一、母线电流、电压测量

对于母线电流、电压新的测量方法的研究在国外是从上个世纪70年代左右开始的，随着电力系统电压等级的提高、容量的增加，传统电磁式电力互感器遇到了磁饱和、动态范围小等一系列问题，电子式互感器的概念得以出现，经过四五十年的研究，已经在很多场合得以应用。电子式互感器就是利用一些新型的传感技术来获取母线电流或者电压的信息，然后用光纤来传输高压侧的信号，最后在低压侧再将电压、电流信号还原出来。从定义出发可以将其分为两类：一类是全光学的互感器，也可以叫无源电子式互感器；另一类是基于传统或者新型传感技术的互感器，也可以叫有源电子式互感器。

下面先讲全光学的电流互感器。目前研究最多的就是基于法拉第效应的电流互感器，如图1所示

图1 法拉第效应的工作原理

图中，如果一个磁光晶体工作在磁场中，从其一端打入线偏振光，在另外一端线偏正光的旋转角度会发生变化，这个旋转角度和作用于磁光晶体的磁场成线性关系，从而可以将磁场的测量转变成一个光信号的变化进而实现测量。这种类型的电流互感器得到了广泛研究，因为传感器部件都是光学器件使得绝缘设计非常简单。但是，该传感器到目前为止还没有得到广泛应用的主要原因一方面是现场运行时的干扰因素比较多，另一方面就是光学材料长期运行的稳定性问题，这两个缺点致使该类型互感器仍然是走在大规模产业化的道路上。

为了克服上述问题，研究人员采用了一种折衷的方案，即采用空心线圈感应高压侧电流，因而不会出现铁磁线圈的一系列问题，这种互感器尺寸可以做的很小，但是存在的问题就是空心线圈的输出是电信号，所以在高压侧必须要把电信号转变成光信号，传输至低压侧之后再进行还原。这样做带来的最直接的问题就是高压侧电路的供能问题，此外空芯线圈在温度变化或者振动等干扰因素的影响下精度将会受到影响，因此实现高精度还是有很大难度的。

电子式电流互感器主要给大家介绍以上两种，接下来介绍两种电子式电压互感器。

一种是基于Pockels效应的全光学电压互感器，如图2所示。当光学介质在外加电场作用下，其折射率将会线性地随外加电场变化，因此仍然是把一个电场信号的变化转变成了一个光信号的变化，通过测量光信号来获得电压的变化。同属于全光学的互感器，同样面临如下问题：光学材料的稳定性以及如何在各种干扰因素下实现高精度的测量。

图2 基于Pockels效应的全光学电压互感器示意图

下面介绍一种有源式的电子式电压互感器，采用的是电容分压方法，如图3所示。

图3 有源电子式电压互感器示意图

图中：黑色部分是通流导体，在外面套上一个柱状电容环，即在通流导体和柱状电容间产生一个等效电容C，柱状电容和地之间存在一个杂散电容CE，在杂散电容两端并联一个电阻R，利用C和R的分压实现母线电压测量。这种电压互感器在GIS设备中应用较多。但也存在一些问题，因为电容环是金属的，所以温度的影响将会使得等效电容值产生变化，此外也面临有源式互感器存在的普遍问题，那就是高压侧电路的供能问题，而且电容环的边缘效应和不同轴度等因素对等效电容值也将产生影响，这些都是很难准确评估并有效消除的。

上面就是对电子式互感器的介绍，总结一下其中的几个关键问题。全光学的电子式互感器存在两个难点：光学材料长期运行的稳定性以及在运行过程中干扰因素的有效抑制。有源电子式互感器主要存在的问题有：

1）供能方法的问题，因为在高压侧要把电信号变成光信号，就必然有电路板需要进行供能。现在的供能实现起来有多种方法，比如就地取能的方法，即在高压侧母线上套一个CT，或者在低压侧用一个大功率激光器打到高压侧进行供能等，这些方法在实际使用时都会遇到一些瓶颈，因而供能问题始终是有源电子式互感器不可回避，而且到目前为止没有很好解决的一个问题

2）长期运行的稳定性问题，有源电子式互感器在研究阶段包括在试验阶段都能获得很好的精度，但是在现场运行后就会面临长期运行的稳定性问题，主要是一系列的现场干扰影响如何评估与抑制的问题。

电子式互感器面临的新挑战就是能否实现电流和电压的同时测量。我在博士后期间做了一个用于GIS设备的组合式电流电压互感器，电流测量采用的是罗氏空心线圈，电压测量则采用的是电容分压，整套方案做下来之后通过了武高所的全部型式试验，但是很遗憾没有到现场进行长期运行试验。

作者简介：钱政，北京航空航天大学教授。中国仪器仪表学会传感器分会理事、中国仪器仪表行业协会传感器分会理事。

2000年博士毕业于西安交通大学电气工程学院电气工程专业，2002年9月从清华大学电工学科博士后流动站出站。现为北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院本科教学副院长，测试计量技术及仪器专业博士生导师。

承担《信号与测试技术》、《智能化传感技术》、《误差分析与数据处理》等课程的教学工作。主编《测试误差分析与数据处理》教材一部，参编《现代电气检测技术》、《智能化传感技术与系统》、《传感器接口与检测仪器电路》教材，从事现代电气检测技术和智能化传感技术的研究工作。

参加过国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金项目及航空基金项目等多项科研项目。目前主持北京市自然科学基金项目及多项横向合作项目。

获省部级科技奖励2项。在国内外期刊及会议上发表学术论文70余篇，其中SCI、EI、ISTP三大检索系统检索30余篇。