《光电式互感器》ppt课件

1、第四节第四节 光电式互感器光电式互感器l一种新型的互感器，他们利用半导体集成一种新型的互感器，他们利用半导体集成电路技术、激光技术、光纤传输技术开发电路技术、激光技术、光纤传输技术开发研制出了光电式电流互感器研制出了光电式电流互感器OCT和光和光电式电压互感器电式电压互感器OVT以及组合式光电以及组合式光电互感器互感器OMU。 光电式互感器的优点光电式互感器的优点具有传统式互感器不可比较的优点：具有传统式互感器不可比较的优点：体积小，分量轻；体积小，分量轻；无铁心、不存在磁饱和和铁磁谐振问题；无铁心、不存在磁饱和和铁磁谐振问题；暂态呼应范围大，频率呼应宽；暂态呼应范围大，频率呼应宽；抗电磁干扰

2、性能佳；抗电磁干扰性能佳；无油化构造，绝缘可靠、价钱低；无油化构造，绝缘可靠、价钱低；便于向数字化、微机化开展。便于向数字化、微机化开展。光电式互感器的普通构造光电式互感器的普通构造光电式互感器的普通构造光电式互感器的普通构造 v包括一次传感器及变换器、传输系统、二次变换包括一次传感器及变换器、传输系统、二次变换器及合并单元。器及合并单元。v二次输出分模拟量和数字量两类。二次输出分模拟量和数字量两类。 v数字输出普通是经合并单元将多个传感器的采样数字输出普通是经合并单元将多个传感器的采样量合并变为数字量输出。量合并变为数字量输出。v一个合并单元最多可输入一个合并单元最多可输入7 7个电流传感器

3、和个电流传感器和5 5个电个电压传感器的采样量。压传感器的采样量。v供应丈量和继电维护的数字量普通分别输出。供应丈量和继电维护的数字量普通分别输出。 光电式电流互感器的二次输出光电式电流互感器的二次输出l光电式电流互感器模拟量输出为二次电压，其光电式电流互感器模拟量输出为二次电压，其额定值的规范值以方均根值额定值的规范值以方均根值U U表示为：表示为：22.5mV22.5mV、150mV150mV、200mV200mV、225mV225mV、4V4V。l其中，额定二次电压其中，额定二次电压4V4V仅用于丈量目的。额定仅用于丈量目的。额定负荷的规范值以电阻表示为：负荷的规范值以电阻表示为：2k2

4、k、20 k20 k、2M2M。 光电式电压互感器的二次输出光电式电压互感器的二次输出l光电式电压互感器模拟量输出二次电压额定值光电式电压互感器模拟量输出二次电压额定值以方均根值以方均根值U U表示为：表示为：1.625V1.625V、3.25V3.25V、6 65V5V、100V100V。l输出容量当二次电压小于输出容量当二次电压小于10V10V时，以时，以VAVA表示的规表示的规范值为范值为0.0010.001、0.010.01、0.10.1、0.50.5。当二次电压大。当二次电压大于于10V10V时，以时，以VAVA表示的规范值为表示的规范值为1 1、2.52.5、5 5、1010、15

5、15、2525、3030。光电式电压互感器的数字量输出光电式电压互感器的数字量输出 光电式互感器的数字量输出：IEC60044-8规定由串行、单向、一发多收、点对点链路送出。发信的是合并单元，收信的能够有维护、丈量仪表、监控单元及过程总线等。 2.4.12.4.1光电式电流互感器光电式电流互感器OCTOCT光电式电流互感器开展到本世纪末，其原理与构造普遍集中到有源型、无源型及全光纤型三类。 一、有源型光电电流互感器一、有源型光电电流互感器 l高压侧电流信号经过采样线圈将电信号传高压侧电流信号经过采样线圈将电信号传送给发光元件而变成光信号，再由光纤传送给发光元件而变成光信号，再由光纤传送到低电位

6、侧，进展逆变换成电信号后放送到低电位侧，进展逆变换成电信号后放大输出。大输出。l高压侧电子器件的电源来源于光供电方式、高压侧电子器件的电源来源于光供电方式、母线电流供电方式、电池供电方式以及超母线电流供电方式、电池供电方式以及超声电源供电方式。声电源供电方式。 有源型光电电流互感器方框图和原理图有源型光电电流互感器方框图和原理图有源型光电电流互感器任务原理有源型光电电流互感器任务原理l高压区信号的处置：高压区信号的处置：l 被测高压电流信号经过传感头被测高压电流信号经过传感头RogowskiRogowski线线圈变换为适当的电信号；再把电信号输入调圈变换为适当的电信号；再把电信号输入调制器，用

