毕业论文电力系统用电子式互感器技术进展

1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨理工大学学士学位论文- PAGE II - PAGE III -电力系统用电子式互感器技术进展摘要电力系统是国民经济的命脉，互感器是电力系统中为电能测量、监控、保护等提供电流、电压信号的重要设备，其精度、可靠性能及稳定性与电力系统的安全、长期、稳定、经济运行密切相关，是电力系统中不可或缺的电力设备之一6。但是，随着我国经济建设的不断发展，电力工业也得到了迅猛的发展，电力系统输电容量不断扩大，远距离输电不断增加，电网电压等级不断上升，随之对电力设备小型化、智能化、准确化的要求也日益增加。目前系统中广泛运用的基于法拉第感应原理的电磁式电流互感器、电磁式电压互感器

2、因传感机理已经呈现出了无法克服的困难，比如说绝缘、爆炸、磁干扰、磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、体积大、重量重等问题。重要的是，电力系统的发展趋势是计算机化、网络化、智能化，这些都要求互感器输出的数字化。在查了大量文献的基础上，本文全面而详尽地分析了电子式互感器的工作原理和特点，并与传统电磁式互感器进行比较，证明电子式互感器比传统电磁式互感器具有多方面的优势，可以更好的满足现代电力系统对互感器的需求，指出电子式互感器是电磁式互感器的理想替代品，为电力系统用互感器的研究指明了方向，达到了“研究规律、掌握规律、应用规律”的目的。关键词电力系统；电子式互感器；数字化；规律The development

3、 of electronic transducer which use in Electric power system AbstractElectric power is very important in our daily life as it is the lifeblood of national economy. Transformers working in power system are the indispensable electrical equipments in the power system and without transformers the measur

4、ement system, monitoring system and protection system cannot work. The accuracy, reliability and stability of the transformer will influence the security, stability and economic operation of the power system. But in the recent years the electric power industry developed rapidly with the continuous d

5、evelopment of Chinas economic construction. Along with the continuous rising voltage level, the expanding transmission capacity and the increasing long-distance transmission, the modern power system calls for small size, intelligence and high accuracy power equipments. Current transformer based on F

6、araday principle of electromagnetic induction possesses shortcomings like bulky, heavy, analog output, insulation difficult, magnetic saturation, small dynamic range, narrow band, flammable and so on. The more important is that the power system is tend to digital, networked and intelligent. In the b

7、asis of reading a large number of literature. This paper is devoted to the study the working principle and characteristics of the electronic transformers, and the investigated result shows that electronic transformers possess many advantages and can better meet the needs of the modern power system c

8、omparing with the traditional transformers. At the same time this paper tries to point out the direction of further development of the electronic transformers. Thus, this paper achieves the purpose of To research the law, to understand the law, to use the law .Keywords power system,；electronic trans

9、former；digital； regularPAGE II- - PAGE V -目录摘要 = 1 * ROMAN IAbstract = 2 * ROMAN II TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc328037395 第1章 绪论 PAGEREF _Toc328037395 h 6 HYPERLINK l _Toc328037396 1.1 课题背景 PAGEREF _Toc328037396 h 6 HYPERLINK l _Toc328037397 1.2 互感器的简介 PAGEREF _Toc328037397 h 6 HYPERLINK l _Toc3

10、28037398 1.2.1 互感器的作用 PAGEREF _Toc328037398 h 6 HYPERLINK l _Toc328037399 1.2.2 互感器的分类 PAGEREF _Toc328037399 h 7 HYPERLINK l _Toc328037400 1.3 电子式互感器 PAGEREF _Toc328037400 h 8 HYPERLINK l _Toc328037401 1.3.1 电子式互感器的分类 PAGEREF _Toc328037401 h 8 HYPERLINK l _Toc328037402 1.3.2 电子式电流互感器的结构 PAGEREF _Toc

11、328037402 h 9 HYPERLINK l _Toc328037403 1.3.3 电子式电压互感器的结构 PAGEREF _Toc328037403 h 11 HYPERLINK l _Toc328037404 1.4 电子式互感器与传统互感器的比较 PAGEREF _Toc328037404 h 13 HYPERLINK l _Toc328037405 1.4.1 传统式互感器的特点 PAGEREF _Toc328037405 h 13 HYPERLINK l _Toc328037406 1.4.2 电子式互感器的特点 PAGEREF _Toc328037406 h 13 HYPE

12、RLINK l _Toc328037407 第2章 电子式电流互感器 PAGEREF _Toc328037407 h 15 HYPERLINK l _Toc328037408 2.1 磁光电流互感器 PAGEREF _Toc328037408 h 15 HYPERLINK l _Toc328037409 2.1.1 磁光电流互感器的原理 PAGEREF _Toc328037409 h 15 HYPERLINK l _Toc328037410 2.1.2 磁光电流互感器的结构 PAGEREF _Toc328037410 h 16 HYPERLINK l _Toc328037411 2.1.3 磁

