一、母線電流、電壓測(cè)量
對(duì)于母線電流、電壓新的測(cè)量方法的研究在國(guó)外是從上個(gè)世紀(jì)70年代左右開(kāi)始的，隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的提高、容量的增加，傳統(tǒng)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(xiàn)，經(jīng)過(guò)四五十年的研究，已經(jīng)在很多場(chǎng)合得以應(yīng)用。電子式互感器就是利用一些新型的傳感技術(shù)來(lái)獲取母線電流或者電壓的信息，然后用光纖來(lái)傳輸高壓側(cè)的信號(hào)，最后在低壓側(cè)再將電壓、電流信號(hào)還原出來(lái)。從定義出發(fā)可以將其分為兩類：一類是全光學(xué)的互感器，也可以叫無(wú)源電子式互感器；另一類是基于傳統(tǒng)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(yīng)的電流互感器，如圖1所示
圖1 法拉第效應(yīng)的工作原理圖中，如果一個(gè)磁光晶體工作在磁場(chǎng)中，從其一端打入線偏振光，在另外一端線偏正光的旋轉(zhuǎn)角度會(huì)發(fā)生變化，這個(gè)旋轉(zhuǎn)角度和作用于磁光晶體的磁場(chǎng)成線性關(guān)系，從而可以將磁場(chǎng)的測(cè)量轉(zhuǎn)變成一個(gè)光信號(hào)的變化進(jìn)而實(shí)現(xiàn)測(cè)量。這種類型的電流互感器得到了廣泛研究，因?yàn)閭鞲衅鞑考际枪鈱W(xué)器件使得絕緣設(shè)計(jì)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(yīng)用的主要原因一方面是現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)的干擾因素比較多，另一方面就是光學(xué)材料長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性問(wèn)題，這兩個(gè)缺點(diǎn)致使該類型互感器仍然是走在大規(guī)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，即采用空心線圈感應(yīng)高壓側(cè)電流，因而不會(huì)出現(xiàn)鐵磁線圈的一系列問(wèn)題，這種互感器尺寸可以做的很小，但是存在的問(wèn)題就是空心線圈的輸出是電信號(hào)，所以在高壓側(cè)必須要把電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)，傳輸至低壓側(cè)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(cè)電路的供能問(wèn)題，此外空芯線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(xiàn)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(yīng)的全光學(xué)電壓互感器，如圖2所示。當(dāng)光學(xué)介質(zhì)在外加電場(chǎng)作用下，其折射率將會(huì)線性地隨外加電場(chǎng)變化，因此仍然是把一個(gè)電場(chǎng)信號(hào)的變化轉(zhuǎn)變成了一個(gè)光信號(hào)的變化，通過(guò)測(cè)量光信號(hào)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(wěn)定性以及如何在各種干擾因素下實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量。
圖2 基于Pockels效應(yīng)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(dǎo)體，在外面套上一個(gè)柱狀電容環(huán)，即在通流導(dǎo)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(xiàn)母線電壓測(cè)量。這種電壓互感器在GIS設(shè)備中應(yīng)用較多。但也存在一些問(wèn)題，因?yàn)殡娙莪h(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(cè)電路的供能問(wèn)題，而且電容環(huán)的邊緣效應(yīng)和不同軸度等因素對(duì)等效電容值也將產(chǎn)生影響，這些都是很難準(zhǔn)確評(píng)估并有效消除的。
上面就是對(duì)電子式互感器的介紹，總結(jié)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(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性以及在運(yùn)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?yàn)樵诟邏簜?cè)要把電信號(hào)變成光信號(hào)，就必然有電路板需要進(jìn)行供能?，F(xiàn)在的供能實(shí)現(xiàn)起來(lái)有多種方法，比如就地取能的方法，即在高壓側(cè)母線上套一個(gè)CT，或者在低壓側(cè)用一個(gè)大功率激光器打到高壓側(cè)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(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性問(wèn)題，有源電子式互感器在研究階段包括在試驗(yàn)階段都能獲得很好的精度，但是在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行后就會(huì)面臨長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性問(wèn)題，主要是一系列的現(xiàn)場(chǎng)干擾影響如何評(píng)估與抑制的問(wèn)題。
電子式互感器面臨的新挑戰(zhàn)就是能否實(shí)現(xiàn)電流和電壓的同時(shí)測(cè)量。我在博士后期間做了一個(gè)用于GIS設(shè)備的組合式電流電壓互感器，電流測(cè)量采用的是羅氏空心線圈，電壓測(cè)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(yàn)，但是很遺憾沒(méi)有到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行長(zhǎng)期運(yùn)行試驗(yàn)。
作者簡(jiǎn)介：錢(qián)政，北京航空航天大學(xué)教授。中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)傳感器分會(huì)理事、中國(guó)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(xiàn)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(zhǎng)，測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器專業(yè)博士生導(dǎo)師。
承擔(dān)《信號(hào)與測(cè)試技術(shù)》、《智能化傳感技術(shù)》、《誤差分析與數(shù)據(jù)處理》等課程的教學(xué)工作。主編《測(cè)試誤差分析與數(shù)據(jù)處理》教材一部，參編《現(xiàn)代電氣檢測(cè)技術(shù)》、《智能化傳感技術(shù)與系統(tǒng)》、《傳感器接口與檢測(cè)儀器電路》教材，從事現(xiàn)代電氣檢測(cè)技術(shù)和智能化傳感技術(shù)的研究工作。
參加過(guò)國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目及航空基金項(xiàng)目等多項(xiàng)科研項(xiàng)目。目前主持北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目及多項(xiàng)橫向合作項(xiàng)目。
獲省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)2項(xiàng)。在國(guó)內(nèi)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(tǒng)檢索30余篇。