7、调制器的输出去驱动光源发光二极制器，用调制器的输出去驱动光源发光二极管管LEDLED，以便用数字方法调制造为载波的光波。，以便用数字方法调制造为载波的光波。在光源处实现电在光源处实现电光变换，把电信号变为携带光变换，把电信号变为携带信息的光信号。光信号经过传输媒介光纤传到信息的光信号。光信号经过传输媒介光纤传到接受部分。接受部分。 有源型光电电流互感器任务原理有源型光电电流互感器任务原理l低压区信号的处置：低压区信号的处置：l 在低压区的接纳部分是一个信号解调电路，它在低压区的接纳部分是一个信号解调电路，它先由光电探测器先由光电探测器PIN光电二极管实现光光电二极管实现光电电转换，把携带信息的

8、光信号变为电信号。然后转换，把携带信息的光信号变为电信号。然后把光电探测器输出的信号经过前级放大后再进把光电探测器输出的信号经过前级放大后再进展解调，然后一路送入展解调，然后一路送入D/A转换器进展模拟信号转换器进展模拟信号的复原，另一路直接送入计算机或数字信号处的复原，另一路直接送入计算机或数字信号处置器件进展信号的处置和计算，并采用软件方置器件进展信号的处置和计算，并采用软件方法对信号进展误差矫正。法对信号进展误差矫正。 有源型光电电流互感器的传感头有源型光电电流互感器的传感头l不是光学元件，而是采用不是光学元件，而是采用空心线圈即空心线圈即RogowskiRogowski线线圈。圈。l任

9、务原理仍基于电磁感应任务原理仍基于电磁感应原理，但与常规电磁互感原理，但与常规电磁互感器不同，它的线圈骨架为器不同，它的线圈骨架为一非磁性资料。一非磁性资料。有源型光电电流互感器的传感头有源型光电电流互感器的传感头l它的感应输出为：它的感应输出为： l其中其中 N N，S S分别为小线圈匝数、截面积；分别为小线圈匝数、截面积；L L为线为线圈骨架周长；圈骨架周长；00为真空磁导率；为真空磁导率； I I为被测电流。为被测电流。l对线圈输出进展模拟或数字积分处置，那么其对线圈输出进展模拟或数字积分处置，那么其输出为：输出为：l lViVi直接反映了被测电流直接反映了被测电流I I的大小，经过丈量

10、的大小，经过丈量ViVi，即可测得被测电流即可测得被测电流I I。二、无源型光电电流互感器二、无源型光电电流互感器 无源型光电电流互感器的特点是：无源型光电电流互感器的特点是：整个系统的线性度比较好，灵敏度可以做得整个系统的线性度比较好，灵敏度可以做得较高；绝缘性能好。较高；绝缘性能好。它的缺陷是精度和稳定性易受温度、振动的它的缺陷是精度和稳定性易受温度、振动的影响。影响。 法拉第磁光效应的根本原理法拉第磁光效应的根本原理l当一束线偏振光经过当一束线偏振光经过置于磁场中的磁光资置于磁场中的磁光资料时，线偏振光的偏料时，线偏振光的偏振面就会线性地随着振面就会线性地随着平行于光线方向的磁平行于光线

11、方向的磁场大小发生旋转；场大小发生旋转；l经过丈量通流导体周经过丈量通流导体周围线偏振光偏振面的围线偏振光偏振面的变化，就可间接地丈变化，就可间接地丈量出导体中的电流值。量出导体中的电流值。 法拉第磁光效应的根本原理法拉第磁光效应的根本原理 l用算式表示为：用算式表示为：l式中式中 线偏振光偏振面的旋转角度；线偏振光偏振面的旋转角度；l V V磁光资料的维尔德磁光资料的维尔德verdetverdet常数；常数；l L L磁光资料中的通光途径；磁光资料中的通光途径； l H H电流电流I I在光路上产生的磁场强度。在光路上产生的磁场强度。法拉第磁光效应的根本原理法拉第磁光效应的根本原理l上式右边

12、的积分只跟电流上式右边的积分只跟电流I I及磁光资料中的通光途径与及磁光资料中的通光途径与通流导体的相对位置有关，故式可表示为：通流导体的相对位置有关，故式可表示为：l l 式中式中K K为只跟磁光资料中的通光途径和通流导体的相为只跟磁光资料中的通光途径和通流导体的相对位置有关的常数，当通光途径为围绕通流导体对位置有关的常数，当通光途径为围绕通流导体1 1周时，周时， K=1K=1。只需测定。只需测定的大小就可测出通流导体中的电流。的大小就可测出通流导体中的电流。l 闭环式块状玻璃传感头原理图闭环式块状玻璃传感头原理图 改良后的双正交反射方案改良后的双正交反射方案 磁光式无源型光电电流互感器原

