各种原理光电式互感器介绍

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）。）。 光电式互感器光电式互感器的优点的优点具有传统式互感器不可比拟的优点具有传统式互感器不可比拟的优点：体积小，重量轻；体积小，重量轻；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；暂态响应范围大，频率响应宽；暂态响应范围大，频

2、率响应宽；抗电磁干扰性能佳；抗电磁干扰性能佳；无油化结构，绝缘可靠、价格低；无油化结构，绝缘可靠、价格低；便于向数字化、微机化发展。便于向数字化、微机化发展。光电式互感器的一般结构光电式互感器的一般结构光电式互感器的一般结构光电式互感器的一般结构 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数字输出一般是经合并单元将多个传感器的采样数字输出一般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

3、入7 7个电流传感器和个电流传感器和5 5个电个电压传感器的采样量。压传感器的采样量。v供给测量和继电保护的数字量一般分别输出。供给测量和继电保护的数字量一般分别输出。 光电式光电式电流电流互感器的二次输出互感器的二次输出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，其额定值的标准值以方均根值额定值的标准值以方均根值U U表示为：表示为：22.522.5mVmV、150mV150mV、200mV200mV、225mV225mV、4V4V。l其中，额定二次电压其中，额定二次电压4 4V V仅用于测量目的。额定仅用于测量目的。额定负荷的标准值以电阻表示为：负荷的标

4、准值以电阻表示为：2 2kk、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：1.6251.625V V、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1010V V时，以时，以VAVA表示的标表示的标准值为准值为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1010V V时，以时，以VAVA表示的标准值为表示的标准值为1 1、2.

5、52.5、5 5、1010、1515、2525、3030。光电式电压互感器的光电式电压互感器的数字量输出数字量输出 l光电式互感器的数字量输出：光电式互感器的数字量输出：IEC60044-8IEC60044-8规定由串行、单向、一发多收、点对点链规定由串行、单向、一发多收、点对点链路送出。路送出。l发信的是合并单元，收信的可能有保护、发信的是合并单元，收信的可能有保护、测量仪表、监控单元及过程总线等。测量仪表、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）l光电式电流互感器发展到本世纪末，其原光电式电流互感器发展到本世纪末，其原理与结构普遍集中到

6、有源型、无源型及全理与结构普遍集中到有源型、无源型及全光纤型三类光纤型三类。 一、有源型光电电流互感器一、有源型光电电流互感器 l高压侧电流信号通过采样线圈将电信号传高压侧电流信号通过采样线圈将电信号传递给发光元件而变成光信号，再由光纤传递给发光元件而变成光信号，再由光纤传递到低电位侧，进行逆变换成电信号后放递到低电位侧，进行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

7、方框图和原理图有源型光电电流互感器工作原理有源型光电电流互感器工作原理l高压区信号的处理：高压区信号的处理： 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线圈）线圈）变换为适当的电信号；再把电信号输入调制器，变换为适当的电信号；再把电信号输入调制器，用调制器的输出去驱动光源（发光二极管用调制器的输出去驱动光源（发光二极管LEDLED），），以便用数字方法调制作为载波的光波。在光源以便用数字方法调制作为载波的光波。在光源处实现电处实现电光变换，把电信号变为携带信息的光变换，把电信号变为携带信息的光信号。光信号通过传输媒介光纤传到接受部光信号。光信号通过

8、传输媒介光纤传到接受部分。分。 有源型光电电流互感器工作原理有源型光电电流互感器工作原理l低压区信号的处理：低压区信号的处理： 在低压区的接收部分是一个信号解调电路，它在低压区的接收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（PINPIN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行解调，然后一路送入行解调，然后一路送入D/AD/A转换器进行模拟信号转换器进行模拟信号的还原，另一路直接送入计算机或数字信号处的还原，另一路直接送

9、入计算机或数字信号处理器件进行信号的处理和计算，并采用软件方理器件进行信号的处理和计算，并采用软件方法对信号进行误差矫正。法对信号进行误差矫正。 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工作原理仍基于电磁感应工作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材料。一非磁性材料。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

10、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；0 0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对线圈输出进行模拟或数字积分处理，则其输对线圈输出进行模拟或数字积分处理，则其输出为：出为： lV Vi i直接反映了被测电流直接反映了被测电流I I的大小，通过测量的大小，通过测量V Vi i，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。得较

