光纤电流互感器原理及应用研究--.doc

精品光纤电流互感器原理及应用研究 光纤电流互感器原理及应用研究【摘 要】光纤电流互感器可分为两大类，一类是光电式电流互感器；另一类则为磁光式电流互感器。分别介绍了这两种光纤电流互感器的原理，并介绍了光纤电流互感器的应用研究现状及发展前景。【关键词】 电磁式电流互感器 光电式电流互感器 磁光式电流互感器 法拉第磁光效应 全光纤型电流互感器 应用 研究【引言】电流互感器是电力系统中进行电能计量和继电保护的重要设备，其精度及可靠性与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关。然而随着电力工业的发展，电力传输系统容量不断增加，运行电压等级也越来越高，目前我国电网的最高电压等级已达500 kV,下一个电压等级也许是750 kV或1000 kV。此时，传统的电磁式电流互感器暴露出一系列严重的缺点 随着电力系统向大容量、高电压的方向发展，对电力设备提出了小型化、自动化、高可靠性的要求。传统的电磁式电流互感器已经越来越不能适应这个发展趋势，因此有必要开发和研制新型的光纤电流互感器。【正文】 1电磁式电流互感器的缺陷 传统的电磁式电流互感器暴露出一系列严重的缺点：电流互感器的绝缘结构将非常复杂，造价也会急剧增加；由于电磁感应式电流互感器所固有的磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、频带窄以及有油易燃易爆等缺点，已难以满足新一代电力系统在线检测、高精度故障诊断、电力数字网等的发展需要。寻求更理想的新型电流互感器已势在必行，目前注意力已集中到光学传感技术，即用光电子学的方法来发展所谓的光纤电流互感器。2光纤是传播信号的良好介质1光纤作为信号传输介质具有以下优点：损耗低、频带宽；重量轻；无电磁感应；绝缘性能好；弯曲性好；价格便宜。由于光纤信号传输的无电磁感应性及其良好的绝缘特性，所以光纤是较好的连接高电压与低电压系统的介质。3 光纤电流互感器 光纤电流互感器是利用电子学、光电子学、光纤传感技术及数字信号处理等现代高科技手段研究成功的一种光、机、电一体化设备，是常规电磁感应式电流互感器（CT）的更新换代产品。与常规CT相比较，它具有体积小、重量轻（只有常规CT重量的1/10）、成本低、抗电磁干扰能力强、不存在磁饱和、磁滞效应、铁磁谐振、易燃易爆及二次侧开路后产生的高电压等问题，还有安装运输方便、维护简单、与现代光通信兼容等优点，是未来我国及世界各国220kV、330kV、500kV以及更高电压等级电力系统中电能计量、继电保护、控制与监视等必不可少的核心部件。 3.1光电式电流互感器(OECT)2传统的电流互感器(TA)是将一次侧电流信号通过电磁感应传到二次侧，而OECT则利用光纤将一次侧的电流信号传输到低压侧的数据处理系统。OECT的具体测量原理如图1所示。对电流采样采用铁心线圈(或空心线圈)，然后将采样来的电流信号进行电光转换，转换后的光信号通过光纤传输到低压侧数据处理系统，低压侧系统利用光电变换器再将光信号转换成相应的电信号，由微机进行处理。光纤在这里既起到高、低压侧的通信联系作用，又起到高、低压侧的隔离作用。这一对矛盾的统一使得其性能优于传统的电磁式电流互感器。 图1OECT原理图光电式电流互感器高压侧的电子电路需要有电源供应才能够正常运行，由于高压侧和低压侧没有电磁联系，因此如何解决高压侧的电源问题是OECT的一个难点。目前解决电源的方法有以下几种：由母线上电流产生的电磁场感应而产生；由低压侧将电能转换为光能，然后通过光纤将能量传输到高压侧；在高压侧用电池解决电源问题。这几种方法各有优缺点，从经济上和系统的易操作性上考虑，应用于测量和保护，第1种方案较佳。