光纤电流互感器的发展

光纤电流互感器的发展方　志1,邱毓昌1,李　双2(1.西安交通大学,西安市,710049;2.江苏精科互感器公司,江苏省宿迁市,223800)[摘　要]　随着现代电力系统的发展,传统的电磁式电流互感器暴露出越来越多的问题。

而光纤电流互感器(OCT )的出现为这些问题的解决带来了答案。

OCT 有如下优点:不含油,尺寸小,绝缘结构简单,不会有安全隐患;不含铁心,不会有磁饱和现象;测量带宽和精度高;使用光纤传输信号,可以有效地防止电磁干扰;其输出可以方便地与计算机接口。

光纤电流互感器的发展,必将大大加速电力设备向小型化、综合自动化和高可靠性方向的发展。

[关键词]　光纤电流互感器　全光式光电电流互感器　混合式光电电流互感器中图分类号:TM 452　文献标识码:B 文章编号:1000-7229(2002)12-0042-03The Develop me nt of Op tical Cur re nt Tra nsduce rsFa ng Zhi 1,Qiu Yuc ha ng 1,L i Shua ng2(1.Xia n J iaot ong U niversity ,Xia n City ,710049;2.J ia ngsu J ingke Inst rument Tra nsf or mer Co.,L t d ,Suqia n City ,J ia ngsu Province ,223800)[Abstract]　Wit h t he develop ment of moder n p ower system t he t raditional elect romagnetic current t ransf or mer has revealed more and more p roblems.While occurrence of op tical current t ransducers (O C T )has resolved t he p roblems.O C T has t he f ollowing advantages :oilless ,small size ,simple insulation st ructure ,no hidden t rouble in saf ety ;no magnetic saturation p henomena due t o no iron core ;wide measuring range and high accuracy.Transmis 2sion wit h op tical fiber can eff ectively p revent f rom elect ro -magnetic inter f erence and easily interf ace wit h com 2p uter.The develop ment of O C T will greatly sp eed up t he t rend of t he p ower equip ment in direction of small size ,comp rehensive aut omation and high reliability.[K eyw ords]　op tical current t ransducer ;magnetic op tical t ransducer ;hybrid op tical current t ransducer 互感器是电力系统中主要的保护和监控设备之一。

随着电力系统向高电压、大容量发展,传统的基于电磁感应的原理制成的电磁式电流互感器暴露出越来越多的问题,主要问题有:含有铁心,易饱和,对高频信号响应性较差,对线路上的暂态信号不能响应;绝缘结构复杂,尺寸大,造价高,设备安装检修不方便;存在潜在危险,如果二次负载出现开路就会产生高电压,危害设备和人身的安全,含油的互感器还有爆炸的危险;另外,随着数字技术在电力系统中的广泛应用,为了使传统的互感器和数字设备接口,需要在两者之间加上电流变换器[1]。

光电子和光纤通讯的发展,推动了新型光纤电流互感器(O C T )的研究与应用。

和传统的电流互感器相比,O C T 有如下优点:不含油,尺寸小,绝缘结构简单,不会有安全隐患;不含铁心,不会有磁饱和现象;测量带宽和精度高;使用光纤传输信号,可以有效地防止电磁干扰;其输出可以方便地与计算机接口。

发达国家在60年代就开始了O C T 的研究。

到80年代末期和90年代初期已初具商品使用价值。

ABB 公司在这方面的研究取得了很大的进展。

目前,ABB 公司不仅有72.5～800kV 的交流数字光电式O C T ,而且有直流数字光电式O C T ,并在多个地区挂网运行。

在我国,清华大学和华中理工大学研制的光电式电流互感器也分别于1991年和1993年挂网运行[2]。

1　光纤电流互感器的分类光纤电流互感器主要分为以下2类:(1)全光式光电电流互感器(MO C T )。

因为MO C T 在高压侧不需要电源供电,所以也称为无源收稿日期:2002-07-22作者简介:方志(1977-),男,西安交通大学博士生,从事互感器和光电测量的应用研究。

邱毓昌(1934-),男,西安交通大学教授,博士生导师,I EEE 高级会员,从事高电压技术与气体放电应用等方面的研究。

・24・第23卷　第12期2002年12月电　力　建　设Elect ric Powe r Const ructionV ol.23　N o.12Dec ,2002　型O C T 。

(2)混合式光电电流互感器(HO C T )。

HO C T 在高压部分没有光学元件,只是采用了有源电子线路,利用光纤的耐高压特性,把光纤仅作为信号传输通道来研制光电式电流互感器。

由于光纤的主要成分是二氧化硅(SiO 2),它具有耐高压等特性,将光纤用于信号的传输,使得电流互感器无论从重量上还是从体积上都有很大的改善。

由于HO C T 在高压侧是需要电源供电的,所以也称为有源型O C T 。

2　MOCT2.1　MOCT 的原理MO C T 的工作原理为普遍采用的法拉第磁光效应。

当一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时,线偏振光的偏振面就会线性随着平行于光线方向的磁场的大小发生旋转。