13、理图磁光式无源型光电电流互感器原理图 全光纤型光电电流互感器全光纤型光电电流互感器 l全光纤型光电电流互感器全光纤型光电电流互感器为无源型，传感头由光纤为无源型，传感头由光纤本身制成。本身制成。l优点是传感头构造最简单，优点是传感头构造最简单，比无源型易于制造，精度比无源型易于制造，精度及寿命与可靠性比无源型及寿命与可靠性比无源型要高。要高。 l缺陷是光纤是保偏光纤，缺陷是光纤是保偏光纤，比普通光纤特殊，要做出比普通光纤特殊，要做出有高稳定性的光纤很困难，有高稳定性的光纤很困难，且造价昂贵。且造价昂贵。 2.4.2 2.4.2 光电式电压互感器光电式电压互感器OVTOVT一、光电式电压互感器一

14、、光电式电压互感器OVTOVT的根本原理的根本原理 光电式电压互感器光电式电压互感器OVTOVT的根本原理主的根本原理主要分为：要分为：基于电光效应基于电光效应基于逆压电效应基于逆压电效应基于分压效应基于分压效应 1.1.基于电光效应的电压互感器基于电光效应的电压互感器 光学的电光效应Pockels效应: 某些晶体在没有外电场作用时，其各向同性，光率体为一圆柱体。在外电场作用下，导致其入射光折射率改动，这种折射率的变化将使某一方向入射晶体的偏振光产生的电光相位延迟，且延迟量与外加电场强度成正比。 其表达式为： n入射光的折射率；E 外加电场强度；K常数。 丈量光的折射率任务原理图丈量光的折射率

15、任务原理图丈量光的折射率丈量光的折射率 l通常是经过干涉法进展间接丈量通常是经过干涉法进展间接丈量l其根本构造主要由传感头、信号其根本构造主要由传感头、信号传输光纤和丈量系统组成传输光纤和丈量系统组成 BGOBGO光纤电压传感头的任务原理和构造光纤电压传感头的任务原理和构造 BGOBGO光纤电压传感头的任务原理和构造光纤电压传感头的任务原理和构造v它由起偏器、它由起偏器、l l44波长片、波长片、BGOBGO晶体、检偏器晶体、检偏器构成。构成。v光纤传输的自然光经透镜准直，由起偏器变成光纤传输的自然光经透镜准直，由起偏器变成线偏振光。经线偏振光。经l l44波片将偏振光再变成圆偏波片将偏振光再

16、变成圆偏振光。由于加在振光。由于加在BGOBGO晶体上的电压或电场的作用，晶体上的电压或电场的作用，这个圆偏振光又变成椭圆偏振光，经检偏器检这个圆偏振光又变成椭圆偏振光，经检偏器检偏后的光信号，其调制度相当于交流电压或电偏后的光信号，其调制度相当于交流电压或电场。因此，加在场。因此，加在BGOBGO上的电信号就可以经过检测上的电信号就可以经过检测光信号来丈量。光信号来丈量。 2 2基于逆压电效应的电压互感器基于逆压电效应的电压互感器l逆压电效应逆压电效应 ：当压电晶体遭到外加电场作用时，：当压电晶体遭到外加电场作用时，晶体除了产生极化景象外，同时外形也产生微晶体除了产生极化景象外，同时外形也产

17、生微小变化即产生应变。小变化即产生应变。l利用逆压电效应引起晶体形变转化为光信号的利用逆压电效应引起晶体形变转化为光信号的调制并检测光信号，那么可以实现电场或电调制并检测光信号，那么可以实现电场或电压的光学传感。压的光学传感。 逆压电效应的电压互感器构造原理逆压电效应的电压互感器构造原理逆压电效应的电压互感器的特点逆压电效应的电压互感器的特点l采用石英晶体作为敏感器件，晶体圆柱外表缠绕椭圆芯采用石英晶体作为敏感器件，晶体圆柱外表缠绕椭圆芯双模光纤。双模光纤。l当交流电压施加在晶体上时，引起晶体的交变形变，这当交流电压施加在晶体上时，引起晶体的交变形变，这种形变由椭圆形双模光纤感知，光纤的两种空

18、间方式在种形变由椭圆形双模光纤感知，光纤的两种空间方式在传播中将经过调制的光学相位差经过弱相关干涉法丈量传播中将经过调制的光学相位差经过弱相关干涉法丈量得到。得到。l除了石英晶体外，这种传感器是一种不需求类似准直仪、除了石英晶体外，这种传感器是一种不需求类似准直仪、起偏器、波片等光学分别元件的全光纤传感器。起偏器、波片等光学分别元件的全光纤传感器。l具有较低的复杂性，且本钱低。具有较低的复杂性，且本钱低。 3 3基于分压效应的电压互感器基于分压效应的电压互感器l母线电压经电容器串联而母线电压经电容器串联而获得分压，经传感器的获得分压，经传感器的PockelsPockels晶体，把电信号晶体，把电信号转换为光信号，光信号由转换为光信号，光信号由光纤传送到信号处置器，光纤传送到信号处置器，把光