一、母線電流、電壓測量
對于母線電流、電壓新的測量方法的研究在國外是從上個世紀(jì)70年代左右開始的，隨著電力系統(tǒng)電壓等級的提高、容量的增加，傳統(tǒng)電磁式電力互感器遇到了磁飽和、動態(tài)范圍小等一系列問題，電子式互感器的概念得以出現(xiàn)，經(jīng)過四五十年的研究，已經(jīng)在很多場合得以應(yīng)用。電子式互感器就是利用一些新型的傳感技術(shù)來獲取母線電流或者電壓的信息，然后用光纖來傳輸高壓側(cè)的信號，最后在低壓側(cè)再將電壓、電流信號還原出來。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，如果一個磁光晶體工作在磁場中，從其一端打入線偏振光，在另外一端線偏正光的旋轉(zhuǎn)角度會發(fā)生變化，這個旋轉(zhuǎn)角度和作用于磁光晶體的磁場成線性關(guān)系，從而可以將磁場的測量轉(zhuǎn)變成一個光信號的變化進而實現(xiàn)測量。這種類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(shè)計非常簡單。但是，該傳感器到目前為止還沒有得到廣泛應(yīng)用的主要原因一方面是現(xiàn)場運行時的干擾因素比較多，另一方面就是光學(xué)材料長期運行的穩(wěn)定性問題，這兩個缺點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，因而不會出現(xiàn)鐵磁線圈的一系列問題，這種互感器尺寸可以做的很小，但是存在的問題就是空心線圈的輸出是電信號，所以在高壓側(cè)必須要把電信號轉(zhuǎn)變成光信號，傳輸至低壓側(cè)之后再進行還原。這樣做帶來的最直接的問題就是高壓側(cè)電路的供能問題，此外空芯線圈在溫度變化或者振動等干擾因素的影響下精度將會受到影響，因此實現(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)在外加電場作用下，其折射率將會線性地隨外加電場變化，因此仍然是把一個電場信號的變化轉(zhuǎn)變成了一個光信號的變化，通過測量光信號來獲得電壓的變化。同屬于全光學(xué)的互感器，同樣面臨如下問題：光學(xué)材料的穩(wěn)定性以及如何在各種干擾因素下實現(xiàn)高精度的測量。
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，在外面套上一個柱狀電容環(huán)，即在通流導(dǎo)體和柱狀電容間產(chǎn)生一個等效電容C，柱狀電容和地之間存在一個雜散電容CE，在雜散電容兩端并聯(lián)一個電阻R，利用C和R的分壓實現(xiàn)母線電壓測量。這種電壓互感器在GIS設(shè)備中應(yīng)用較多。但也存在一些問題，因為電容環(huán)是金屬的，所以溫度的影響將會使得等效電容值產(chǎn)生變化，此外也面臨有源式互感器存在的普遍問題，那就是高壓側(cè)電路的供能問題，而且電容環(huán)的邊緣效應(yīng)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(zhǔn)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(jié)一下其中的幾個關(guān)鍵問題。全光學(xué)的電子式互感器存在兩個難點：光學(xué)材料長期運行的穩(wěn)定性以及在運行過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題有：
1）供能方法的問題，因為在高壓側(cè)要把電信號變成光信號，就必然有電路板需要進行供能。現(xiàn)在的供能實現(xiàn)起來有多種方法，比如就地取能的方法，即在高壓側(cè)母線上套一個CT，或者在低壓側(cè)用一個大功率激光器打到高壓側(cè)進行供能等，這些方法在實際使用時都會遇到一些瓶頸，因而供能問題始終是有源電子式互感器不可回避，而且到目前為止沒有很好解決的一個問題
2）長期運行的穩(wěn)定性問題，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(xiàn)場運行后就會面臨長期運行的穩(wěn)定性問題，主要是一系列的現(xiàn)場干擾影響如何評估與抑制的問題。
電子式互感器面臨的新挑戰(zhàn)就是能否實現(xiàn)電流和電壓的同時測量。我在博士后期間做了一個用于GIS設(shè)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圈，電壓測量則采用的是電容分壓，整套方案做下來之后通過了武高所的全部型式試驗，但是很遺憾沒有到現(xiàn)場進行長期運行試驗。
作者簡介：錢政，北京航空航天大學(xué)教授。中國儀器儀表學(xué)會傳感器分會理事、中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會傳感器分會理事。
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，測試計量技術(shù)及儀器專業(yè)博士生導(dǎo)師。
承擔(dān)《信號與測試技術(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)代電氣檢測技術(shù)》、《智能化傳感技術(shù)與系統(tǒng)》、《傳感器接口與檢測儀器電路》教材，從事現(xiàn)代電氣檢測技術(shù)和智能化傳感技術(shù)的研究工作。
參加過國家自然科學(xué)基金重點項目、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(nèi)外期刊及會議上發(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。
