光電式電流互感器的發(fā)展與應(yīng)用

1、光電式電流互感器的發(fā)展與應(yīng)用來源：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 作者：付立思付剛 發(fā)布日期：2008-4-25 18:22:32 (閱552次) 隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，發(fā)電和輸變電容量的不斷增加，為了提高電力系統(tǒng)的自動化程度，減小變電站的占地面積和建筑空間，現(xiàn)在設(shè)計的互感器電流互感器必須滿足“數(shù)字化、光纖化、智能化、一體化”的要求。數(shù)字化是指要盡量淘汰傳統(tǒng)的模擬信號的指針式讀數(shù)盤，而采用數(shù)字式的儀表，減小測量中因讀數(shù)而引起的人為誤差。光纖化是指在測量系統(tǒng)中，大力提倡光纖的使用，減小電磁場對測量結(jié)果的影響。智能化是指加大微機和網(wǎng)絡(luò)在電氣測量中的運用，賦予互感器一定的自我判斷和識別能力，這主要是在

2、外圍的電路針對電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢可以預(yù)測，在不久的將來，傳統(tǒng)的互感器電流互感器將逐步地淡出電力系統(tǒng)，新型實用的產(chǎn)品將取而代之，光電式互感器電流互感器就是其中的代表，它完全可滿足上述的要求。 1光電式互感器電流互感器的分類 基于磁光效應(yīng)的光電式互感器電流互感器發(fā)展到現(xiàn)在，按其原理與結(jié)構(gòu)可分為有源型、無源型及全光纖型三類。 1.1有源型 有源型光電式互感器電流互感器就是高壓側(cè)電流信號，通過采樣線圈將電信號傳遞給發(fā)光元件變成光信號，再通過光纖傳遞到低壓側(cè)，進行逆變，變換成電信號后放大輸出。高壓側(cè)電子器件的電源來源于光供電方式、母線電流供電方式以及超聲電源供電方式。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。有源型是較早期的結(jié)

3、構(gòu)，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，可靠性高。其缺點是取樣信號頂部結(jié)構(gòu)復(fù)雜。圖1有源型光電式互感器電流互感器結(jié)構(gòu)1.2無源型 無源型光電式互感器電流互感器的傳感頭不需要供電電源。傳感頭一般用法拉第磁光效應(yīng)原理制成，處于低電位的光源發(fā)出的偏振光經(jīng)光纖傳到高壓側(cè)，并通過處于被測電流產(chǎn)生的磁場中。偏振光的偏振面在磁光玻璃中發(fā)生旋轉(zhuǎn)，即電流信號偏振調(diào)制光波。帶電流信號的光波經(jīng)光纖傳到低電位側(cè)，經(jīng)光-電變換后放大輸出。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。無源結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，且完全不采用傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)元件，無飽和問題，充分發(fā)揮了光電式互感器電流互感器的特點，尤其是高壓側(cè)無源電子器件，無溫度穩(wěn)定問題，互感器運行壽命容易保證

4、。其缺點是光學(xué)器件制造難度大，測量的高精度難以達到，且長期穩(wěn)定性不高。圖2無源型光電式互感器電流互感器結(jié)構(gòu)1.3全光纖型 全光纖型光電式互感器電流互感器實際上也是無源型，只是傳感頭是光纖本身制成，其余與無源型完全一樣。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。全光纖型光電式互感器電流互感器的優(yōu)點是傳感頭結(jié)構(gòu)簡單，比無源型易于制造，精度、壽命與可靠性比無源型要高。缺點是這種互感器的光纖是保偏光纖，比有源型和無源型兩種互感器所采用的普通光纖品質(zhì)較高，要制造出高穩(wěn)定性的光纖很難，工藝要求高，且造價昂貴。圖3全光纖型互感器電流互感器結(jié)構(gòu)2光電式互感器電流互感器的優(yōu)點 光電式互感器電流互感器不用鐵芯做磁耦合，因此消除了磁飽和及

