光电电流、电压互感器的原理

1、光电电流、电压互感器的原理关键词：光电电流互感器、光电电压互感器、法拉第磁光效应、光的干涉、偏振光、双折射、普克尔效应前言为适应输变电系统运行的可靠性、稳左性的需要及向大容量、数字化保护、控制的发展。 国内外许多企业、髙校、研究机构花费大量的资金、人力研究把光学技术应用于电力工业。自上世纪70年代日本、美国、法国、前苏联研究光电式互感器。光电式互感器的工作 原理与传统的电磁式互感器是完全不同的。光电式互感器的动态测量范用广、体积小、重量 轻，不存在饱和现象，绝缘结构简单，抗电磁干扰性能好此外光电互感器的一个探头的信 号通过信号处理可以得到测量与继电保护用的信号。测量用的信号要求髙的准确度，继电

2、保 护用的信号要求高的频率响应，现在信号处理系统完全可以作到。（1）日本早在上世纪80年代已经用光电互感器解决三相一体化气体绝缘装置（GIS）的小 型化问题。日本关西电力公司与电新电机公司在住友电气公司的协作下通过采用BSO元件 （钮硅氧化物）在84kV气体绝缘开关装巻（GIS）中采用了光电电流、电压互感器，进行 长期的带电试验。（2）在上世纪90年代美国的Tennessee Valley Authority与West-inghouse Electric Corporation在实际运行条件下成功地采用光电电流互感器进行髙准确度测量及快 速的继电保护任务。我国的淸华大学、华中理工大学、上海科技

3、大学也开展这个领域的研究工作。清华大学 的光电电流互感器作为国家'八五科技攻关项目得出阶段性的成果。华中理工大学研制的 光电电流互感器已于1993年12月在广东新会市大泽变电所HOkV电网上试运行。虽然经过几十年的研究，但是光电式互感器的商品化程度不高。究其原因输变电设备的 环境恶劣、环境的温度变化大，但是光电互感器的测量精度受环境温度的影响较大，为保证 测量的准确、运行可靠需要采取各种措施减低温度变化对光电互感器性能的影响。有些方案 在实验室中可行到现场实施有困难。此外，批量制造的工艺尚不成熟。随着光学技术、微电 子技术、激光技术、光通讯技术的发展光电互感器的研究有较大的进展。目前我

4、国有多条输 电线路采用国外的光电互感器作为计虽及继电保护的装宜。一、光纤式电流互感器1、工作原理原理图如图所示。是基于单模光纤的法拉第（Faraday）磁光效应。即偏振光通 过位于磁场中的单模光纤时光的偏振而会发生旋转。其旋转角与磁场强度H、 光在磁场中通过的路程L、磁场强度的方向与光传播的方向之间的夹角、光 纤材料的费尔徳常数（Verdet）o旋转角的讣算公式：0 =V J H dl(1)L设被测的电流i通过被单模光纤缠绕的金属导体，单模光纤绕金属导体N 匝。每匝光纤是封闭的回路，根据全电流定律有：e =v O dT=V N ii二 e/V/N由于V、N是常数电流i与旋转角0成线性关系，测岀

5、旋转角0就可以计 算被测电流i .2、测量旋转角0的原理如下：检测通过测试系统的线偏振光的光强的变化可以测出偏转角0。图中，光 源(激光器或LED) 1发岀光强稳立的单色非偏振光朿。光朿经过起偏器2后变成光强稳左 的线偏振光。通过准直透镜3后，线偏振光导入光纤4。线偏振光通过处于磁场中的单模光 纤后偏振而发生旋转(该磁场由被测电流i产生)，旋转角的大小为0。由光纤出射的偏振 光经过准直透镜6后进入检偏器7,检偏器与起偏器之间的偏振之间的夹角为"，由检偏器 出射的光朿被光电接收器接收，光束的光强转换成光电流。该光电流的信号包含旋转角()的 信息。光电接收器接收的光强为：j=jo cos

6、 (-e) cos (i)-e)J=Jo （1+Sin 2 0）/2因o值很小所以可以认为Sin 2 o =2 oJ=Jo （1+ 29 ） /2考虑光学系统的光损耗a：J=a Jo - （1+ 2 9 ） /2J值由两部分组成：a Jo :是直流分疑2a Jo 2 6:是交流分量2将光电探测器输岀的光电流的交流分量除以直流分量即可汁算岀偏转角（） 的值。a Jo 2 94-a Jo =2 92 2目前的电子技术是很容易处理上述信号，求岀偏转角0。3、设计需要注意的问题（1）光源的光强要稳左，光强不应受环境的影响。光源发出的应是单色光，因为Verdet常数与光的波长有关。（2）单模光纤由于存在

