT和/或中性点EVT)的采样量。 供给测量仪表和继电保护的数字量一般分别输出。参见图4-2oSC-电子式互感器的二次变换器图4-2数字接口组合接线图3电子式互感器的主要

17、参数3.1电子式电压互感器(EVT)的额定值(1)额定二次电压GB 1207所列额定二次电压标准值也适用于电子式电压互感器。对单相系统或三相系统线间的单相电子式互感器和三相电子式互感器，额定二次电 压标准值为：1.625V、2V、3.25V、4V、6.5V；用于三相系统线对地的单相电子式互感器，额定二次电压为相应值除以百:(1.625/3 )V. (2/V3)V、(3.25/V、(4/73 )V、(6.5/V3)V；对接成开口三角以产生剩余电压的端子，其端子间的额定二次电压为：对三相有效接地系统电网：1.625V、2V、3.25V、4V、6.5V；对三相非有效接地系统电网：(1.625/3)V

18、、(2/3)V. (3.25/3)V、(4/3)V、(6.5/3)V；对二相电网：(1.625/2)V. (2/2)V. (3.25/2)V (4/2)V、(6.5/2)V。(2)额定二次输出容量二次电压小于10V的电子式电压互感器额定输出标准值为：0.001 0.01 0.1、0.5 VA二次电压大于10V的电子式电压互感器额定输出标准值为：1、2.5、5、10、15、25、30VA三相互感器的额定输出应是指每相的额定输出。3.2 电子式电流互感器(ECT)的额定值(1)一次电流额定值电子式电流互感器的一次电流及有关额定值可参考IEG 60044-1 (GB 1208-2006) IEC 6

19、0044-6 (GB 16847-1997)的有关规定。(2)模拟量电压输出的额定值延时时间的标准值(3)为：0, 50us, 100ns, 200 us, 500 u So在额定一次电流下的额定二次电压(U,“)方均根值标准值为：22.5mV, 150mV, 200mV, 225mV, 4V0对于无二次变换器的应用情况(输出信号直接接至低电压设备)，低功率电流互感 器传感器采用22.5mV和225mV,空气心线圈传感器采用150mV。现有设备也可能用 40mV 和 100mVo对于使用二次变换器的情况，保护用标准值取200V,测量用标准值取4V。额定负荷(凡,)的标准值为：2kQ, 20 k

20、Q, 2 MQ。总负荷必须等于或大于额 定负荷。3.3 数字量输出的额定值ECT和EVT的数字量输出额定值如表4-2：表4-2电子式互感器数字量输出额定值测量用ECT 比例因子：SCM保护用ECT 比例因子：SCPEVT 比例因子：SV额定电流（量程标志=0）十六进制：2D41H （十进制：11 585）十六进制：01CFH （十进制:463）十六进制：2D41H （十进制：11 585）扩展的额定电流 （量程标志=1）十六进制：2D41H （十进制：II 585）十六进制：01CFH （十进制:231）十六进制：2D41H （十进制：11 585）注：（1）所列16进制数值，在数字侧代表额定

21、一次值（皆为方均根值）。（2）保护用ECT能测量电流高达50倍额定一次电流（0%偏移）或25倍额定一次电流（100%偏移）， 而无任何溢出。测量用ECT和EVT能测量达2倍额定一次值而无任何溢出。3）如果互感器输出是一次电流的导数，其动态范围与电流输出的动态范围不同。电流互感器的最大量 程与暂态过程的宜流分量有关。微分后，此低频分量的幅值减小。因而，例如rang-flag=0时，电流导数 输出的保护用ECT能测量无直流分量（0%偏移）的50倍额定一次电流，或全直流分量时（100%偏移） 的25倍额定一次电流。（4）对保护用ECT,当rang-ilag置位时，不发生溢出的一次电流最大nJ.测量值