5、鐵磁諧振現(xiàn)象，互感器運行暫態(tài)響應(yīng)好，穩(wěn)定性高，保證了系統(tǒng)運行的高可靠性。 電磁感應(yīng)式互感器電流互感器二次回路不能開路，低壓側(cè)存在因開路而引起的高電壓隱患。光電式互感器電流互感器的高壓和低壓之間只存在光纖聯(lián)系，而光纖具有良好的絕緣性能，因此可保證高壓回路與二次回路在電氣上完全隔離，低壓側(cè)不存在因開路而產(chǎn)生高壓的危險。同時因沒有磁耦合，消除了電磁干擾對互感器性能的影響。 電網(wǎng)正常運行時，互感器電流互感器流過的電流并不大，但發(fā)生短路時，短路電流非常大。電磁式互感器電流互感器因存在磁飽和問題，難以實現(xiàn)大范圍測量并在一個通道同時滿足高精度計算和繼電保護的需要。而光電式互感器電流互感器有很寬的動態(tài)范圍，過

6、電流可達幾萬安培。 頻率響應(yīng)范圍寬。光電式互感器電流互感器可以測量出高壓電力線路上的諧波，而電磁式互感器電流互感器難以進行這方面的工作。不存在因充油而產(chǎn)生的易燃、易爆等危險。 絕緣性能好，造價低。電磁式互感器電流互感器絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電壓等級越高，造價越高。光電式互感器電流互感器中采用由絕緣材料做成的玻璃光纖，結(jié)構(gòu)簡單，造價低。體積小，重量輕，運輸和安裝方便。適應(yīng)了電力計量與保護數(shù)字化、微機化和自動化的發(fā)展的潮流。 3光電式互感器電流互感器的應(yīng)用現(xiàn)狀 1994年ABB公司推出有源型光電式互感器電流互感器，其電壓等級為72.5765kV，額定電流為6006000A。日本除研究500kV、1000k

7、V高壓電網(wǎng)計量用的光電式互感器電流互感器外，還進行500kV以下直到6.6kV電壓等級的GIS用光電式互感器電流互感器。我國在這方面也取得了一定進展，特別是近幾年，在吸收國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，已有部分廠家生產(chǎn)光電式互感器電流互感器。光電式互感器電流互感器可以代替體積大而笨重的傳統(tǒng)型互感器電流互感器，并與斷路器組合成一體，從而實現(xiàn)設(shè)備的小型化、一體化。 在高壓直流輸電方面，直流測量用光電式互感器電流互感器較之傳統(tǒng)型的互感器電流互感器有更大的優(yōu)勢，其重量僅為同等級的直流互感器電流互感器的1/40，無電磁干擾和鐵磁損耗，并與電力自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)兼容。例如我國三峽至常州500kV直流輸電系統(tǒng)就使用了ABB

8、公司的光電式互感器電流互感器，用于線路的直流電流及諧波電流、交流側(cè)不平衡電流、橋臂電流等的測量。 除了在電網(wǎng)中使用外，光電式互感器電流互感器還可做成類似鉗形表式的結(jié)構(gòu)，方便移動，用于測量高壓電網(wǎng)中不同地點的電流。也可測量高頻電流。4結(jié)束語目前國內(nèi)在光電式互感器電流互感器的研究方面，特別是高電壓等級上還面臨一些問題，如溫度和應(yīng)力引起的雙折射現(xiàn)象及其降低方法，長期運行時的穩(wěn)定性和精度方面還需要更進一步的試驗和現(xiàn)場考驗。綜上所述，光電式互感器電流互感器有著傳統(tǒng)電磁式互感器電流互感器無法比擬的優(yōu)點，是電磁式互感器電流互感器理想的替代品，將會使互感器技術(shù)進入一個嶄新的時代。光電式電流互感器高壓電流互感器

9、是電力系統(tǒng)將電網(wǎng)中的高壓信號變換傳遞為低壓小電流信號，從而為系統(tǒng)的計量、監(jiān)控、繼電保護、自動裝置等提供統(tǒng)一、規(guī)范的電流信號(傳統(tǒng)為模擬量，現(xiàn)代為數(shù)字量)的裝置；同時滿足電氣隔離，確保人身和電器安全的重要設(shè)備。 高壓電流互感器按原理可分為電磁式電流互感器和電子式電流互感器。電子式電流互感器按一次傳感器的工作方式，又可分為有源型和無源磁光玻璃型。 1電磁式電流互感器 電磁式電流互感器即通過電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)電流變換的互感器。 由于其在電力系統(tǒng)中已被廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)僅對主要的飽和問題作一下分析。 常見的電流互感器飽和主要有兩種：穩(wěn)態(tài)飽和與暫態(tài)飽和。其中穩(wěn)態(tài)飽和主要是因為一次電流值太大，進入電流互感器飽和區(qū)

