一、母線(xiàn)電流、電壓測量
對于母線(xiàn)電流、電壓新的測量方法的研究在國外是從上個(gè)世紀70年代左右開(kāi)始的，隨著(zhù)電力系統電壓等級的提高、容量的增加，傳統電磁式電力互感器遇到了磁飽和、動(dòng)態(tài)范圍小等一系列問(wèn)題，電子式互感器的概念得以出現，經(jīng)過(guò)四五十年的研究，已經(jīng)在很多場(chǎng)合得以應用。電子式互感器就是利用一些新型的傳感技術(shù)來(lái)獲取母線(xiàn)電流或者電壓的信息，然后用光纖來(lái)傳輸高壓側的信號，最后在低壓側再將電壓、電流信號還原出來(lái)。從定義出發(fā)可以將其分為兩類(lèi)：一類(lèi)是全光學(xué)的互感器，也可以叫無(wú)源電子式互感器；另一類(lèi)是基于傳統或者新型傳感技術(shù)的互感器，也可以叫有源電子式互感器。
下面先講全光學(xué)的電流互感器。目前研究最多的就是基于法拉第效應的電流互感器，如圖1所示
圖1 法拉第效應的工作原理圖中，如果一個(gè)磁光晶體工作在磁場(chǎng)中，從其一端打入線(xiàn)偏振光，在另外一端線(xiàn)偏正光的旋轉角度會(huì )發(fā)生變化，這個(gè)旋轉角度和作用于磁光晶體的磁場(chǎng)成線(xiàn)性關(guān)系，從而可以將磁場(chǎng)的測量轉變成一個(gè)光信號的變化進(jìn)而實(shí)現測量。這種類(lèi)型的電流互感器得到了廣泛研究，因為傳感器部件都是光學(xué)器件使得絕緣設計非常簡(jiǎn)單。但是，該傳感器到目前為止還沒(méi)有得到廣泛應用的主要原因一方面是現場(chǎng)運行時(shí)的干擾因素比較多，另一方面就是光學(xué)材料長(cháng)期運行的穩定性問(wèn)題，這兩個(gè)缺點(diǎn)致使該類(lèi)型互感器仍然是走在大規模產(chǎn)業(yè)化的道路上。
為了克服上述問(wèn)題，研究人員采用了一種折衷的方案，即采用空心線(xiàn)圈感應高壓側電流，因而不會(huì )出現鐵磁線(xiàn)圈的一系列問(wèn)題，這種互感器尺寸可以做的很小，但是存在的問(wèn)題就是空心線(xiàn)圈的輸出是電信號，所以在高壓側必須要把電信號轉變成光信號，傳輸至低壓側之后再進(jìn)行還原。這樣做帶來(lái)的最直接的問(wèn)題就是高壓側電路的供能問(wèn)題，此外空芯線(xiàn)圈在溫度變化或者振動(dòng)等干擾因素的影響下精度將會(huì )受到影響，因此實(shí)現高精度還是有很大難度的。
電子式電流互感器主要給大家介紹以上兩種，接下來(lái)介紹兩種電子式電壓互感器。
一種是基于Pockels效應的全光學(xué)電壓互感器，如圖2所示。當光學(xué)介質(zhì)在外加電場(chǎng)作用下，其折射率將會(huì )線(xiàn)性地隨外加電場(chǎng)變化，因此仍然是把一個(gè)電場(chǎng)信號的變化轉變成了一個(gè)光信號的變化，通過(guò)測量光信號來(lái)獲得電壓的變化。同屬于全光學(xué)的互感器，同樣面臨如下問(wèn)題：光學(xué)材料的穩定性以及如何在各種干擾因素下實(shí)現高精度的測量。
圖2 基于Pockels效應的全光學(xué)電壓互感器示意圖下面介紹一種有源式的電子式電壓互感器，采用的是電容分壓方法，如圖3所示。
圖3 有源電子式電壓互感器示意圖圖中：黑色部分是通流導體，在外面套上一個(gè)柱狀電容環(huán)，即在通流導體和柱狀電容間產(chǎn)生一個(gè)等效電容C，柱狀電容和地之間存在一個(gè)雜散電容CE，在雜散電容兩端并聯(lián)一個(gè)電阻R，利用C和R的分壓實(shí)現母線(xiàn)電壓測量。這種電壓互感器在GIS設備中應用較多。但也存在一些問(wèn)題，因為電容環(huán)是金屬的，所以溫度的影響將會(huì )使得等效電容值產(chǎn)生變化，此外也面臨有源式互感器存在的普遍問(wèn)題，那就是高壓側電路的供能問(wèn)題，而且電容環(huán)的邊緣效應和不同軸度等因素對等效電容值也將產(chǎn)生影響，這些都是很難準確評估并有效消除的。