22、增加一倍。额定延时的标准值为2 X &或3 X（，八为数据速率的倒数。数据速率额定值（1）为：80X加 48X/；或20XR电子式互感器的准确级电子式互感器在稳态情况下的准确级与常规互感器基本相同。对于暂态情况，电子式电流互感器与常规互感器的特性有较大的差异。为此，补充 定义准确级为TPE,意义为暂态保护电子式准确级J。在额定频率下，TPE类电子式电流互感器的电流误差、相位差、复合误差及在规定 暂态工作循环的最大瞬时误差应不超过表4-3所列数值。表4 3保护用电流互感器的误差限值准确级额定一次电流 下的电流误差 %额定一次电流下的 相位差额定准确限值一次 电流下的复合误差 %在准确限值条件下的

23、 最大峰值瞬时误差 %()crad5TPE1601.85105P士1601.8510P310注：对TPE级和GB1208-2006规定的各级（PR和PX）以及GB 16847规定的其它各级（TPS,TPX,TPYTPZ）, 有关暂态的信息见GB/T 20840.8-2007的附录H。4传感器电子式互感器的传感器可分为两大类：一类是在常规互感器基础上发展起来的半常 规传感器，如采用电容分压或阻容分压原理的电压传感器，铁心线圈低功率电流互感器（LPCT）,独立式空心线圈（罗戈夫斯基线圈）电流传感器等。一类是基于光效应（如 法拉第效应和普克尔斯效应等）的电流或电压传感器。4.1 铁心线圈低功率电流互

24、感器采用铁心线圈的低功率电流变送涔（LPCT）是常规感应式电流互感港的发展。由 于现代电子设备要求的输入功率很低，LPCT可以使用高负荷阻抗以减少其尺寸。这样, 常规感应式电流互感器在极高（或偏移）一次电流下会饱和的基本特性将得到改善，因 而极大地扩大了测量范围。由于总的损耗很低，使得可在不饱和条件下高度准确地测量 过电流直至短路电流，全偏移短路电流也可应用。除了量程宽以外，LPCT的尺寸可设 计得比常规感应式电流互感器体积小。而且测量和保护用互感器无须有差别，全部应用 范围可使用单个（多用途）电流互感潜。LPCT是包括一次绕组、小铁心和二次绕组的感应式电流互感器，二次绕组损耗极 小并连接一个

25、分流电阻凡一此电阻是LPCT的集成元件，对互感器的功能和稳定性非 常重要。原则上，LPCT提供电压输出。分流电阻电选取得使其对互感器的功耗近于零。二次电流/,在分流电阻上产生的 电压在幅值和相位上正比于一次电流。再者，二次负荷功率和内部损耗越小，互 感器的测量范围和准确度越理想。R、h可选择为使Smax对应于4 o电流至电压的变换器 R是LPCT的集成件图4-3低功率铁心线圈变换器/p一次电流Rfc铁损等效电阻1m励磁等效电抗R二次绕组和引线的总电阻R、h 分流电阻G 电缆等效电容 二次电压Pl, P2 一次端子SI, S2二次端子/p一次电流Rfc铁损等效电阻1m励磁等效电抗R二次绕组和引线

26、的总电阻R、h 分流电阻G 电缆等效电容 二次电压Pl, P2 一次端子SI, S2二次端子图4-4电压输出的铁心线圈变换器的等效电路常规电流互感器的变比通常与额定一次电流有关。由于LPCT可以测量大电流不致 饱和，故测量范围扩大到电网最大预期电流是合理的。4.2 独立式空心线圈（罗戈夫斯基线圈）自1912年以来，已知罗戈夫斯基线圈具有正比于电流导数的输出。现在，在高压 电网中，罗戈夫斯基型传感器日益广泛为继电保护采用。应用于高电压时，一般不在线 圈本身进行传感器输出量的积分，以省去电子器件，而在继电器上进行，节省费用。（1）工作原理空心线圈的二次绕组绕在非磁性骨架上（参见图4-5）,无磁性材