通过测量载流导体周围线性偏振光偏振面的旋转角度,就可间接地测量出导体中的电流值。

图1　法拉弟磁光效应原理图如图1所示,θ为线偏振光偏振面的旋转角度,H 为光路上的磁场强度,J 、E 为对应于各部分光的光强及其电矢量,磁光效应可表示为:θ=V ∫Hd l (1)式中　V ———磁光材料的Ve rdet 常数; l ———磁光材料中的通光路径。

对闭环式MO C T ,因光路闭合,有:θ=V ∮Hd l (2)由安培环路定律可得:θ=VI (3)式中I ———载流导体中的电流。

设起偏器的输出光强为J i ,起偏器与检偏器的夹角为φ,检偏器的输出光强为J 0,由马吕定律可得如下关系:J 0=αJ i cos 2(φ+θ)=αJ i 2[1+cos (2φ+2θ)]=αJ i 2[1+cos 2φ]-αJ i2si n (2φ)・2θ+ΔJ 0(4)式中　α———光路中的光强衰减系数; ΔJ 0———2θ的高阶项。

设J dc =αJ i 2[1+cos 2φ]J ac =-αJ i2si n (2φ)・2θ,其中J ac 为交流分量,它包含了电流信息。

为了消除光强大小的影响,将它除以直流分量J dc 得到:J acJ dc=-ta n φ・2θ(5)当φ=45°时,对应于(4)式对θ最灵敏,动态范围最大。

对于闭环式MO C T ,由(3)式和(5)式有:I =-J ac2J dc ・Vta n φ(6)(6)式右边的J ac 、J dc 可由光电转换测定,其他为常数。

因此,只要测定J ac 、J dc 就可测出载流导体中的电流。

图2为ABB 公司生产的MO C T 的结构示意图。

整个系统由3部分组成:光发射部分、光路部分和光接收部分。

其工作原理是:L ED 发出的光信号经过光纤传送到高电位的光学传感器中,在导体被测电流产生的磁场作用下,使线性偏振光的偏振平面发生偏转,线性偏振光经过检偏器转换成含有偏转角度信息的光强度信号,再经过光纤传送到低电位的接收部分,通过光电转换变为电信号,再把这个电信号进行一定的处理,得到被测电流。

图2　MOCT 的结构示意图2.2　MOCT 的主要研究问题虽然MO C T 已经达到实用化的程度,但是要取代传统的C T 它还存在一些问题。

主要问题有以下4个方面:(1)双折射效应的影响。

双折射效应对MO C T 的影响主要是使入射到磁光材料的线性偏振光变成椭圆偏振光,从而使检偏器的输出光强度变化不与被测电流成正比。

这大大影响了MO C T 的灵敏度和测量精度。

目前,关于双折射问题的研究很多,但都是针对某一种类型的MO C T 。

对于通用的MO C T ,至今还没有找到实用的解决方法,仍需继续・34・第12期光纤电流互感器的发展进行研究。

(2)干扰问题。

在测量的过程中,由于MO C T 采用的是磁光效应的原理,因而它所测的导体就会受到导体周围的磁场的影响而产生干扰问题,进而造成一定的测量误差而影响测量结果。

(3)温度的影响。

MO C T 的重要部件是Fa ra dy 晶体,而晶体的特性随温度的变化会有一些变化,从而给测量系统带来一定的误差。

(4)振动问题。

当测量的光学系统受到干扰时,就会产生振动。

振动产生的主要原因有电路的开关动作、环境或人为干扰等。

3　H OCT3.1　H OCT 的原理HO C T 是利用空心线圈或带铁芯的线圈采样电流信号,然后通过光纤把采样到的信号传送到低压侧的数据处理系统。

由于带铁芯的线圈的固有缺点,所以现在通常采用空心Rogows ki 线圈作为电流采样线圈。

由于没有铁芯,不存在铁磁饱和问题,测量范围几乎不受限制,这种传感器可达到0.1%的测量精度。

图3　R ogow ski 线圈图3为Rogows ki 线圈的结构示意图,整个线圈均匀地绕在一个非磁性材料的骨架上,线圈的总匝数为N ,线圈的横截面积为A ,被测电流从线圈中心穿过,由电磁感应在二次线圈中得到电压信号。

通过线圈的电流在线圈上感应的电动势和导体中流过电流的变化率成正比,即:E =Hd i d t(7)式中,H =4π×10-7NA 为线圈的灵敏度。

如果线圈的输出和一个积分器连接,则积分器的输出就和所要测量的电流成正比。

理论证明:只要线圈绕制均匀,则无论母线位于环形线圈内任何位置,互感系数始终是一个常数,空心环形线圈的感应电动势反映穿心母线电流大小。