13、光电流互感器的稳定性问题 PAGEREF _Toc328037411 h 17 HYPERLINK l _Toc328037412 2.2 全光纤电流互感器 PAGEREF _Toc328037412 h 18 HYPERLINK l _Toc328037413 2.2.1 概述 PAGEREF _Toc328037413 h 18 HYPERLINK l _Toc328037414 2.2.2 基于偏振检测方法的全光纤电流互感器 PAGEREF _Toc328037414 h 18 HYPERLINK l _Toc328037415 2.2.3 基于干涉检测方法的全光纤电流互感器 PAGER

14、EF _Toc328037415 h 20 HYPERLINK l _Toc328037416 2.3 空心线圈电流互感器 PAGEREF _Toc328037416 h 21 HYPERLINK l _Toc328037417 2.3.1 空心线圈原理 PAGEREF _Toc328037417 h 21 HYPERLINK l _Toc328037418 2.3.2 空心线圈的类型 PAGEREF _Toc328037418 h 23 HYPERLINK l _Toc328037419 2.3.3 空心线圈电流互感器性能分析 PAGEREF _Toc328037419 h 24 HYPER

15、LINK l _Toc328037420 2.4 补偿式光学电流互感器 PAGEREF _Toc328037420 h 26 HYPERLINK l _Toc328037421 2.4.1 比较式光学电流互感器 PAGEREF _Toc328037421 h 26 HYPERLINK l _Toc328037422 2.4.2 自适应式光学电流互感器 PAGEREF _Toc328037422 h 28 HYPERLINK l _Toc328037423 第3章 电子式电压互感器 PAGEREF _Toc328037423 h 31 HYPERLINK l _Toc328037424 3.1

16、光学电压互感器 PAGEREF _Toc328037424 h 31 HYPERLINK l _Toc328037425 3.1.1 基于Pokels效应的光学电压互感器原理 PAGEREF _Toc328037425 h 31 HYPERLINK l _Toc328037426 3.1.2 Pockles效应电场传感头的基本结构 PAGEREF _Toc328037426 h 32 HYPERLINK l _Toc328037427 3.2 阻容分压型电压互感器 PAGEREF _Toc328037427 h 34 HYPERLINK l _Toc328037428 3.2.1 电阻分压型电

17、压互感器 PAGEREF _Toc328037428 h 34 HYPERLINK l _Toc328037429 3.2.2 电容分压型电压互感器 PAGEREF _Toc328037429 h 36 HYPERLINK l _Toc328037430 第4章 组合式电子电流电压互感器 PAGEREF _Toc328037430 h 38 HYPERLINK l _Toc328037431 4.1 组合式光学电子电流电压互感器 PAGEREF _Toc328037431 h 38 HYPERLINK l _Toc328037432 4.1.1 组合式光学电子电流电压互感器的构成 PAGERE

18、F _Toc328037432 h 38 HYPERLINK l _Toc328037433 4.1.2 组合式光学电子电流电压互感器的分类 PAGEREF _Toc328037433 h 39 HYPERLINK l _Toc328037434 4.1.3 组合式光学电子电流电压互感器的绝缘结构设计 PAGEREF _Toc328037434 h 40 HYPERLINK l _Toc328037435 4.2 GIS中电子电流电压互感器 PAGEREF _Toc328037435 h 41 HYPERLINK l _Toc328037436 4.2.1 概述 PAGEREF _Toc328

19、037436 h 41 HYPERLINK l _Toc328037437 4.2.2 GIS中电子式电流电压互感器的结构 PAGEREF _Toc328037437 h 41 HYPERLINK l _Toc328037438 第5章 全文总结与展望 PAGEREF _Toc328037438 h 43 HYPERLINK l _Toc328037439 5.1 本文主要工作总结 PAGEREF _Toc328037439 h 43 HYPERLINK l _Toc328037440 5.2 电子式互感器技术展望 PAGEREF _Toc328037440 h 43 HYPERLINK l

20、_Toc328037441 致谢 PAGEREF _Toc328037441 h 46 HYPERLINK l _Toc328037442 参考文献 PAGEREF _Toc328037442 h 47 HYPERLINK l _Toc328037443 附录 PAGEREF _Toc328037443 h 51- PAGE 10 - PAGE 62 -绪论课题背景目前电力系统大多采用的是传统的电磁式电流互感器和电压互感器来实现对电流和电压的测量。电磁式互感器经历了一百多年的发展，材料和制作工艺不断改进，为提高测量准确度而采取了各种补偿措施，电磁式互感器已经发展到一个相对比较成熟的阶段。曾经在

21、很长一段时间内，电磁式互感器在电力系统中也具有测量准确度高和制造工艺成熟的优势，适应了电力系统的测量要求。但是，由于传统的电磁式互感器存在的绝缘、爆炸、磁干扰、磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、体积大、重量重等问题，使其已经难以满足当今电力系统发展的要求，电子式互感器取代传统式互感器已经成为一种必然36。电子式互感器主要由传感元件和数据处理单元组成，由于其传感机理的先进性，绝缘相对简单，不存在爆炸、磁饱和、磁干扰以及铁磁谐振的问题，动态范围大、频率响应宽，并且结构紧凑、体积小，适应传感准确化、传输光纤化、输出数字化的发展方向，使其必将成为传统电磁式互感器的换代产品。数字化变电站作为当今世界的热门话