3.2磁光式电流互感器(MOCT) 3.2.1 法拉第磁光效应3 图2 法拉第磁光效应原理图采用法拉第磁光效应进行电流测量的原理是磁光材料在外加磁场和光波电场共同作用下产生的非线性极化过程。原理图如图2：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地随着平行于光线方向的磁场大小发生旋转；通过测量通流导体周围线偏振光偏振面的变化，就可间接地测量出导体中的电流值。用算式表示为：(1)式中为线偏振光偏振面的旋转角度；V为磁光材料的Verdet常数；l为磁光材料中的通光路径；H为电流I在光路上产生的磁场强度。由于磁场强度H由电流I产生，式(1)右边的积分只跟电流I及磁光材料中的通光路径与通流导体的相对位置有关，故式(1)可表示为：=VKI (2)式中K为只跟磁光材料中的通光路径和通流导体的相对位置有关的常数，当通光路径为围绕通流导体1周时，K=1，故只要测定的大小就可测出通流导体中的电流。由于目前尚无高精确度测量偏振面旋转的检测器，通常将线偏振光的偏振面角度变化的信息转化为光强变化的信息，然后通过光电探测器将光信号变为电信号，并进行放大、处理，以正确反映最初的电流信息。一般采用检偏器来实现将角度信息转化为光强信息。3.2.2 磁光式电流互感器(MOCT)原理 4 磁光式电流互感器(MOCT)完全有别于传统的电磁式电流互感器，它的基本原理是法拉第磁光效应。光纤在这里既起到高、低压侧的绝缘隔离作用，又起到对电流采样的作用。法拉第效应是指当强电磁场加在某一种材料(例如：玻璃)上时，这种材料会变得具有光学能动性。材料的光学能动性是指当一束偏振光以平行于磁场的方向通过材料时，材料可以将此偏振光偏振平面的方向旋转。自从法拉第发现这个现象以来，很多固态、气态、液态材料都被发现具有法拉第效应。经过实验还发现，偏振光偏振面所旋转的角度同磁场的强度和光在材料中通过的距离有关。其原理图如图3： 图3磁光式电流互感器原理图3.2.3 全光纤型电流互感器（FOCT）全光纤型光电式电流互感器实际也是磁光式电流互感器，只是传感头是光纤本身制成，其余于上述互感器一致。全光纤型光电式电流互感器的优点是传感头结构简单，比无源型易于制造，精度、可靠性要高。缺点是这种互感器的光纤是保偏光纤，比其他两种所采用的光纤品质较高，要制造出稳定性好的光纤很难，工艺要求高，且造价昂贵。其原理图如图4：图4 全光纤型电流互感器原理图4 光纤电流互感器应用及研究现状4.1 光纤电流互感器的应用近年来迅速发展的光纤通信技术、计算机技术、自动控制技术和电力系统光纤传感技术为新一代电网的自动保护、监测和控制提供了很好的技术支持。基于光纤网的电力系统自动保护、监测和控制系统是电网发展的趋势。它用光纤传感的方法获取必要的信息，通过光纤网传输这些数据、命令和其它信息、进入计算机数据处理并监视，然后进行继电保护的控制，从而实现了一整套的自动化功能，这种系统在美国、日本、英国、德国80年代初就已在小型电站用光纤局域网对电站的保护和控制进行了安装实验。日本90年代初实现了电站的数字化通讯、保护和控制，美国、英国、德国等国家也正在大型电网安装和实验这方面的系统。1994年ABB公司推出有源型光电式光纤电流互感器，其电压等级为72.5765kV，额定电流为6006000A。日本除研究500kV、1000kV高压电网计量用的光电式光纤电流互感器外，还进行500kV以下直到6.6kV电压等级的GIS用光电式光纤电流互感器。我国在这方面也取得了一定进展，特别是近几年，在吸收国外经验的基础上，已有部分厂家生产光电式电流互感器。