7、机械应力从而产生双折射，光纤的双折射将也会引起光束的偏振而的偏转。这种附加的偏转引尼测量的误差。此外当环境的温度 发生变化时，光纤的应力也会发生变化，导致双折射的变化、最终使得所 测出的0角与被测的电流之间产生误差。这是该系统存在的致命缺陷。为 了改进需要采用双折射很小的保偏光纤、或髙圆双折射、椭圆双折射光纤。 这种光纤制作复杂、价格昂贵、稳定性差。（3）结构上要使起偏器与检偏器的偏振方向之间的夹角保持一致，夹角为45° ,使得系统的灵敏度最大（在同样匝数的光纤条件下）。（4）该系统的要求光电探测器工作在线性范圉内即输出的光电流与输入的光强成线性关系。（5）由于项中提到的问题该方案只

8、是在实验室中实现电流的测量，无法在户外挂网运行。二、封闭光学玻璃块型电流互感器利用封闭光学玻璃块用绕通电导体来测量电流的方案的测量原理与光纤电流:手地互感器的原理是相同是利用法拉第磁光效应进行电流的测量。1、测量原理图由光源1发出的单色光经准直透镜2、起偏器3形成线偏振光后，进入光环的 一臂4、到达4的端部后反射至另一臂5 ,光束如此传播经过臂6、臂7,由 臂7出射后通过检偏器8、透镜9被光电探测器10接收。由光电探测器输岀 光电流，通过信号处理单元可以测岀光环所用绕的通电导体中通过的电流。光环可由四块光学玻璃胶合成整体或整块光学玻璃加工而成。由全电流泄律偏转角0由以下公式计算：e =v O

9、dT=V i光电流信号的处理及被测电流i的汁算方法同与全光纤的电流互感器。2、传感头设计要考虑的问题光朿经过光环传感头中间将存在6次反射。光在反射面（反射而两边的折 射率不同）上反射后，电矢量的两个相互垂直的分量之间将产生相位差线偏振会变 成椭圆偏振光将降低测量精度。需要对此相位差进行补偿。一般采用有几何补偿， 即使得反射的次数为偶数。此外奇数次反射的电矢量中的平行于入射面的分量在偶 数次反射时成为垂直于入射而的分量。奇数次反射的电矢量中的：垂直于入射而 的分量在偶数次反射时成为平行于入射而的分量。相互垂直的两个分量经过偶次反 射后相位差相同。从传感头输出的光朿的这两个分量的相位差为零。玻碉的

10、材料应选择双折射小、内应力小。全光纤电流互感器中温度对测量 精度的影响在光环传感头中同样存在。但是，对玻璃材料而言温度变化引起的双折 射较全光纤小，同时对晶体而言存在着一个特征方向，当光束沿该特征方向入射时 温度变化对光环传感头的双折射的影响大大减小。（3）选择Verdet常数较大的材料。（4）当采用胶合的方法制造的光环传感头，光学胶的折射率应与光学材料接 近，对光环传感头的密封性要好，以免湿气对光学胶的影响。光环传感头的加工要求很髙使得成本大为提高。3、光环传感头的样机尽管光环传感头的加工难度较大，但是在光学加工的工厂还是可以加工出来。 列外英抗干扰性强、磁场利用率高、温度的影响较小，前期的

11、光电电流互感器 大多采用光环传感头式的电流互感器。我国华中理工大学在广东新会挂网的光 电电流互感器采用该方案。1*三、光纤干涉式光电电流互感器1、光的干涉依据光的波动理论，设两朿振动方向相同、波长相同、频率相同的光波的振动 方程为：Si=ai sin( 31+(1)i)=ai sin( 31+2 n di/ X)S?=a2 sin( 31+ <1)2)=a? sin( 31+2 乳止/ 入 +(I)o)两束光相叠加形成同一周期的合振动：S=Si+S2=A sin( 31+()tg()=(aisin(I)i+ a2sin(I)2)/ (aicos(I)1+ azcos(1> 2)A*

12、A=ai*ai+a2*a2+2aia2Cos( <1)2-(I)i)=ai*ai+a2*a2+2aia2cos (di-d?) 2 肌 / 入 <b 0如果振动的相位差(I)2-(I)1在整个时间内是恒左值，则合振动的总光强随相位差<1)2-(I)1或光程差di-d2的变化而变化，合振动的光强由极小值(aia2)*(ai-a?)变到极大值(ai+a2)* (ai+a?)光波的这种性质称之为干涉。如果两束相干光的振幅相同即ai=a2=aA=2acos (di-d?) :n / 入 +()o/2若 <1>()=0A=2acos(di-d2)兀 / 入当(di-d2)=