22、题之一，引起了各界认识的广泛关注， 随着电力系统的发展，互感器也为了适应其而不断被开发和研究，早在20世纪50年代，国外一些公司相继开始了对新型互感器的研究，并在90年代将电子式互感器应用到电力系统中。越来越多的国家把目光投向新型电子式互感器的研发，国际电工委员会也颁布了电子式互感器（IEC60044-8）的标准。同时，国内也已经将此标准等同采用并转化为相应的国标：电子式电压互感器（GB20840.7-2007）和电子式电流互感器（GB20840.8-2007），为电子式互感器的技术发展奠定了一定参考基础8。互感器的简介互感器的作用互感器是为电力系统中电能的计量、测量、监控、保护等提供电流或者

23、电压信号的重要电力设备1。为保证电力系统经济安全的运行，就要求被测信号能够准确的被反映出来，从而做出相关动作39。互感器是电力传输系统中连接一次和二次之间的纽带，它由一个或者多个电流或电压传感器组成，用于产生能够正确反映被测信号的量，供给其他测量仪器或者设备15。互感器的主要作用可归纳如下：（1）将电力系统一次侧的电流或者电压信号传递到二次侧，供给其他测量仪表和计量装置，从而正确反映一次侧电流和电压的运行情况。（2）当电力系统发生故障时，互感器能快速感应，并且正确反映出故障状态下的电流或者电压波形，与继电保护和其他装置配合，实现对电力系统故障情况下的监测、控制和保护。（3）互感器实现了一次高压

24、侧和二次设备侧的电气隔离，从而保证了二次设备和工作人员的安全，并且将一次侧的高电压、大电流转换为二次侧的低电压、小电流，使测量更标准化。互感器的分类1.按原理分（1）电磁式互感器。是按比例变换电压或者电流的设备，它是为测量仪器、仪表等提供信号的变压器。（2）电子式互感器。由连接到传输系统和二次转换器的一个或多个电流或电压传感器组成，采用光电子器件用于传输正比于被测量的量，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制设备的一种装置。在数字接口的情况下，一组电子式互感器共用一台合并单元完成此功能。2.按用途分（1）测量用互感器。主要是在电力系统正常运行时，将大电流变成小电流，高电压变为低电压，然后与测量仪表

25、配合，对电路的电压、电流、电能等进行监视、测量和记录。（2）保护用互感器。主要在电力系统非正常运行或者故障运行条件下，将相应的信号供给继电保护或者其他设备，以便设备做出相应动作，实现对非正常运行或者故障运行的监视、记录和校正。3.按对象分（1）电流互感器。是利用电磁感应原理改变电流量值的一种器件。它的一次绕组串联在电路中，并且匝数很少，因此，一次绕组中的电流完全取决于被测电路的一次负荷大小而与二次电流无关。而二次绕组与测量仪表、继电器等的电流线圈串联，由于测量仪表和继电器等的电流线圈阻抗都很少，电流互感器的正常工作方式接近于短路状态。并且在运行中不允许电流互感器二次侧开路。如果二次侧开路，二次

26、电流为零，这时电流互感器的一次电流全部用来励磁，铁芯中的磁通密度剧烈增加，引起铁芯中有功损耗增大，使铁芯过热，导致互感器损坏。电流互感器又可分为：电磁式电流互感器。是一种正常条件下其二次电流与一次电流成正比，且在连接方法正确时相位差接近于零的互感器。电子式电流互感器。是一种在正常使用条件下，其二次转换器的输出正比于一次电流，且相位差在连接方向正确时接近于已知相位角的互感器。（2）电压互感器。是利用电磁感应原理改变交流电压量值的一种器件。它的一次侧的电压不受二次侧负荷的影响，并且在大多数情况下，二次侧负荷是恒定的，且二次侧所接的负荷是测量仪表和继电器的电压线圈，它们的阻抗很大，因此，电压互感器的

27、正常工作方式接近于空载状态，必须指出，电压互感器二次侧不允许短路，因为短路电流很大，会烧坏电压互感器。电压互感器又可分为：电磁式电压互感器。是一种通过电磁感应将一次电压按比例变换成二次电压的电压互感器，这种互感器不附加其他改变一次电压的电气元件。电子式电压互感器。是一种在正常使用条件下，其二次电压正比于一次电压，且相位差在连接方向正确时接近于已知相位角的互感器。电容式电压互感器。主要是由电容分压器和电磁单元组成，其二次电压正比于一次电压，且相位差在连接方向正确时几乎接近于零。（3）组合互感器。是由电流互感器和电压互感器组成并装在同一外壳内的互感器。这种互感器同时具有电流互感器、电压互感器的功能

28、，也可分为电磁式组合互感器和电子式组合互感器。电子式互感器电子式互感器标准首先定义了电子式互感器及其各部分的组成，其中包括一次传感器、一次转换器、传输系统、二次转换器、合并单元、一次电源以及二次电源。采用光电子器件用于传输信号，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制设备，其输出信号一般为正比于被测量的电压或者电流信号。在数字接口的情况下，一组电子式互感器共用一台合并单元。以下将分别对电子式电流互感器和电子式电压互感器的分类和结构做出详细的介绍11。电子式互感器的分类1.电子式电流互感器（1）按原理分光学电流互感器。是利用法拉第磁光效应原理，采用光学原理、器件做电流传感器的一种互感器。光学器件主要由