上面就是對電子式互感器的介紹，總結一下其中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。全光學(xué)的電子式互感器存在兩個(gè)難點(diǎn)：光學(xué)材料長(cháng)期運行的穩定性以及在運行過(guò)程中干擾因素的有效抑制。有源電子式互感器主要存在的問(wèn)題有：
1）供能方法的問(wèn)題，因為在高壓側要把電信號變成光信號，就必然有電路板需要進(jìn)行供能?，F在的供能實(shí)現起來(lái)有多種方法，比如就地取能的方法，即在高壓側母線(xiàn)上套一個(gè)CT，或者在低壓側用一個(gè)大功率激光器打到高壓側進(jìn)行供能等，這些方法在實(shí)際使用時(shí)都會(huì )遇到一些瓶頸，因而供能問(wèn)題始終是有源電子式互感器不可回避，而且到目前為止沒(méi)有很好解決的一個(gè)問(wèn)題
2）長(cháng)期運行的穩定性問(wèn)題，有源電子式互感器在研究階段包括在試驗階段都能獲得很好的精度，但是在現場(chǎng)運行后就會(huì )面臨長(cháng)期運行的穩定性問(wèn)題，主要是一系列的現場(chǎng)干擾影響如何評估與抑制的問(wèn)題。
電子式互感器面臨的新挑戰就是能否實(shí)現電流和電壓的同時(shí)測量。我在博士后期間做了一個(gè)用于GIS設備的組合式電流電壓互感器，電流測量采用的是羅氏空心線(xiàn)圈，電壓測量則采用的是電容分壓，整套方案做下來(lái)之后通過(guò)了武高所的全部型式試驗，但是很遺憾沒(méi)有到現場(chǎng)進(jìn)行長(cháng)期運行試驗。
作者簡(jiǎn)介：錢(qián)政，北京航空航天大學(xué)教授。中國儀器儀表學(xué)會(huì )傳感器分會(huì )理事、中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì )傳感器分會(huì )理事。
2000年博士畢業(yè)于西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院電氣工程專(zhuān)業(yè)，2002年9月從清華大學(xué)電工學(xué)科博士后流動(dòng)站出站?，F為北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院本科教學(xué)副院長(cháng)，測試計量技術(shù)及儀器專(zhuān)業(yè)博士生導師。
承擔《信號與測試技術(shù)》、《智能化傳感技術(shù)》、《誤差分析與數據處理》等課程的教學(xué)工作。主編《測試誤差分析與數據處理》教材一部，參編《現代電氣檢測技術(shù)》、《智能化傳感技術(shù)與系統》、《傳感器接口與檢測儀器電路》教材，從事現代電氣檢測技術(shù)和智能化傳感技術(shù)的研究工作。
參加過(guò)國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目、國家自然科學(xué)基金項目及航空基金項目等多項科研項目。目前主持北京市自然科學(xué)基金項目及多項橫向合作項目。
獲省部級科技獎勵2項。在國內外期刊及會(huì )議上發(fā)表學(xué)術(shù)論文70余篇，其中SCI、EI、ISTP三大檢索系統檢索30余篇。