10、域，導(dǎo)致二次電流不能正確的傳變一次電流。暫態(tài)飽和，則是因為大量的非周期分量的存在，進入電流互感器飽和區(qū)域。 1.1電流互感器穩(wěn)態(tài)仿真分析 在ATP中搭建的電流互感器模 非線性元件的勵磁曲線 請登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng) 瀏覽更多信息 1.2電流互感器暫態(tài)仿真分析 二次負(fù)載為電阻的暫態(tài)飽和波形(R=5) 二次側(cè)負(fù)載為電感的暫態(tài)飽和波形從系統(tǒng)仿真軟件ATP中，利用其不同的勵磁元件仿真電流互感器的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的波形知，在鐵心未飽和前，一次電流和二次電流完全成正比例，當(dāng)達到飽和后，勵磁不再增加，飽和后，不產(chǎn)生電動勢。 2電子式電流互感器 2.1有源型電子式電流互感器 有源型電子式電流互感器特點是一次傳感器為空心

11、線圈，高壓側(cè)電子器件需要由電源|穩(wěn)壓器供電方能工作。其原理如下圖所示： 2.2無源磁光玻璃型電子式電流互感器 無源磁光玻璃型電子式電流互感器特點是一次傳感器為磁光玻璃，無需電源供電。其原理如下圖所示： 3工作原理 3.1法拉第磁光效應(yīng)法拉第磁光效應(yīng)：如果通過一次導(dǎo)線的電流為i，導(dǎo)線周圍所產(chǎn)生的磁場強度為H，當(dāng)一束線偏陣光通過該磁場時，線偏陣光的偏振角度會發(fā)生偏振，其偏振角的計算公式為： 式中：V為磁光玻璃的verdet常數(shù)，L為光線在磁光玻璃中的通光路徑長度。 3.2法拉第磁光效應(yīng)在產(chǎn)品中的應(yīng)用 在電子式電流互感器中將L設(shè)計為環(huán)路，由法拉第磁光效應(yīng)原理，則： 根據(jù)安培環(huán)路定律，在環(huán)路中 可推出

12、： 根據(jù)馬呂斯定律，在本產(chǎn)品中： 4二次控制系統(tǒng)和接口連接形式 4.1二次處理系統(tǒng) 4.2接口連接形式 4.2.1模擬接口連接形式 4.2.2數(shù)字接口連接形式 5特點 不充油不充氣，安全可*，免維修。 傳感器無鐵磁材料，不存在磁滯、剩磁和磁飽和現(xiàn)象。 一次、二次間傳感信號由光纜連接，絕緣性能優(yōu)異，且具有較強的抗電磁干擾能力。 體積小、重量輕，安裝使用簡便。 低壓側(cè)無開路而引入高壓的危險。 具有光、電數(shù)字接口功能，便于二次部分的升級換代和數(shù)字化變電站的建設(shè)?；赗ogowski線圈傳感的光電電流互感器的研究我要打印 IE收藏 放入公文包 我要留言 查看留言來源：中國變壓器網(wǎng)添加人：root添加時

13、間：2008-11-18 16:26:58變壓器 互感器 摘要：隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式TA所存在的問題日益嚴(yán)重，給電力系統(tǒng)運行帶來一定的故障隱患，而徹底解決這些問題的前提是采用新的傳感技術(shù)來研制新型的電流互感器。文中介紹了一種基于Rogowski線圈的新型混合型光電電流互感器的工作原理及系統(tǒng)的組成，同時還研究了在技術(shù)實現(xiàn)和實用化過程中的一些問題和解決方法。關(guān)鍵詞：光電電流互感器；混合型；Rogowski線圈 1引言在電力系統(tǒng)中，電磁感應(yīng)式電流互感器被用來測量電流已有一百多年歷史了。它為電力系統(tǒng)的計量、繼電保護、控制與監(jiān)視提供輸入信號，具有非常重要的意義。隨著電力系統(tǒng)的傳輸容量