29、光学玻璃、光纤等组成，其输出电压大小正比于被测电流大小。空心线圈电流互感器，又称为Rogowski线圈式电流互感器。它是有源电子式互感器，主要由Rogowski线圈和数字变换器组成。空心线圈一般由漆包线均匀绕制在环形骨架上，其相对磁导率与空气的相对磁导率相同，这也是空心线圈电流互感器区别于其它带铁心的电流互感器的一个显著特征。空心线圈电流互感器在原理和结构上与传统的电流互感器有很大的不同，其性能会受到温度及外界磁场等因素的影响。铁心线圈式低功率电流互感器。它是在传统式电流互感器的基础上发展而来的，在一次侧高电流的情况下，其饱和性能得到改善，并且测量范围相对较广，其输出为电压信号。（2）按用途分

30、测量用电子式电流互感器。是一种用于测量的电流互感器，其输出信号传输至有关仪器仪表。保护用电子式电流互感器。是一种用于保护的电流互感器，其输出信号传输至继电保护和控制装置。2.电子式电压互感器（1）按原理分光学电压互感器。由光学材料做敏感原件，利用光纤传输信号，被测电压直接加在敏感元件上，且输出电压正比于被测电压，是一种传感型电子式电压互感器。阻容分压型电压互感器。是针对电容分压型电压传感元件的暂态响应不佳问题而提出的，被测电压由电阻器、电容器或者阻容器分压后，变为光信号通过光纤传输至二次转换器，经过处理得到被测电压。（2）按用途分测量用电子式电压互感器。是一种用于测量的电压互感器，其输出信号传

31、输至有关仪器仪表。保护用电子式电压互感器。是一种用于保护的电压互感器，其输出信号传输至继电保护和控制装置。电子式电流互感器的结构为了规范和推动互感器行业的快速健康发展，我国于2007年1月颁布了电子式电流互感器的国家标准：GB/T20840.8-2007，标准对电子式互感器数字量的输出做了一些规定7。图1-1是电子式光学电流互感器在变电站中运行的一般模式，光源发出的光通过光缆传输至位于绝缘套管高压区的传感头，经处理后，光信号又通过光缆从高压区传至低压区二次转换器，实现光电转换，信号再经过处理后进入合并单元，合并单元的同步高速数据采集模块对各路模拟量进行采集，并将所采集的数据以串行的方式输到二次

32、设备，实现对信号的计量、监控以及保护。图1-1 电子式光学电流互感器在变电站运行的一般模式电子式电流互感器的通用框图如图1-2、图1-3所示，是国标GB/T 20840.72008提供的，本图是依据所采用的技术确定电子式电流互感器所需要的部件，并非所有列出的部件都是必须的。图1-2 单相电子式电流互感器的通用框图图1-2中各部分的解释如下：一次电流传感器是指电气、电子、光学或者其他装置，由通过一次端子的电流产生相应的信号，再经过一次转换器传送给二次转换器；一次转换器是将来自电流传感器的信号转换成适合于传输系统的信号；传输系统是一次系统和二次系统之间传输信号的纽带，可实现短距离和长距离的传输；一

33、次电源是为一次电流传感器或者一次转换器提供电源使用的；二次转换器是将一次系统传来的信号进行处理，转换成为可供给其他测量仪器仪表和继电保护装置的信号，该信号与一次侧电流成正比；二次电源是二次转换器的电源，为二次系统提供所需要的电能9。图1-3是数字输出型电子式电流互感器的通用框图1。每个数据通道承载着一台电子式电流互感器或者一台电子式电压互感器，采样到的数据通过单一数据线传输到合并单元，合并单元汇集多达12个二次转换器数字通道。如果是在多相的情况下，多个数据可以通过同一个接口传输道合并单元。图1-3 数字接口框图示例EVTa的SC为a相电子式电压互感器的热刺转换器（见GB/T 20840.7），

34、ECTa的SC为a相电子式电流互感器的二次转换器，可能有其他数据通道映射（见GB/T 20840.8 6.2.6）电子式电压互感器的结构电压互感器的作用主要是将一次侧高电压转换成适合于二次侧继电保护和测量的低电压，要求一次和二次系统必须进行电气隔离。电子式电压互感器是一个依赖电子元件取样、处理以及输出信号的电压互感器。电子式电压互感器的通用框图如图1-4、图1-5所示，依据所采用的技术确定电子式电压互感器所需器件，并非所有列出的部件都是必须的。电子式电压互感器的测量准确化、传输光纤化和输出数字化能满足未来电力发展需要。随着加工工艺和材料工艺的提高，微电子技术、微机技术和光子技术的发展，更基于自

35、身原理上的优势，电子式电压互感器必将在电力系统得到广泛的应用，并最终取代传统的电压互感器，成为最为可取的下一代互感器。图1-4 单相电子式接地电压互感器通用框图图1-5 三相电子式电压互感器通用框图图1-4和图1-5中各部分解释如下：一次电压端子是指将一次电压施加到电子式电压互感器上的端子；一次电压传感器是指电气、电子、光学或者其他装置，由通过一次端子的电压产生相应的信号，再经过一次转换器传送给二次转换设备；一次转换器是将来自电压传感器的信号转换成适合于传输系统的信号；传输系统是一次系统和二次系统之间传输信号的纽带，可实现短距离和长距离的传输；一次电源是为一次电压传感器或者一次转换器提供电源使