在高压直流输电方面，直流测量用光纤电流互感器较之传统型的电流互感器有更大的优势，其重量仅为同等级的直流电流互感器的1/40，无电磁干扰和铁磁损耗，并与电力自动化系统的网络兼容。例如我国三峡至常州500kV直流输电系统就使用了ABB公司的光电式光纤电流互感器，用于线路的直流电流及谐波电流、交流侧不平衡电流、桥臂电流等的测量。日前哈尔滨工业大学研制的3台光纤电流互感器，6月10日在上海市徐行变电站500kV超高压线路成功投入运行。此举标志着该校目前已经掌握了世界上最高电压等级的光纤电流互感器关键技术。 光纤电流互感器课题自1991年开始研究工作，在国家电网公司的支持下，解决了两个世界难题。该光学互感器具有测量准确化、传输光纤化和输出数字化的优点，是智能电网的理想互感器。课题组研制的光纤电流互感器，通过了国网电科院（武汉）按照国际IEC标准进行的产品型式试验，已有22台光学电流互感器分别在华东电网、华北电网、华中电网和东北电网等4个主导电压等级的输电线路投入运行，稳定可靠。光纤电流互感器可以代替体积大而笨重的传统型电流互感器，并与断路器组合成一体，从而实现设备的小型化、一体化。除了在电网中使用外，光电式电流互感器还可做成类似钳形表式的结构，方便移动，用于测量高压电网中不同地点的电流。也可测量高频电流。近年来，国际上光纤传感器这一高技术领域十分活跃，光纤技术应用于电网电流的测量也日趋成熟。光纤电流互感器的研制，已经从实验室的原理性实验过渡到结合电力工程的实际，有些已经到了现场挂网试验运行的阶段。目前日本、美国、瑞典等国都已将光纤传感器应用于不同等级的变电站，光电式电流互感器的研究以瑞典ABB公司最为突出，他们研制的设备已经用于电站的电流检测与保护；国内光纤电流传感器正处于研制和试用阶段，效果良好。 4.2 光纤电流互感器国内外研究历程及现状 4.2.1 光纤电流互感器国外研究历程及现状80年代美、日、德、英、法、中等国投入光学电流互感器的研究人员大约有150人，近20个课题组。其中成就最突出的是美国，其次是日本。 日本80年代的研究重点是GIS用的MOCT与光学PT、组合式光学零序电流互感器。他们从1981年起，在理论、材料、性能、组装和电子学信号处理等方面进行了系统的研究；也取得了不少成功的挂网运行的经验。尤其是他们在1982年世界上首次获得磁光材料SF6、FR5玻璃、YIG（铁磁体）等磁光材料的温度（-25-80）特性曲线。此后，SF6被认为是MOCT的最好的磁光材料之一。5进入九十年代以来，随着电子技术和计算机技术的不断发展，中大规模集成电路不断推陈出新，低功耗、高精度、高速度的A/D变换器、压控振荡器和信号处理芯片已经可以广泛地应用在工业现场了。因此，近年来，各国也很重视混合式光电电流互感器（Hybrid Optical Current Transformer）的研制工作，混合式光电电流互感器也被称为混合式光纤电流互感器（Eoct-Electronic Optical Current Transformer），这种传感头和磁光式电流互感器的主要区别在于传感头完全是由电子线路组成的。美国的Photonic Power Systems公司已经将这种电流互感器产品化；瑞士的ABB公司、德国的RITZ互感器公司也有同样的产品。经过20多年的努力,人们对全光纤电流互感器的优点及存在的问题已有了正确的认识，进行了较深入的研究，并尝试了许多方法，解决光纤内双折射给互感器带来的不良影响。尽管3M公司声称已研制成功了无偏光纤，但到目前为止还没有见到真正商品化的全光纤电流互感器。然而，全光纤电流互感器是光纤电流测量技术的最终发展趋势。全光纤式的电流互感器，光纤本身就是传感元件，结构比较简单，但光纤线性双折射的问题一直是困扰着它的主要难点；光电混合式的精度受到一定的限制。