11、高；绝缘性能好。它的缺点是精度和稳定性易受温度、振动它的缺点是精度和稳定性易受温度、振动的影响。的影响。 法拉第磁光效应的基本原理法拉第磁光效应的基本原理l当一束线偏振光通过当一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材置于磁场中的磁光材料时，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方向的磁场大小发生旋转；场大小发生旋转；l通过测量通流导体周通过测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，就可间接地测变化，就可间接地测量出导体中的电流值。量出导体中的电流值。 法拉第磁光效应的基本原理法拉第磁光效应的基本原理 l用算式表示为：用算式表示为：

12、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磁光材料的维尔德（磁光材料的维尔德（verdetverdet）常数；常数；l L L磁光材料中的通光路径；磁光材料中的通光路径； 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。法拉第磁光效应的基本原理法拉第磁光效应的基本原理l上式右边的积分只跟电流上式右边的积分只跟电流I I及磁光材料中的通光路径与及磁光材料中的通光路径与通流导体的相对位置有关，故式可表示为通流导体的相对位置有关，故式可表示为： 式中式中K K为只跟磁光材料中的通光路径和通流导体的相对位为只跟磁光材料中的通光路径和通流导体的相对

13、位置有关的常数，当通光路径为围绕通流导体置有关的常数，当通光路径为围绕通流导体1 1周时周时， K=1K=1。只要测定只要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。 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 改进后的双正交反射方案改进后的双正交反射方案 磁光式无源型光电电流互感器原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优点是传感头结构最简单，优点是传感头结构最简单，比无源型易于制造，精度比无源型易于制

14、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缺点是光纤是保偏光纤，缺点是光纤是保偏光纤，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、光电式电压互感器（OVTOVT）的基本原理的基本原理 光电式电压互感器（光电式电压互感器（OVTOVT）的基本原理主的基本原理主要分为：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

15、的电压互感器 光学的电光效应（光学的电光效应（PockelsPockels效应）效应）: : 某些晶体在没有外电场作用时，其各向同性，光率体为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变，一圆柱体。在外电场作用下，导致其入射光折射率改变，这种折射率的变化将使某一方向入射晶体的偏振光产生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。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：其表达式为： nn入射光的折射率入射光的折射率；E E 外加电场强度；外加电场强度；K K常数。常数。 测量

16、光的折射率测量光的折射率工作原理图工作原理图测量光的折射率测量光的折射率 l通常是通过干涉法进行间接测量通常是通过干涉法进行间接测量l其基本结构主要由传感头、信号其基本结构主要由传感头、信号传输光纤和测量系统组成传输光纤和测量系统组成 BGOBGO光纤电压传感头的工作原理和结构光纤电压传感头的工作原理和结构 BGOBGO光纤电压传感头的工作原理和结构光纤电压传感头的工作原理和结构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

17、片将偏振光再变成圆偏波片将偏振光再变成圆偏振光。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。因而，加在场。因而，加在BGOBGO上的电信号就可以通过检测上的电信号就可以通过检测光信号来测量。光信号来测量。 （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 ：当压电晶体受到外加电场作用时，当压电晶体受到外加电场作用时，晶体除了产生极化现象外，同时形状也产生

18、微晶体除了产生极化现象外，同时形状也产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，则可以实现电场（或电压）调制并检测光信号，则可以实现电场（或电压）的光学传感。的光学传感。 逆压电效应的电压互感器结构原理逆压电效应的电压互感器结构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，晶体圆柱表面缠绕椭圆芯采用石英晶体作为敏感器件，晶体圆柱表面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，

19、这种形变由椭圆形双模光纤感知，光纤的两种空间模式在种形变由椭圆形双模光纤感知，光纤的两种空间模式在传播中将经过调制的光学相位差通过弱相干干涉法测量传播中将经过调制的光学相位差通过弱相干干涉法测量得到。得到。l除了石英晶体外，这种传感器是一种不需要类似准直仪、除了石英晶体外，这种传感器是一种不需要类似准直仪、起偏器、波片等光学分离元件的全光纤传感器。起偏器、波片等光学分离元件的全光纤传感器。l具有较低的复杂性，且成本低。具有较低的复杂性，且成本低。 （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取得分压，经传感器的取得分压，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