36、用的；二次转换器是将一次系统传来的信号进行处理，转换成为可供给其他测量仪器、仪表和继电保护装置的信号，该信号与一次侧电流成正比；二次电源是二次转换器的电源，为二次系统提供所需要的电能；二次电压端子是用以测量仪表和继电保护或者控制装置的电压电路供电的端子。电子式互感器与传统互感器的比较传统式互感器的特点在电力系统中，传统互感器通常包括电磁式电流、电压互感器和电容式电压互感器；传统式互感器的缺点主要表现在：（1）易发生磁饱和现象。传统互感器在非正常运行条件下，比如说当电路发生短路时，会产生很大的电流，互感器铁心将会保留较大剩磁，铁心严重饱和，使得二次电流不能正确反映出一次电流，从而不能做出相应保护

37、动作，甚至出现误动的情况4。（2）对低频、高频以及非周期分量测量不准确，且不能测量直流分量。因电磁式互感器存在磁饱和的问题，当发生短路故障时，短路电流可达稳态时的2030倍以上，这将无法对故障信号进行准确的测量。而且电磁式互感器传感头由铁心构成，频率响应很低。（3）存在铁磁谐振，抗干扰能力弱。传统电压互感器中，电磁式电压互感器呈感性，而断路器端口呈容性，两者连接会产生电磁谐振。此外，电容式电压互感器本身就含有多个非线性电感元件和电容元件，在适当的条件下，其自身也可发生谐振，从而导致补偿电抗器和中间变压器绕组击穿4。（4）绝缘困难。由于一次侧和二次侧之间存在着电气连接和能量的传递，随着电压等级的

38、不断提高，传统式互感器的绝缘问题大大增加，用绝缘油等进行绝缘，不但体积大、重量重，而且存在着爆炸的危险。（5）输出为模拟量。传统式互感器的二次侧输出为正比于一次侧的电压或电流信号，为模拟量，不能直接与微机化计量和保护设备接口，不适应电力系统数字化的要求。（6）经济性不好。传统式互感器体积大、造价高，随着电压等级的不断提高，互感器的成本也相应提高，且占地面积大。电子式互感器的特点近年来，越来越多的学者致力于电子式互感器的研究，作为一种新型的电气设备，与传统互感器相比，它有着极为优越的特点2，主要表现在：（1）消除了磁饱和现象。在电子式互感器中，光学互感器、空心线圈互感器不具有铁心，故不存在磁饱和

39、的问题，从而大大提高了各类故障测量的准确性，也提高了保护装置动作的正确率3。（2）频率响应范围宽，动态范围大。光学互感器、空心线圈电流互感器的频率响应都很宽，不仅可以对暂态电流、高频大电流进行测量，而且还可以测出谐波电流。（3）消除了铁磁谐振，抗干扰能力强。电子式互感器的结构，决定了它不存在构成电磁谐振的条件，其抗干扰能力强。（4）具有良好的绝缘性能。电子式互感器绝缘相对简单，不像传统式互感器用绝缘油，其高压侧与地电位侧之间采用绝缘材料制造的玻璃纤维来传输信号，体积小、重量轻、绝缘性能好。（5）适应电力系统输出数字化的发展要求。电子式互感器直接输出数字信号，有助于二次设备对信号的接收和处理，加

40、速了电力系统数字化和信息化的进程12。（6）经济性好。电子式互感器体积小、重量轻，可以直接组合到其他保护装置或者高压设备中，共用支撑绝缘子，不但节省了变电站的占地面积，而且减少了成本43。综上所述，电子式互感器具有传统式互感器的全部功能，此外更具有优于传统式互感器的性能。下面章节中，我将给大家详细介绍电子式电流互感器、电子是电压互感器以及组合式电子电流电压互感器。电子式电流互感器磁光电流互感器光学电流互感器的种类很多，有我们所熟知的磁光式电流互感器、全光纤电流互感器等等，它们的原理大致相同，都是将电流信号转换成光信号，利用光强、偏振态以及波长等的变化来测量电流28。本章讨论的是光学电流互感器，

41、其利用法拉第磁光效应，可以准确的测量电流信号。磁光电流互感器的原理1864年，法拉第发现在磁场作用下，本来不具备旋光性的物质也可发生旋光性，这种效应后来被称为法拉第磁光效应。如图2-1所示为法拉第效应原理图，在外加磁场H的作用下，当一束线性偏振光通过放在磁场中的法拉第传感元件（一般为磁光玻璃）时，若磁场方向与光的传播方向相同时，则入射偏振光的偏振面将发生旋转，且偏振面旋转角正比于磁场强度H沿偏振光通过材料路径的线积分5，即： (2-1)式中V为磁光材料的Verdet常数；N为光路环路数；i为被测电流；H为外加磁场。由上式可知，角与被测电流成正比，利用检偏器将角度的变化转换为光强的变化，经相应处