混合式光纤电流互感器经过三十余年的发展，测量技术逐步成熟，混合式光纤电流互感器作为下一代电流互感器的主流产品，其不可替代的技术优势和价格优势已经凸现出来，随着当前混合式光纤电流互感器的市场化进程，必将带来电力系统测量、保护和监控的革命性变化6。4.2.2 光纤电流互感器国内研究现状国内对于光纤电流互感器的研究起步比较晚，但在总结国内外经验下也取得了很大进展。1、全光纤电流互感器研究基于我国航天近20年军用光纤陀螺技术，在研究总结了国外电子式互感器的运行经验基础上、克服了光学电流互感器实用化过程中稳定性受温度、外磁场、振动、应力双折射等技术难题。我国研制出了敏感元件和传输元件都为光纤的NAE-GL系列全光纤电子式电流互感器，是国际上最新一代基于法拉第磁光效应的全光学电流互感器，与传统互感器相比，绝缘性能好，安全性高, 绿色环保，适应电力计量与保护全面向数字化发展的潮流。NAE-G系列的全光纤电子式电流互感器采用的基于全数字化的闭环控制技术，对各种可能出现的偏差进行校正，真正达到一个完善的自适应控制系统，从原理和实现的手段上保证了电子互感器的精度和动态范围，克服了Rogowski线圈和磁光玻璃等电子式互感器由于开环控制技术带来的准确度和动态范围的稳定性方面的局限性。NAE-G系列全光纤电子互感器的光信号输入输出端在同一点，采用完全互易的同一个光路，即使来自外界的温度变化，振动以及电磁场辐射等因素的干扰，同一光路路径受干扰源的影响出现的误差也会互相抵消，从而提高了产品的稳定性。NAE-G系列光纤电流互感器中敏感元件和传输元件都为光纤，采用成熟的光纤熔融技术连接，不受外界环境温度的影响，真正做到了高压端敏感元件的长期稳定性和免维护，提高了系统的可靠性。由于传统互感器基波外测量精度差，尤其不能测直流，迫使保护装置主要利用基波测量。NAE-G系列全光纤电子式电流互感器不但基波测量准，而且直流及其广泛的各次谐波都能准确测量，可以满足电能计量、电能质量监测、保护控制、故障录波以及电网动态观测等各种应用不断发展的需求。有了准确暂态测量的支撑，以暂态波形或全波形为测量基础的保护原理和方法，将从理论阶段向实用化迈进。2、混合式光纤电流互感器2007年，燕山大学研制出混合式高压光纤电流互感器，其额定电压为110KV，额定电流为1000A，精度为0.2级，体积小，重量轻，全数字化。传感器采用rogowski线圈，具有良好的稳定性和线性度。高压端供能采用光推动方法，工作可靠，结构简单。信号传输采用塑料光纤，具有寿命长，安装方便，可靠性高等优点。测量输出采用微机接口，适应目前电力系统数字化和网络化的现实需要。3、光纤电流互感器电源供应当前，国内对光纤电流互感器的研究还集中于各有源型光纤电流互感器的电源供应问题，目前也取得了巨大的进展。不仅对于光推动电源由于目前激光光源寿命短以及成本高的原因，仅提出了理论解决方案，而且对在线式供能方案提出了理论依据和电路实现。根据电磁感应原理，用线圈直接从高压母线上提取能量，但是母线电流变化范围大，根据安培环路定律，采用补偿方式，将多余的母线电流通过补偿绕组补偿掉，使激磁电流保持不变，各电源绕组感应电势保持相对稳定。补偿绕组的电流大小通过控制电路控制，控制电路的信号通过控制绕组采样于母线。 实验证明，采用这种方法设计的在线式电源，能使混合式光纤电流互感器可靠工作。7目前国内在光纤电流互感器的研究方面，特别是高电压等级上还面临一些问题，如温度和应力引起的双折射现象及其降低方法，长期运行时的稳定性和精度方面还需要更进一步的试验和现场考验。4.3 光纤电流互感器发展前景及意义8 最近国际电工协会已发布电子式电压互感器的标准，以及电子式电流互感器（传感器）的标准的讨论稿。电子式互感器的含义，主要包括光电