新型電流互感器的發(fā)展

1、新型電流互感器的發(fā)展隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器暴露出越來越多的問 題，而光纖電流互感器（OCT）的出現(xiàn)為這些問題的解決帶來了答案。OCT具 有不含油，尺寸小，絕緣結(jié)構(gòu)簡單，不會有安全隱患，不含鐵心，不會有磁飽和 現(xiàn)象，測量帶寬和精度高，使用光纖傳輸信號，可以有效地防止電磁干擾，其輸 出可以方便地與計(jì)算機(jī)接口。光纖電流互感器的發(fā)展，必將大大加速電力設(shè)備向 小型化、綜合自動化和高可靠性方向的發(fā)展。標(biāo)簽：電力系統(tǒng)；光纖傳輸；電流互感器1、引言電流互感器是電力系統(tǒng)中進(jìn)行電能計(jì)量和繼電保護(hù)的重要設(shè)備。其精度及可 靠性與電力系統(tǒng)的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行密切相關(guān)。然而隨著電力工業(yè)的發(fā)展，

2、電力傳輸系統(tǒng)容量不斷增加，運(yùn)行電壓等級也越來越高，傳統(tǒng)的電磁式電流互感 器暴露出一系列嚴(yán)重的缺點(diǎn)：電流互感器的絕緣結(jié)構(gòu)將非常復(fù)雜，造價(jià)也會急劇 增加，由于電磁感應(yīng)式電流互感器所固有的磁飽和、鐵磁諧振、動態(tài)范圍小、頻 帶窄以及有油易燃易爆等缺點(diǎn)，已難以滿足新一代電力系統(tǒng)在線檢測、高精度 故障診斷、電力數(shù)字網(wǎng)等的發(fā)展需要。尋求更理想的新型電流互感器已勢在必行， 目前注意力已集中到光學(xué)傳感技術(shù)，即用光電子學(xué)的方法來發(fā)展所謂的光電式電 流互感器（optical current transformer，簡稱 OCT）。2、方案選擇電場測定法可分為電氣法和光學(xué)法兩大類。以前廣泛采用電氣法是基于電場 感應(yīng)電

3、荷和靜電力原理的測量儀器，在許多場合，由于檢測頭為接近地電位的導(dǎo) 體，未必適合空間電場的測定。光學(xué)法則是利用激光的折射和散射原理，是一 種不干擾被測對象的非接觸式測量方法。然而，由于檢測感度的限制，此法測定 弱電離場有困難。我們這里的主要采用光學(xué)測量法。光電式電流互感器主要分為兩類：有源電子式互感器，它主要是通過遠(yuǎn)端模 塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后經(jīng)通信光纖傳送出去。傳感頭部分有電源電路， 需要解決供電問題。另一類是無源電子式互感器，它是利用Faraday磁光效應(yīng)感 應(yīng)被測電流信號，通過光纖傳輸傳感信號。傳感頭部分沒有電子電路，不存在供 電問題。此外也有采用干涉原理的，但應(yīng)用較少。有源型光纖電

4、流互感器制作較容易，而且由于采用數(shù)字量傳輸，對光源供電 電路要求低，抗干擾性好、成本低，目前，作為無源型電流互感器的一種補(bǔ)充或 過渡，仍不失為一種好方法。在供電電源選擇上，以前是在高壓母線上串2個TA，分別為供電TA和取 樣TA，供電TA給處于高電位的傳感部分提供電源。由于這種方案在高壓母線 上取供電電源，而母線電流變化很大，電源系統(tǒng)的可靠性較低。所以我們采用利 用地面的強(qiáng)激光源，將光能通過光纖傳至高電位處，再由光電池將光能轉(zhuǎn)換為電 能，并用此電能給有關(guān)的功能電路部分供電。3、光電式電流互感器的原理3.1有源電子式電流互感器在這種有源光電式電流互感器的高電位側(cè)的傳感頭中，全部采用的是電子器 件

5、。在高電位側(cè)用空心線圈（Rogowski線圈）將母線電流變成電壓信號，該電 壓信號為模擬量，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，用電光轉(zhuǎn)換（LED）電路將此數(shù) 字信號變?yōu)楣庑盘?，然后通過絕緣的光纖將光信號送到地電位側(cè)。在地電位側(cè)， 由光電轉(zhuǎn)換器件（PIN）將光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，供繼電保護(hù)與電能計(jì)量之 用，在需要模擬量的場合，可用數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）電路將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。 這種光電式電流互感器采用激光光源將光能從地電位側(cè)通過光纖送到高電位側(cè)， 再由光電轉(zhuǎn)換器件將光能轉(zhuǎn)換成為電能，經(jīng)過電源穩(wěn)定電路后，給各電子電路供 電。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是輸出電源比較穩(wěn)定，而且也不易受到外界雜散光源的影響， 是一種高科技