42、理后便可求得被测电流i的大小。偏振面的旋转角偏振面的旋转角磁场H法拉第传感元件入射线偏振光出射线偏振光图2-1 法拉第效应原理图磁光电流互感器的结构磁光电流互感器由传感头、光路部分（光源、准直透镜、起偏器、检偏器、传输系统等）、信号处理系统等组成，一般由重火石玻璃作为传感头的光学介质，用于改变光的传播方向。如图2-2所示，由发光二极管LED提供光源信号，通过光纤传输，经过准直透镜之后成为平行光束，再经起偏器变为线性偏振光进入传感头，光在传感头内绕导体一圈，并在电流磁场的作用下光的偏振面发生旋转，出射光经检偏器检偏后再通过另一只光纤传输，经过准直透镜进入二次转换器6。磁光电流互感器的传感头设计极

43、为重要。首先，光学传感头必须具有保偏性，即入射至传感头的线性偏振光传播至出射端口时也必须是线性偏振光，并且偏振光旋转角只受被测电流的影响；其次，光路应尽可能的围绕载流导体闭合，以减少外界磁场的影响，提高灵敏度；最后，光学传感头还应尽可能的减少传输损耗10。而传感头材料的选择也有要求。首先，所选的材料应具有良好的光学性能，以保证保偏性能；其次，材料的Verdet常数要比较大，受温度影响较小；最后，要易于加工制作，其电气性能、机械性质、热学性质等都要良好14。其实大部分的介质材料都具有法拉第磁光效应，而效应的强弱往往取决于材料的磁化性能。不同材料的磁化率受温度的影响不同，这就导致了不同介质中法拉第

44、效应的不同温度特性25。图2-2 光学电流互感器的传感头磁光电流互感器的传输系统是由光纤和光缆组成的，其作用是将传感头输出的信号传输至二次转换器57。光纤作为磁光电流互感器的光学元件之一，要求它具有较大的传输功率，且要便于耦合，一般选择光纤纤芯为62.5um34。光缆作为光学电流互感器的另一样光学元件，承担着高压区和地电位之间传输光的任务，要求它的机械性能和化学性能（防水、防潮）良好，同时对电学参数和光学参数（光纤直径、数值孔径、损耗等）也有一定的要求，如果选择光纤的芯径越大，数值孔径就越大，从LED耦合出来的光功率越强，但同时从准直透镜出来的光束的发散角就越大，将此光束耦合进光纤就越困难，耦

45、合损耗反而更大，故应该综合各项参数，进行最优化的选择。磁光电流互感器的稳定性问题磁光电流互感器在电力系统中的研究已经多年，但是始终没有完全取代传统的互感器，原因是多方面的，主要是因为磁光电流互感器应用时所处的环境是户外的变电站高压区，环境相对恶劣，环境因素对其性能的影响不容忽视。因此，磁光电流互感器的长期稳定性是至今未能解决的问题，也是决定其能否实用化的关键问题27。先分别分析如下：温度影响。由公式: （2-2）在理想状况下，Verdet常数是一个恒定值，和i保持了较好的线性关系，V和N越大，则互感器灵敏度越高，经研究表明，V与材料的折射率n和光源工作波长有关。折射率n的变化，会导致V的变化，

46、接着将影响待测电流的稳定性。而光源工作波长与光源驱动电流、光源所在处温度有关，故要使不变化，必须使光源恒温，并使驱动电流恒定31。否则当环境温度变化时，必将影响被测电流的稳定性。另一方面，温度因素的影响还会在敏感材料内产生应力双折射，这必将影响到磁光电流互感器传感头的灵敏度。而应力双折射的存在主要是因为：玻璃制造过程热历史与退火留下的残余应力，环境温度梯度变化产生的应力以及传感头组装过程采用黏结固定法不可避免的存在应力。（2）振动影响。振动会造成传感头内部的线性双折射，从而影响传感头的输出。振动对磁光电流互感器的影响主要表现在：传感头周期性振动会引起传感头内部线性双折射周期性变化，从而影响输出

47、；载流导体在原来位置附近范围内摆动，产生影响；振动时，会使进入起偏器的光强发生振动，对输出产生不良影响。（3）反射相移对磁光电流互感器性能的影响。在光学电流互感器中，光线要围绕被测电流导线形成闭合环形光路，因此在对光学材料进行设计时，需要若干个全反射面来改变光的传播方向，使光束经过这些全反射面形成闭合光路。但是由于全反射面的存在，使线性偏振光全反射后变成椭偏振光，即两个正交光振动分量之间产生一个相位差，这将使传感头的灵敏度发生变化，进而影响输出信号的变化。反射相移与折射率有关，折射率越大，产生的相位差越小32。综上所述可知，磁光电流互感器与被测电流之间没有直接的接触，故磁光电流互感器工作时不影

48、响电力系统的运行；由于磁光电流互感器采用光信号进行传输，故比起传统电流互感器绝缘简单；其传感头采用的是光学元件，不存在磁饱和，故测量的准确性大大提高33；且由图2-2可知，进出磁光电流互感器的都是光信号，故二次侧开路也不会产生危险的高电压或大电流。全光纤电流互感器概述自1973年Rogers首先提出光学电流互感器的想法以来，光纤技术已经发展了几十年。光学电流互感器可根据传感单元的不同分为全光纤电流互感器、光学玻璃互感器等。而基于法拉第效应的全光纤电流互感器得到了各界人士的广泛研究，并已取得显著效果。全光纤电流互感器是指采用光纤围绕被测电流导体N圈作为电流敏感元件的互感器。典型代表是Nxtpha

