光学电流互感器的研究方向与现状

1、34第24卷第2期2008年3月电力科学与工程Electric Power Science and Engineering Vol.24, No.2Mar., 2008光学电流互感器的研究方向与现状王晓菁(华北电力大学电子与通信工程系，河北保定071003摘要：简述了光学电流互感器采用的Faraday 磁光效应原理，介绍了影响光学电流互感器发展的主要难题，并指出光学电流互感器未来的两个研究方向，即寻找理想的磁光材料和简化光路结构，以及在这两方面的进展情况。关键词：光学电流互感器；法拉第磁光效应；磁光材料；光路结构中图分类号：TM452+. 93文献标识码：A0引言透明物质中光与磁场发生作用的长

2、度及材料的性质有关。如图1所示。光源法拉第材料H起偏器检偏器光探测器电流测量是电力系统运行的基本条件，从发变电到控制保护，无不出现对电流量值的要求，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。但随着电力系统传输的电力容量越来越大，电压等级提高到超高压、甚高压，传统的电流互感器暴露出一系列缺点：绝缘结构复杂、磁饱和、铁磁谐振、有油易燃易爆炸、动态范围小等，这些导致老式互感器已难以满足需求1,2。科技发达的国家早已把注意力集中到了光学传感技术。与传统的电流互感器相比，光学电流互感器具有绝缘性能优良、无暂态磁饱和、动态测量范围大、频率响应宽、抗电磁干扰能力强、体积小重量轻、易与数字设备接

3、口等优点。由于块状光学电流互感器的精度和稳定性高，它已成为当今国内发展的主流。本文就将介绍光学电流互感器的发展现状3,4。光纤光纤图1法拉第效应原理图其中，旋转角度=式中通光路径；由于磁场强度(1为磁光材料中的0为磁导率。、磁光材料中的通光路径及通流导体的相对位置有关，故上式可表示为：ΪֻÏà¶ÔλÖÃÓÐÓë´Å¹ØµÄ¹â³£&

4、#178;ÄÁÏÊý£¬ÖеĹÊֻͨҪ¹â·²â¶¨¾¶¼°Í¨Á÷µ¼ÌåµÄ1光学电流互感器的工作原理目前所提出的各种光学电流互感器，普遍利用法拉第磁光效应进行测量：在磁光材

5、料中，外加磁场可以使在介质中沿磁场方向传播的线偏振光的偏振面发生旋转。旋转的角度与磁场强度的大小和在收稿日期：2007-08-28. 作者简介：王晓菁(1980 , 女, 华北电力大学电子与通信工程系硕士研究生.第2期王晓菁光学电流互感器的研究方向与现状35温度源的影响5：一是缓慢变化的空间上均匀分布的环境温度；二是变化复杂的空间上分布不均匀的温度。在均匀温度场中，传感头中传播的光路径会因此发生变化，进而使得光功率变化。对于这种影响可采用适当的数据处理方法来应对。在非均匀温度场中，光学器件之间发生非均匀的热膨胀，从而使之产生内应力，引起附加温度应力双折射，直接影响线偏振光的偏转角，导致难以消除

6、的测量误差。磁光材料中的双折射可分为三部分：(1 与玻璃制造过程热历史有关的双折射。对于光学玻璃，其退火控制一般比较好，经过退火后光学玻璃的内在双折射极小，此部分影响可不作考虑。(2 与传感头组装应力有关的应力双折射。如采用黏接固定的方法就不可避免地存在应力，从而引起双折射。可以设计一种低应力组装方法，这样可使传感头抗热冲击能力增强并具有自恢复能力。(3 与环境温度变化有关的暂态双折射。实验表明，温度单调变化大于78/h的时候，对应于环境变化引起的暂态双折射的光强值变化很大，严重影响光学电流互感器的精度及稳定性。温度变化引起的双折射影响是随机而复杂，所以，暂态双折射是阻碍光学电流互感器发展的关