27、料使这种传感器 线性度极好，不会饱和也无磁滞现象。因此，空心线圈具有良好的稳定性能和暂态响应。二次ma图4-5独立式空心线圈对于空心线圈，由安培定理表明，在负荷为高阻抗Z时，线圈的输出电压是穿过线 圈的一次电流的函数。（2）输出电压计算任意形状截面线圈的近似公式:ClC2Q !, QI CT头 ML-1Pl和Cl端与产品绝象Pl端进山P2端出线示例：一次串养联及二次抽头的连接方式图2-20 一次绕组串并联和二次绕组抽头方式同时采用示例：2x600/5A： 一次串并联方式；二次在1/3处抽头方式，获得的电流比见表2-5 o表2-5多电流比的电流互感器一次绕组连接方式二次绕组连接方式（在1/3处抽

28、头）二次绕组标志：S1-S2二次绕组标志：S2-S3二次绕组标志：S1-S3一次绕组串联200/5A400/5A600/5A一次绕组并联400/5A800/5A1200/5A4电流互感器参数选择原则4.1 一般规定（1） 额定一次电压和电流1）电流互感器的额定一次电压应等于或大于回路的额定一次电压。2）电流互感器的额定一次电流Clpn ）应根据其所属一次设备的额定电流或最大工 作电流选择，并应能承受该回路的额定连续热电流（/“,）、额定短时热电流（/由）及动 稳定电流（/的）。3）额定一次电流的选择，应使得在额定变流比条件下的二次电流在正常运行和短 路情况下，满足该回路保护装置的整定值选择性和

29、准确性要求或满足计量及测量准确性e(r)a 4 N A (4-1)矩形截面线圈的公式：3辿(4-2)2万 彳 dt式中：为一真空导磁率，4110-7 _2_ ； A- mN匝密度(匝/m)；A一单匝截面(nf)；ru外园半径(m)；”一内径(m)；h一高度(m)；Nw-空心环的匝数；e(t)低负荷Rb-8时空心线圈的输出电压(V)o27c 彳可得空心线圈的输出电压为：可).；() (4-3)或稳态正弦电流下：E=M - jcoL) (4-4)j p(3)等效电路图4-6为空心线圈的等效电路图中：/p次电流 e(t)空心线圈的电动势 Lt二次绕组的漏电抗L=Lf+Lw绕组电抗 U-二次输出电压R

30、l二次绕组和引线的总电阻R-校准电阻 凡一负荷阻抗(功率因数为1) Ce电缆等效电容PL P2- 次端子 SLS2一二次端子电阻段是可选的，供校准用。也可采用铭牌上标出的校正系数。电阻(或校正系 数用于补偿线圈骨架尺寸和匝数的制造偏差。它们也使传感器和电子装置有互换性。据图4-6等效电路可求出以下公式：E = jco M I p员E =殳j(o Mi (4-5)M + R. + Rb + jsL R + R. + K + jcDLp(4-6)当凡f8时：Us = E = jco M ipcoMcoM(4-7)(4)相量图由+妈可画出以下的向量图:I Rb 凡 J相位移：0 = arctan -

31、 arctan (4-8)K + & + 氏 6)(_ 误差： (4-9)E忖姻+L= go)晒+凡+蜡+西(K + R)/弘(K + R)/弘巨 为 + & + & + jcL(4-11)冏二,-十 七 . + 凡(4-12)纲+ ( + /)?+函Rh(5)应用注意1)独立空心线圈的应用中，积分器是保护和测量系统的一部分。2)测量独立空心线圈的瞬时误差必须采用合适时间常数的积分器。3)积分器的输入阻抗必须是独立空心线圈的额定阻抗。4.3 分压式电压传感器电子式电压传感器广泛使用分压式传感器。这是与常规电压互感器类似的半常规电 压传感器，包括电阻分压器、电容分压器和阻容分压器等多种方式。由分