49、se研究的全光纤电流互感器已经挂网运行，ABB公司研制的用于测量500kA直流大电流也得到了人们的普遍认可，中国南瑞航天电气控制技术有限公司于2008年生产的FOCT产品也已通过鉴定并进行了挂网试运行。全光纤电流互感器是未来光学电流互感器的发展方向，它采用偏振检测方法或者利用法拉第效应的非互易性来检测，同样作为光学电流互感器，全光纤电流互感器与玻璃型电流互感器的原理基本相同，且光纤内存在的线性双折射对温度和振动的变化也十分敏感，在变电站的恶劣环境下，其光学器件的长期运行稳定性还没有经过严格的论证和考核，变电站中电流的变化范围较大，当电流较小时，信噪比较低，这就对全光纤电流互感器的信号调制问题提

50、出了更高要求46。且构成全光纤电流互感器的关键光学器件都是从外国进口，不但价格昂贵，而且受制于人，从长远来看，这是不可取的。总而言之，全光纤电流互感器的测量稳定性和可靠性，以及应用的经济性，都要经过长时间的检验和考核45。基于偏振检测方法的全光纤电流互感器基于偏振检测法的全光纤电流互感器的结构如图2-3所示，光纤均匀的缠绕在载流导体上，且高压载流导体中通有电流I，可知缠绕在载流导体上的光纤将产生磁光效应。由激光器发出的单色光经过起偏器F后变为线性偏振光,再经过透镜L将线性偏振光耦合到光纤中，这时线性偏振光的偏振面将发生偏转，旋转角为，出射后的偏振光经过透镜L耦合后到达奥拉斯顿棱镜W，棱镜将偏振

51、光分成两束振动方向垂直的偏振光，并分别传输到光电探测器D1和D2中，在经过信号加工，即能获得被测电流。值得补充的是，当载流导体没有信号时，要想获得最大灵敏度，W的两个主轴与入射光纤的线性偏振光的偏振方向应成450。图2-3 基于偏振检测方法的全光纤电流互感器原理图 以上介绍的理想结果要求光在全过程中始终保持线性偏振，即不发生双折射。双折射是指一束光在非均匀的介质中传播时，分解成为振动方向垂直，传播速度和折射率都不同的两种偏振光。引起双折射的原因很多，比如光纤本身的不完善、环境温度的变化及机械状态的变化等49。双折射的影响是不可忽视的，总结起来双折射的存在主要有以下影响：（1）减小了测量电流的灵

52、敏度。这是因为双折射的存在会使原来的线性偏振光变成椭偏振光，即两个正交光振动分量之间产生一个相位差，这将导致整个测量的灵敏度都减小。（2）易受环境温度的影响。由于双折射的分布是随着温度的变化而变化的，从而使得传感器的灵敏度也受到影响，而在一根光纤中的温度是逐渐变化的，故在一个封闭的环形光路中，灵敏度的分布是非均匀的。（3）传感器对不同偏振面的灵敏度不同。在全光纤电流互感器探头中，由于线性双折射的存在，对不同偏振面的入射偏振光，双折射所引起的相位不同，因而使整个探头的灵敏度也随着相位的改变而改变。总而言之，全光纤电流互感器中由于线性双折射造成输出不稳定、灵敏度降低等问题，严重阻碍了全光纤电流互感

53、器的发展，因此采用各种方法降低线性双折射已成为人们关注的焦点60。经研究表明，采用保偏光纤可以有效限制双折射的影响，保偏光纤是对传输的偏振光的偏振态加以保持并传输的光纤47。下面介绍几种采用保偏光纤的方法：（1）螺旋光纤。是一种通过自旋方式拉制的低双折射光纤，这种光纤在拉制过程中使光纤胚料迅速自旋，保证椭圆度大约每厘米旋转一次，故在任意给定的一厘米内净双折射为零，因此在给定任意光纤长度上的总双折射在数量级上等于经过旋转后残留的双折射。当然，这种方法也存在缺点，首先，在绕制过程中，由弯曲光纤引起的线性双折射仍然存在；其次，长期使用过后的旋转光纤，其自旋会松弛，从而导致稳定性也大大降低，这也是旋转

54、光纤的致命弱点48。（2）圆双折射。是指光源偏振本征模通过光纤时，左旋和右旋圆偏振态以不同的速度传播，线性双折射在圆双折射光纤中可以得到较好的抑制。当然，圆双折射也有自己的不足之处：圆双折射对温度的敏感性较强，因而在温度变化较频繁的环境中使用其灵敏度大大降低53。（3）椭圆双折射光纤。这种光纤是在拉制高线性双折射光纤过程中旋转预制棒。但是用这类光纤制成的全光纤电流互感器对温度的依赖性很大，故需要采用温度补偿。综上所述，近些年来，有关各种克服线性双折射的研究方案不断被提出，但是也都存在着自身的问题，这需更进一步研究才能解决。基于干涉检测方法的全光纤电流互感器基于干涉检测方法的全光纤电流互感器是通