14、越來越大，電壓等級越來越高，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器因其傳感機理而出現(xiàn)不可克服的問題：絕緣結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，體積大，造價高；在故障電流下鐵芯易飽和，使二次電流數(shù)值和波形失真，產(chǎn)生不能容許的測量誤差；充油易爆炸而導(dǎo)致突然失效；若輸出端開路，產(chǎn)生高電壓對周圍設(shè)備和人員存在潛在的威脅；易受電磁干擾等。為適應(yīng)電力系統(tǒng)快速發(fā)展的需要，必須研究利用其它感應(yīng)原理的電流互感器。目前利用光學(xué)傳感或光纖傳輸信號技術(shù)來研制新型的光電電流互感器（opticalcurrenttransducer，簡稱OCT）已成為人們研究的焦點。由于采用傳感頭的不同，OCT可分為全光型和混合型兩大類。全光型OCT采用光學(xué)傳感頭，其優(yōu)點主要在

15、于：線性度比較好，靈敏度可以做得很高，絕緣性能好。資料表明，國外已有產(chǎn)品面世，國內(nèi)也有樣機開始進行掛網(wǎng)實驗，但溫度變化對傳感頭可靠性和穩(wěn)定性影響較大，影響測量精度。由于電力系統(tǒng)對電流互感器的測量精度要求較高，采用法拉第效應(yīng)的全光型OCT還需要從傳感頭的結(jié)構(gòu)、材料的選擇、光路系統(tǒng)的構(gòu)成等各方面進行改進，提高其運行可靠性、穩(wěn)定性，使其能夠達到電力系統(tǒng)實用的要求。2混合型OCT混合型OCT是利用有源器件調(diào)制技術(shù)，以光纖作為信號傳輸媒質(zhì)，把高壓側(cè)轉(zhuǎn)換的光信號傳輸?shù)浇邮芏诉M行信號處理，得到被測電流信息的裝置，其中光纖僅作為信號傳輸裝置，不用作傳感器件。它避免了全光型OCT傳感頭易受溫度變化的影響的缺點及

16、光路設(shè)計中的技術(shù)難點。早期的混合型OCT是基于傳統(tǒng)電流互感器（TA）發(fā)展的，它既利用了光纖的高絕緣性的優(yōu)點，使電流互感器的制造成本、體積和重量顯著降低，又充分發(fā)揮了電力系統(tǒng)廣泛接受的傳統(tǒng)TA測量裝置的優(yōu)勢，具有很強的實用性，但由于TA傳感機理的限制，這種混合型OCT仍存在著傳統(tǒng)電流互感器難以克服的一些缺點，如鐵磁飽和問題。本文介紹的混合型OCT由于采用的新的傳感機理，從根本上解決傳統(tǒng)電磁式TA所存在的問題，且其受環(huán)境和溫度的影響較小，更易滿足現(xiàn)場要求。21工作原理Rogowski線圈是一種較成熟的測量元件，以前廣泛地應(yīng)用在電力系統(tǒng)高電壓領(lǐng)域，它實際上是一種特殊結(jié)構(gòu)的空心線圈，可根據(jù)被測電流的變

17、化，感應(yīng)出被測電流的變化的信號，其特點在于被測電流幾乎不受限制，反映速度快，可以測量前沿上升時間為納秒級的電流，且精確度可高達011。從測量大電流的觀點來看，Rogowski線圈是一種較理想的敏感元件，由于它不與被測電路直接接觸，可以方便地對高壓回路進行隔離測量，因此可以將其作為傳感元件，用于混合型光電電流互感器。 將測量導(dǎo)線均勻地繞在截面均勻的非磁性材料的框架上，就構(gòu)成了Rogowski線圈，如圖1所示。被測電流從線圈中心穿過，由電磁感應(yīng)原理可知：任何一個隨時間變化的電流i（t）總是伴隨著一個隨時間變化的磁場環(huán)鏈，這個磁場將在線圈中感應(yīng)產(chǎn)生電勢e（t），電壓e（t）與電流的變化率di（t）d