32、压器得到一个 小电压信号，直接输出或通过变换为数字信号后输出至二次设备。4.3.1 电阻分压器电阻分压器分压后得到的小电压与被测高电压呈比例关系，直接输出即可以。由于 技术成熟、体积小、造价低、可同时满足测量和保护需要、进行电缆或开关设备试验时 不必断开隔离(因不会发生铁磁谐振)。故广泛用于中压开关设备。可与电流传感器组 成复合传感器。图4-8是一个基于电阻分压器的电压传感器的例子。图4-8基于电阻分压器的电压传感器阻容分压器阻容分压器分压后在电阻上得到的小电压是被测高电压的微分，要求得到被测电压 需要对小信号进行积分。阻容分压器广泛用于高压GIS设备。如使用以导电杆为轴的圆 柱形测量极。电容

33、C为：C = 2%，/ln(O/d)式中：。和d分别为测量极和导电杆的直径；为测量极长度，%及邑分别为真空及绝缘气体的导电率。SF6气体电容器是非常稳定的，故得到广泛应用。R图4-9阻容分压器测量极对地电容为Ce,其中包括电缆电容。如所周知，固体和液体介质对于温度 变化和长期运行都不是很稳定的。解决的办法是在此电容上并联一个稳定的电阻凡R 值足够小使电压输出不受Ce的影响。门和。构成阻容分压器，输出电压如下式：u2(t) = RCdu (t) / dt式中：为高电压值。显然，输出信号(R上的电压)是正比于测量值的 一次导数。图470阻容分压器电路法拉第效应(Faraday effect)光电流

34、传感器光电流传感器通常采用法拉第效应原理，该效应为描述磁场对透明光介质影响的磁 -光效应。当一束线偏振光穿过介质时，若在沿光波传播方向加一外磁场，则其偏振面 将旋转角0 ,如图4-11所示，0的计算式为：(4-13)式中：v-维而德(Verdet)常数，由介质和光波的波长决定，它表征介质的磁光特性；H 磁场强度；法拉第传感器法拉第传感器图471法拉第效应原理图L 光路径长度。利用法拉第磁光效应实现电流传感器可能有多种方式，如全光纤式、光电混合式和图472光电流互感器示意图图472光电流互感器示意图块状玻璃式。块状玻璃传感器是一种使用较广泛的方 式。如图4-12所示。按法拉第效应及安培环路定律

35、可知，线偏振光通过块状玻璃一周的偏转角度为：O = vH dl = vi (4-14)选用重火石玻璃为敏感材料，它属于抗磁性物 质，Verdet常数较大且温度系数小，本身各向同性， 有良好的保偏性能。图中，LED发出的光经准直透镜 和起偏器后，在重火石玻璃内绕载流导体一周，然后经检偏器和准直透镜送给PIN。利 用检偏器将偏转角。的变化转换为光强的变化，由光强变化间接测量偏转角。o当线偏 振光通过检偏器时，输出光强尸为：(4-15)P = Pq cos2 6= P。cos2 (0 + /)式中：PQ 为入射光经起偏器后的光强；0 -为射入检偏器光的偏振面与检偏器透光轴方向之间的夹角；Y为起偏器与

36、检偏器光轴的夹角。当y=/4时，P对的变化具有最高的灵敏度，而且线性也好，此时上式变为：P= cos2 += y - D - sin(29) (416)当0vv1时，上式可写为：P =20)=；耳(1-2旬(4-17)对上式，通过光电变换、滤波等电路环节可分解为交流分量电压Sac和直流分量电(4-18)(4-18)压 U DC :ac = h PQviUDC = k2/2 (4-19)最终输出。=。/。叱 =打，左为比例常数，这样由U即可求得被测电流，的大小。基于法拉第效应的光电流传感器的信号检测和传输都用光纤，具有良好绝缘性能， 在高压端不需要电源，是一种很适合于屋外超高压系统的电流互感器。