13、m X时合振动的光强为A*A=4a*a得到光强的最大值，当(di-d2)= (m+1/2)入时合振动的光强为a*a=o得到光强的最小值，m为正整数干涉的图案为明暗相间的条纹，两个条纹之间的光程差（相位差）为光波的波长入或相位差为兀。2、光纤干涉电流测疑原理测量原理如下：被测电流通过导体（母线），在导体外套有一个儒可夫斯基线圈，线圈的两岀 线端接于电致伸缩晶体，在晶体上绕有单模光纤。当电致伸缩晶体的轴向两端 施加电压时晶体径向的尺寸将发生变化，径向的尺寸变化与所施加的电压大小 成比例。电致伸缩晶体径向的尺寸变化导致缠绕英上的光纤长度的变化，引起 光纤中转播的光束的光程的变化。利用上述的变化关系可

14、以测出通过导体的电 流。传感头的原理图如下：激光器作为入射光的光源，其所发岀的光是单色光。激光器发出的光经过单 模光纤进入耦合器/分朿器分别进入测试臂光纤绕组及参考臂光纤绕组，测试臂 光纤绕组绕于圆柱形电致伸缩晶体上，圆柱形电致伸缩晶体的两个电极分别接 于儒可夫斯基线圈的两输岀端，儒可夫斯基线圈套于通电导体母线）夕卜。当导 体中通过电流时在儒可夫斯基线圈的输出端产生电势V,电势的大小比例于导 体中通过的电流i。V * i电势V施加到圆柱形电致伸缩晶体的两个电极上引起圆柱形电致伸缩晶体 径向尺寸的变化DD 8 VL的变化引起测试臂光纤的长度变化L,引起光程的变化L 8 D参考臂的光纤长度未发生变

15、化，因此当测试臂光纤岀射的光与参考臂出射的 光通过耦合器/分束器8叠加时在8处产生干涉。产生干涉的光出射后被光电探测接收，经 过信号处理单元处理后，可以计算岀被测的电流i 。3、系统的优点随着光通讯技术的发展，激光器、单模光纤、耦合器/分束器等光学元件的发展 非常迅速，因此系统中用到的光学元件在市场上可以方便地买到。儒可夫斯基线圈是没有磁性材料，不存在磁饱和现象。儒可夫斯基线圈输出的电 势与通过母线的电流成比例，线性度好。干涉图形是明暗相间的条纹，光强的变化是周期函数，信号处理方便。由于温度变化引起的的光程差的变化对于参考臂、测试臂是相同的，因此互相可 以抵消。结构简单4、需要解决的问题儒可夫

16、斯基线圈输出的电势受到英几何尺寸的影响，而温度的变化将影响到儒 可夫斯基线圈的几何尺寸。因此，要考虑温度的补偿问题。（2）测试臂上的光纤与圆柱形电致伸缩晶体热膨胀系数应接近以免由于热膨胀系数 的不一致引起测量渓差。四、五、干涉法光电电压互感器干涉法测量电流的方法同样可以用于测量电压。测量的原理图如下：设高压母线对地的被测电压为V。圆柱形电致伸缩晶体及其两个电极之间形成一电 容，设英电容量为Cl,圆柱形电致伸缩晶体的低压端与地之间串连一个电容（电 容的电感应为0）,电容量为C2。加在圆柱形电致伸缩晶体两极的电压为：V)=C2*V/ (C)+C2)标左出 C2/ (Cl+C2)测岀Vi可以计算岀被

17、测电压V值。Vi值可以直接由测量的光程差中计算 出。六、利用普克尔效应的光电电压互感器1、普克尔效应某些务向同性的晶体在电场的作用下会产生双折射现象，即沿晶体的不同晶轴 的光的折射率产生差异。因而，使得光沿不同的晶轴传播的速度不同，产生光 程差，而折射率之差与电场强度成正比。晶体的这种效应称之为普克尔效应。2、光电电压互感器的工作原理光电电压互感器就是通过测量普克尔效应产生的双折射所造成的相位差，讣算 出电场强度即彼测的电压值。其原理图如下：光源1发出一朿光，经透镜2、起偏器3成为线偏振光，其偏振方向与普克尔 晶体4的两个相互垂直的光轴X、Y成45° o普克尔晶体元件的厚度为L,施

18、加电压两而的距离为血并施加电压为V,线偏振光通过上述普克尔晶体元件 在X、Y轴上的分量产生相位差丫。Y =2 兀 *no*no*no* Y 22*L*V/ 入 /dY : x、y轴上分量的相位差：no：普克尔晶体元件的正常折射率丫22：普克尔晶体元件的普克尔系数(enW)入：波长(cm)L：光通过普克尔晶体元件的几何路程(cm)d :施加电压V两极板之间的距离（cm）v/d :施加的电场强度（V/cm）由普克尔晶体元件出射光经过1/4波片5后相位差为丫 +肌/2。由1/4波片出射的光经过振动方向与起偏器的振动方向垂直的检偏器6后被光电 探测器8接收，把光信号转换成电信号，经过信号处理单元可以计算岀通过普克尔 晶体元件后的相位差，也同时计算出被施加的电压值即被测的电压值。普克尔晶体可以采用LiNbO3（規酸锂