7、键难题。2.2长期运行稳定性磁光玻璃的Verdet 常数、LED 或LD 以及PIN 的灵敏度等都可能受到外界气候条件的影响。OCT 出现运行稳定性问题的另一原因是：传感头部分光程长，光路复杂，目前普遍采用的双层光路的传感结构仅反射面就至少有6个以上。传感器经过较长时间的运行之后，输出光强明显减弱，这些都使得传感头的长期运行稳定性降低6。3OCT 未来的研究方向及进展国内外在抑制暂态双折射方面的研究成果主要有：美国的NxtPhase 公司研制的Sagnac 干涉仪型全光纤电流互感器。但这项技术对光纤材料要求高，不适合在我国开展。另外，华中科技大学引入永磁体提供参考磁场。但是，这一方案中的永磁体

8、将受到故障暂态过程中非周期分量影响。要克服OCT 中的难题，研究方向应主要集中在以下两方面。3.1寻找理想的磁光材料从公式(2 可以看出，为保证传感头的灵敏度，应采用高费尔德常数的新型磁光材料。目前用于光学电流传感器的磁光材料可分为3类7：(1 磁光玻璃。包括光学玻璃、抗磁元素掺杂玻璃和稀土元素掺杂玻璃，即顺磁元素掺杂玻璃。其中稀土元素掺杂玻璃Verdet 常数最大，一般在104rad/(G 5rad/(G£¬YIG及掺杂的YIG 要比使用其它材料厚度小34个数量级。由于法拉第元件在光传播方向厚度的减少，将有助于减少光在法拉第元件中的吸收损耗，提高光输出功率。如我国新研制了

9、一种磁光晶体：BiGd YIG 。试验结果表明在YIG 掺入Gd 可以降低费尔德常数Vd 随温度变化的灵敏性，掺入Bi 可以大大提高费尔德常数Vd ，是一种较为理想的磁光材料。将YIG 薄膜应用于OCT ，浙江大学、华中科技大学、电子科技大学等已开始了这方面的研究8,9，其传感头部分光路图如图2所示。3.2简化光路结构光路长会出现光学电流互感器长期稳定运行性降低的问题， 而光学电流互感器的灵敏度也随之下36电力科学与工程2008年降。当光程较短时，在传感头上由外界环境温度变化而产生的温度梯度也将减少，从而暂态双折射的影响也将减小，所以应尽量减少总光路长度。以往的OCT 大多采用闭环式块状玻璃传

10、感头结构，光路结构复杂，光程长，但文献6在分 析了光学电流互感器为开环机理后，提出了自适应光学电流互感器，了螺线管聚磁光路结构。如图3简单且不用光学胶粘结，路相比，在光路结构上做了大胆的改进。目前这种应用螺线管聚磁光路结构的自适应电流互感器已在河北省保定市供电局的某110kV 的变电站挂网连续运行25个月。简化光路也有可能带来灵敏度降低的问题，所以在磁光材料的选择上应当选用高费尔德常数的磁光材料。但如何做到使光路结构即简单又能实现闭环系统，仍是一个需要探索难题。目前，国内有多家院校及科研单位在开展光学电流互感器的研究工作：华中科技大学与广州番禺电器、广东玮钰科技三方合资成立的广东玮钰光电科技有

11、限公司，从2003年起即在这个领域内不断研发和试制无源光电互感器；哈尔滨工业大学、华北电力大学合作，已开发出无源光电互感器产品10。另外，国电南瑞、国电南自，也在纷纷进行从光电互感器到适于光电产品的二次保护全套技术的研发。国电南自，专门成立南自新宁公司从事光电互感器研发以及二次保护改造工作，并在2005年9月内蒙古电力公司220kV 变电站招标中。2006年12月13日，我国首座220千伏数字化变电站内蒙古杜尔伯特变电站建设成功，并投入生产运行。项目采用的就是南自新宁公司研发的数字化论光学电流互感器因其具有传统电磁式互感器无法比拟的优点，必将成为互感器的发展主流。如何解决OCT 中温度对传感头的影响以及长期稳定运行性问题是决定今后几年光学电流互感器推广速度的重要课题。随着磁光材料学、光电子学等学科的发展