37、4.4 普克尔斯效应（Pockls effect）光电压传感器采用普克尔斯效应原理的光电压传感器是应用较广泛的一种电压传感器，该效应为 描述电场对透明晶体影响的电光效应。某些透明的光学介质在没有外加电场作用时是各 向同性的；而在外加电场作用下，晶体变为各向异性的双轴晶体，从而导致其折射率和 通过晶体的光偏振态发生变化，产生双折射，一束光变为两束相位不同的线偏振光。具 有电光效应的物质很多，但在电力系统高电压测量中用得最多的是BGO （错酸秘 Bi4Ge30i2）晶体，BGO是一种透过率高、无自然双折射和自然旋光性、不存在热电效 应的电光晶体。根据电光晶体中通光方向与外加电场（电压）方向的不同，

38、基于普克尔斯效应的光 学电压传感器可分为横向调制电压传感器和纵向调制电压传感器。横向调制型外加电场方向与通光方向垂直，光经起偏器后为线偏振光，通过承受外 加电压的电光晶体（BGO）后发生双折射，输出的两束光的相位差与外加电压有如下 关系：(4-20)(4-21)(4-21)Ad2而4式中：九一为光波长度；no 为晶体的折射率；I 为晶体通光方向的长度；d 为晶体的厚度；Yu 是晶体的电光系数；-为晶体的半波电压（由普克尔斯效应引起的双折射两光束产生“相 位差所需外加电压）。纵向调制型外加电场方向与通光方向平行，线偏振光通过电光晶体后输出的两束光 的相位差为：(4-22)(4-23)与上式比较可

39、看出，纵向调制的传感器的半波电压与晶体尺寸无关，测量结果不受 晶体热胀冷缩的影响，仅决定于晶体光学特性。横向调制型和纵向调制型普克尔斯效应传感器都是通过测量输出光的相位差来测 量被测电压。在现有技术条件下，要对光的相位变化进行精确直接测量是困难的，这 里采用偏振光干涉方法，将相位差变换为光强进行测量。计算可得光强为：P = sin2/2 (4-24)一个实用的光电压传感器的示意图见图473。图473普克尔斯效应电压传感器偏振检测系统由一个1/4波长板和两个偏振器组成。为获得偏振光强与相位差之间 的线性响应，在晶体与偏振器之间增加一个4/4波片，2/4波片可以使两束线偏振光之 间的相位差增加/2

40、,此时输出的光强为：Esii?(71 8(4 2= /)(l + sinb)(4-25a)P=sin2K-j = 1/?)(l-sin)I 4 乙)ZP=sin2K-j = 1/?)(l-sin)I 4 乙)Z(4-25b)当b很小，即远小于u”寸，就可以得到线性响应如下:(4-26a)6 = /(1 +力区1+喷)(4-26b)将这两路输出光分别变为相应的电信号，并经电路作如下处理便可得到与被测电压 成正比的电气量K。由此检测K便可求得被测电压：n(4-27)逆压电效应光电压传感器逆压电效应是指压电晶体受到外加磁场的作用时，晶体除产生极化现象外，同时形 状也产生微小变化，即产生应变。如将逆压

41、电效应引起的晶体形状变化转化为对光信号 的调制，检测光信号的变化即可实现对电场（电压）的测量。图4-14是利用石英晶体的逆压电效应光电子式互感器结构图。当沿圆柱形石英晶体【图474逆压电效应光电压传感器在y轴方向产生交变的压 电应力，从而使圆柱石英晶体的周长发生变化。石英晶体的压电形变会引起光纤应力的 变化，使得双模光纤中传播的两种模式（LPs模和LPw模）产生相位差：6=-7rNdxExlt （4-28）式中：N-为光纤匝数；Ex一为沿x方向的电场强度； d -为压电系数；I-为石英晶体总长度；5一为产生2相位差的光纤长度变化值。利用晶体逆压电效应测量电压，检测和传输都用光纤，不需要自聚焦透

42、镜、起（检） 偏器、1/4波片、电光晶体等光学元件，使加工工艺大大简化。两种模式的相位差是电 场的积分，因而不会对附近光纤的相位差产生影响，例如可把测量三相电压的三个传感 器放在同一瓷套管内而彼此不会产生影响。同时由于石英晶体具有高绝缘强度、低介质 常数、压电常数和介电常数受温度影响很小等良好性能，使系统抗干扰能力大大增强。 因而这是一种非常有潜力的光电压传感器。5测量值的处理和输出电流或电压传感器的输出电平很低，容易受电磁干扰，在变电所的电磁环境下，不 可能远距离传输。通常是将信号进行二次变换后，再传送至二次测量或保护设备。如果 传感器与二次设备距离很近，例如在同一开关柜内，则可采取适当的抗