6、的技術(shù)。這種光電式電流互感器采用了近年發(fā)展起來的電子、光通 訊、激光和計(jì)算機(jī)技術(shù)，具有較強(qiáng)的生命力和較高的技術(shù)含量。3.2無源電子式電流互感器此光電電流互感器是依據(jù)法拉第磁光效應(yīng)，將線偏振光的偏振面角度變化的 信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)變化的信息，然后通過光電探測器將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并進(jìn)行放 大處理，以反應(yīng)最初的電流信息。法拉第磁光效應(yīng)是：一束線偏振光通過置于磁 場中的磁光材料時(shí)，它的偏振面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角正比于磁場沿著偏振光通過 材料路徑的線積分。利用光電電流互感器測量輸電線的電流時(shí)，將磁光材料放在輸電線的周圍， 當(dāng)輸電線通過電流時(shí)，磁光材料即受到強(qiáng)磁場的作用。如果導(dǎo)體中流過的電流為 I，磁光材料

7、與電流I所產(chǎn)生的有效磁場為K*I。則在磁光材料通過偏振器輸出的 偏振光后。振動面旋轉(zhuǎn)的角度為：=VK*I。采用檢偏器將角度信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng) 信息，利用光電探測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?jīng)電子電路處理后得到原始信息。如圖2 所示，激光光源發(fā)出的激光經(jīng)偏振器后，輸出的偏振光射向磁光材料，經(jīng)磁光材 料反射后，偏振面已有所偏轉(zhuǎn)的偏振光射入檢偏器，再到光電探測器變換成電流， 經(jīng)放大器放大后輸出。4、光電式電流互感器實(shí)用化存在的問題4.1、減小磁光材料雙折射效應(yīng)對光電電流互感器側(cè)精度的影響。由于磁光材料的雙折射效應(yīng)，使射人磁光介質(zhì)的線性偏振光變?yōu)闄E圓偏振光。其結(jié)果是從檢偏器輸出的光強(qiáng)度變化與被測電流不成正比，使光電式

8、電流互 感器的靈敏度不穩(wěn)定，從而降低了光電式電流互感器的測量精度。磁光材料中 的雙折射可分為3類：（1）與玻璃的制造過程的熱歷史有關(guān)的雙折射；（2）由于 環(huán)境溫度變化引起的暫態(tài)雙折射；（3）傳感頭組裝引起的組裝應(yīng)力雙折射。為了 提高光電式電流互感器測量精度，應(yīng)該對各種產(chǎn)生雙折射效應(yīng)的途徑進(jìn)行具體 的研究，并找到降低其影響的辦法。4.2、減小溫度變化對光電式電流互感器測精確度的影響互感器傳感頭部溫度的變化可高達(dá)100C。溫度的變化將引起磁光材料的 雙折射Verdet常數(shù)的變化，還會引起磁光材料中的應(yīng)力雙折射效應(yīng)。溫度的變 化還將引起發(fā)光管或比發(fā)光波長的變化，而常數(shù)要隨光波波長的變化而變化。為 了

9、提高光電式電流互感器測量精度，應(yīng)該對各種造成傳感器頭部溫度變化的過程 進(jìn)行分析，并研究減小其影響的辦法。4.3、光電式電流互感器長期穩(wěn)定性的研究磁光玻璃的Verdet常數(shù)、LED或LD以及PIN的靈敏度、電子產(chǎn)品的標(biāo)稱 數(shù)值可能會隨時(shí)間而變化，都可能受到外界氣候條件的影響，因此必須對其進(jìn)行 長期穩(wěn)定性的研究及現(xiàn)場試驗(yàn)。5、發(fā)展趨勢光電式電流互感器和傳統(tǒng)互感器比較，最大優(yōu)點(diǎn)在于不存在鐵芯飽和，狀態(tài) 量以數(shù)字量輸出，這將最佳地適應(yīng)日趨廣泛采用的微機(jī)保護(hù)、電力計(jì)量數(shù)字化及 自動化發(fā)展的潮流，擁有廣闊的市場前景，但其實(shí)用化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)仍需進(jìn)一步的 研究，尤其是相關(guān)光電功能晶體材料的研發(fā)。參考文獻(xiàn)1、李紅斌，劉延冰等.用于110 kV變電站的光學(xué)電流互感器J.華中 理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，23 （7） : 6102、王政平，孫品華，李慶波，王曉忠塊狀光學(xué)材料電流傳感器研究新進(jìn)展 J .激光電子學(xué)進(jìn)展，1999，No. 8 : 1613、王廷云等.電力系統(tǒng)中光電電流互感器研究J，電力系統(tǒng)自動化，2000， 14、李紅斌等.光學(xué)電流傳感器的研究進(jìn)展J，電工技術(shù)雜志，1997， 15、金涌濤，劉會金，熊玲玲.Rogowski線圈頻率特性及拓寬頻帶方法J.電測與儀表，2003，（9） L 12- 16.6、張濤，李澎，羅承沐，賀向前，許明圣.羅果夫斯基線圈測量高電壓及電力系統(tǒng)中的暫態(tài)電流