18、t成正比。當(dāng)互感系數(shù)M已知，感應(yīng)電勢e（t）為 當(dāng)Rogowski線圈的結(jié)構(gòu)確定后，就可以通過理論分析計算出e（t）與被測電流變化的關(guān)系。假定無限長的導(dǎo)線中，通過電流i（t）Imcost，右邊為一圓形測量線圈。根據(jù)按圖2所示標(biāo)定的坐標(biāo)位置，穿過圓形線圈的磁通量為實際應(yīng)用中，必須考慮多方面因素對互感系數(shù)的影響，因此必須通過一些措施測出實際的Rogowski線圈的互感系數(shù)。比較準(zhǔn)確的方法是用標(biāo)準(zhǔn)可變互感器構(gòu)成的電橋回路或其改進電路進行測量。 基于Rogowski線圈傳感的混合型電流互感器系統(tǒng)框圖見圖3。如圖3所示，被測電流i通過Rogowski線圈時，在線圈出線端感應(yīng)產(chǎn)生電勢e，該信號經(jīng)積分器得到

19、一個與i同相位的電壓信號，將該信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，再經(jīng)過EO調(diào)制成光信號，通過光纖傳輸?shù)降蛪簜?cè)，然后再經(jīng)過OE轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字信號直接送到單片機進行數(shù)據(jù)處理，為微機保護提供所需的信號，或者對信號進行DA轉(zhuǎn)換，還原成模擬電流信號，然后經(jīng)過放大，供測量和保護裝置用。 22硬件系統(tǒng)設(shè)計221輸入調(diào)理電路本裝置的輸入調(diào)理電路由有源積分器、低通濾波器和直流偏置電路組成。由上述可知e與i存在微分關(guān)系，為得到能正確反映被測電流情況的信號，必須加一積分環(huán)節(jié)。為保證測量精度，實際系統(tǒng)采用的是如圖4所示的有源積分器 222AD轉(zhuǎn)換串行12位ADC采用MAX187，為5V單電源供電、自帶采樣保持和基準(zhǔn)電壓電路

20、。其外圍電路由時基電路、采樣控制電路、串行數(shù)據(jù)編碼電路等組成。 223EO轉(zhuǎn)換及光纖傳輸考慮到光纖具有抗干擾能力強，絕緣性能好的特點，本系統(tǒng)將信號經(jīng)過EO轉(zhuǎn)換利用光纖傳輸，從而大大降低了電力系統(tǒng)中的電磁干擾對測量裝置的影響。電光轉(zhuǎn)換由發(fā)光二極管LED3S403實現(xiàn)，其對脈沖的響應(yīng)時間小于4ns，工作電流小于100mA。光纖傳輸系統(tǒng)主要由光發(fā)送器、光纜及光接收器組成。由于采用數(shù)字調(diào)制，對電磁干擾和環(huán)境因素具有較強的抵御能力，光強的變化也不會對傳輸?shù)墓饷}沖信號造成多大影響。224OE轉(zhuǎn)換由于采用了數(shù)字的傳輸方式，光電管對輸入光脈沖的響應(yīng)速度直接制約著通信速率，實驗證明，采用光敏三極管作光電轉(zhuǎn)換器件

21、，其對方波的響應(yīng)只能達到幾十千赫茲。為了提高傳輸速率，提高系統(tǒng)的實時性，這里采用了PIN光電二極管，本文使用PDRM970型PIN管（見圖5），它具有十分寬的頻帶響應(yīng)范圍。 225信號處理低壓端接收到的信號經(jīng)單片機系統(tǒng)可完成綜合控制、數(shù)據(jù)存儲和通信等功能，提供實際需要的數(shù)字信號；為滿足實際測量及傳統(tǒng)的繼電保護等其它擴展功能的需要，同時采用串行12位AD轉(zhuǎn)換器MAX531，得到模擬信號，MAX531由5V電源供電、自帶基準(zhǔn)電壓電路，可雙極性輸出，其輸出為正弦波，經(jīng)一與AD采樣LPF相同特性的LPF即可平滑輸出波形。 3存在的問題及討論混合型OCT在高壓端使用了許多有源器件，因此提供一個合適的電源是保證電流互感器正常工作的關(guān)鍵，也是一個技術(shù)難題。目前國內(nèi)外一般采用兩種方案，一是從被測電流取用電源，即在被測母線上安裝一個輔助電源TA，該TA處于高壓端，絕緣要求低，因此結(jié)構(gòu)較簡單，考慮到電源CT可能出現(xiàn)故障，還必須并聯(lián)一蓄電池組作為備用電源；二是激光能量傳輸，即通過OE轉(zhuǎn)換，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮釉璧碾娔?。但這兩種方案都存在一定缺點，前者安裝使用不方便，后者成本較高。作為電子元件的驅(qū)動電源，功率