43、干扰措施，将所 测得的信号直接送至二次设备。5.1 模拟量直接输出传感器中，低功率有铁心电流互感器的额定输出通常是22.5mV,罗戈夫斯基线圈 的额定输出通常是150mV,电阻分压式电压传感器的额定输出通常是3.25V/Q。在中 低压开关柜内，传感器与二次保护和测量设备通常安装同一柜内，距离一般不超过1m。 可以将传感器与二次设备直接连接。在开关柜中连接电子式互感器与二次设备的电缆需要有良好的电磁兼容性能，可采 用双屏蔽的双绞线，并在两端及插头采取完善的抗干扰措施。5.2 有源光输出系统(Active optic system)传感器可采用技术较成熟的半常规传感器。传感器输出信号在高电位经有源

44、电子器 件变换成为数字信号，再经光纤输出至地电位的二次设备电路。处于高电位的电子电路 需要电源才能正常工作，这个电源要求非常可靠。一般采用以下几种方式取得电源：(1)GIS中用导线直接供电；(2)由高压母线电流的电磁感应或高电压的电场感应获得电源；(3)在低压侧将电能转换为光能，然后利用光纤将能量传送至高压侧；(4)在高压侧采用电池解决电源等。5.3 无源光输出系统(Passive optic system)如上所述的利用磁-光效应或电-光效应的互感器(MOCT, EOVT),传感器采用光 效应，光信号变化由光纤传送至地电位再转换为所测电流电压值，不需要为高电位提供 电源，故称为无源光输出系统

45、。这种传送方式是基于光效应的电子式互感器的通常方式。 光信号经二次变换接至汇接单元，转换为串行数字输出。光电信号转换参见上述传感器 原理。附录1技术规范书参考件附录1-1电流互感器的主要订货技术规范1环境条件1.1 周围空气温度：最高温度；最低温度；最大日温差 K；日照强 度W/cm2 （风速 0.5m/s）。1.2 海拔高度mo最大风速_m/So1.3 环境相对湿度（在25时）：日平均值%；月平均值%。1.4 地震烈度：一度；垂直加速度g；水平加速度g,污秽等级：一级。1.5 覆冰厚度：mm。2工程条件系统概况：系统额定电压kV；最高电压一kV；额定频率Hz；中性点接地方式。2.1 安装地点

46、：。2.2 安装方式：o其他要求。3电流互感器基本技术参数型式：o3.1 额定频率：50HZo电压参数：额定电压：kV；设备最高电压：kVo3.2 电流参数：额定一次电流 A；额定二次电流 A；额定电流比；铁心个数；准确级；额定输出VA；误差限值；额定准确限值系数； 额定动稳定电流；额定短时热电流：额定连续热电流。3.3 绝缘水平（kV）：额定工频耐受电压（方均根值）_；额定操作冲击耐受电压（峰值）_；额定雷电冲击耐受电压（峰值），全波_，截波04技术性能要求4.1绝缘要求要求。4）套管式电流互感器的额定一次电流应根据安装的电力变压器容量确定。通常取 变压器容量计算出电流值的1.01.2倍。若要考虑到线路保护可以适当增大，并将额定 一次电流修正到“GB1208电流互感器”标准值。（2） 动稳定校验对带有一次回路导体的电流互感器需进行动稳定效验；对于一次回路导体从窗口穿 过且无固定板的电流互感器可不用进行动稳定效验。电流互感器的动稳定性能通常以额定动稳定电流/加或动稳定倍数储表示。它们之 间的关系是：K. =-x103 （2-1）电式中：Kd 一动稳定倍数，（由制造部门提供）；Idyn 额定动