55、过检测受法拉第效应作用的两束偏振光的干涉的相位差的变化来测量电流。基于干涉检测方法的全光纤电流互感器从结构上可分为Sagnac环形结构和反射结构，下面就这两种结构的基本原理和构成分别做出介绍。基于Sagnac环形结构的全光纤电流互感器Sagnac环形结构原理图如图2-4所示，光源发出的光经耦合后经过偏振器变为线性偏振光，再通过耦合器将线性偏振光变成两路，分别经过延迟器和调制器被1/4波片转换成圆偏振光，并沿相反方向进入传感头，法拉第效应使这两束圆偏振光的偏振面发生旋转，然后再次经过1/4波片重新转换成线性偏振光返回偏振器进行干涉。在这里由于两束光偏振面的旋转角度大小相同方向相反，故其相位差为两

56、倍的法拉第相移，即=2VNI。另外，我们只需要检测出光的相位差就能得到被测电流，这都是采用了调制器的结果。图2-4 Sagnac环形结构全光纤电流互感器原理图基于Sagnac反射结构的全光纤电流互感器基于Sagnac反射结构的全光纤电流互感器的原理图如图2-5所示，其利用两束光互相干涉来测量电流。由光源发出的光经过保偏光纤耦合器后由光纤起偏器变成线性偏振光，再经一个45o熔接进入光纤相位调制器，并且在这段光纤上形成两个分别在两个光轴上互相垂直的线性偏振光，分别沿保偏光纤的X轴和Y轴传播。这两束正交的线性偏振光被光纤相位调制器进行相位调制后，经过/4波片转变成左旋和右旋的圆偏振光，进入传感光纤圈

57、。由于传感光纤中的法拉第效应和被测电流产生的磁场，这两束圆偏振光的相位会发生变化，且以不同的速度传播，最后经反射膜反射后，这两束圆偏振光的偏振模式发生互换，然后经过传感光纤圈两束光再次经过/4波片，恢复成两束线性偏振光。分别沿着保偏光纤传播，并在光纤偏振器处发生干涉，通过测量两线性偏振光的相位差，就能测出导线中的电流。光纤相位调制器的作用是实现相位检测。反射式全光纤电流互感器要求光在传播过程中保持一定的偏振态。图2-5 Sagnac反射结构的全光纤电流互感器原理图空心线圈电流互感器空心线圈电流互感器是电子式电流互感器中电流传感器的一种，是数字化变电站发展的设备之一，空心线圈电流互感器与传统互感

58、器有着较大区别，本节将重点介绍空心线圈电流互感器的原理与结构。空心线圈原理空心线圈通常又称Rogowski线圈，一般由漆包线均匀绕制在环形骨架上，骨架采用塑料或者陶瓷等非铁磁性材料24。理想的空心线圈要求其二次绕组足够多，且在非铁磁材料骨架上要对称均匀分布；每一匝绕组不仅要形状完全相同，而且要使其所在平面垂直穿过骨架所在的圆周的中心轴。空心线圈的结构如图2-6所示，圆柱形载流导体穿过空心线圈的中心。空心线圈中相对磁导率为1，故距中心轴x处的任意一点的磁感应强度为： （2-3）式中，0为真空中磁导率；I(t)为载流导体上的被测电流。由法拉第电磁感应定律可知，当穿过一定面积线圈的磁通量发生变化时，

59、在线圈上将感应出一定大小的电压，该电压的大小和方向与磁通量变化的大小和方向有关，其中感应电压的大小为d/dt，方向遵循右手定则。图2-6 空心线圈尺寸 空心线圈单砸线圈上的磁通量可表示为： （2-4）式中，a为骨架内半径；b为骨架外半径；为空心线圈的厚度。空心线圈的绕组总匝数为N，则空心线圈的总感应电动势为： （2-5）式中， ，为空心线圈的互感系数。不难看出，互感系数M关系到空心线圈的稳定性，对互感系数M的选择也提出了要求。互感系数决定了线圈的形状、尺寸、匝数以及线圈间的相对位置，和线圈是否通有电流无关。空心线圈的等效电路图如图2-7所示，R0为空心线圈的内阻，L为空心线圈的自感系数，RL为

60、负载电阻，C为空心线圈的匝间电容，e（t）为线圈的感应电动势。线圈的感应电动势为： (2-6)式中，M为空心线圈的互感系数，i为被测电流。图2-7 空心线圈的等效原理图空心线圈的类型空心线圈从结构上可大致分为平板型空心线圈、组合型空心线圈、窄带型空心线圈以及螺旋线型空心线圈。下面就对平板型空心线圈和组合型空心线圈做简单介绍。 （1）平板型空心线圈。由一对或者多对印刷电路板串联而成，如图2-8所示，印刷电路板1的上表面和印刷电路板2的下表面完全相同，印刷电路板1的下表面和印刷电路板2的上表面完全相同。为了实现传统空心线圈的功能，成镜像的印刷板电路都是成对出现,每对成镜像的印刷电路板为一组，引出一