高压光纤电流和电压互感器

高压光纤电流和电压互感器

高压光纤电流和电压互感器引言1光纤电流互感器2高压光纤电压互感器3

1引言

电力工业是国家经济建设的根底工业，在国民经济建设中有着举足轻重的地位。近年来随着各国经济的迅速开展，对电力的需求日益增大，电力系统的额定电压等级和额定电流都有大幅度的提高和增加。例如，20世纪60年代前苏联和欧洲某些兴旺国家纷纷将原来的220kV的骨干电网开展为500kV的骨干电网，20世纪80年代前苏联甚至出现了1150kV的特高压输电线路，而中国也由20世纪80年代的220kV的骨干电网开展到目前500kV的骨干电网，预计21世纪后随着金沙江等大容量梯级电站的建设，中国将出现由特高压1200kV的输电线路进行电力的输送。与之相应的电力系统中的输变电设备的额定电压和额定电流都要随之提高，因此，必须研究和开展新型的高压设备，电流互感器(CurrentTransducer,CT)和电压互感器(VoltageTransducer,VT)就是电力输送工业中不可或缺的关键设备。

2光纤电流互感器

目前，在电力系统中广泛应用电磁式CT，它运行了近一个世纪，存在以下缺乏：首先是潜在的突然失效危险，如突然性爆炸及绝缘击穿引起单相对地短路等系统的不稳定因素。其次，假设输出的二次侧负荷开路，将会产生高压，会对配电设备造成危害甚至危及人身平安。随着电压等级的提高、绝缘问题的解决，必然使电磁式CT的体积增大、本钱增高，设备变得极为笨重。再次，由于电磁式电流互感器是用铁心制成的，因此对高频信号的响应特性较差，这样对高压线路上的暂态过程不能正确反响。最后，它的二次侧输出对负荷要求较严格，对于高压及特高压电站来讲，占地面积都较大，因而传输二次侧电信号距离也较远，故要求使用的二次侧电缆的横截面积增大，并且容易产生干扰。针对以上缺点，在科技兴旺的国家都寻求把光电子学技术应用于超高压大电流的电网中，关于这方面的研究近几十年在世界各国也已经被高度重视起来，提出了许多新的理论和方法，有的研究已经进入了实用阶段。本节简单介绍了电磁式电流互感器的根本工作原理，对目前的几种电流互感器方案进行了详细的讨论。

2.1传统电磁式电流互感器的结构和根本工作原理

1．电磁式低压电流互感器低压电流互感器一般适用于1000V以下电压等级中的电流测量，可以用于几十安培到一千安培范围内的电流测量，测量精度可以到达0.2％。由于其结构简单，耐压等级不高，价格也比较廉价，因此广泛应用于工业生产中电流的测量。图11.1是某电磁式低压电流互感器的外形结构图，其内部结构如图11.2所示。被测电流母线从闭路铁心中穿过，铁心上按照比例关系缠绕一定圈数的导线作为副边。设原边匝数为〔图11.2中原边只有1匝〕，原边电流为，副边匝数为，副边电流为，根据电磁感应磁路平衡原式，原边和副边的匝数与电流之间满足(11.1)即电流互感器的副边输出电流和原边被测电流之间成正比例关系。在副边输出两端串接电流表就可以实现对原边电流的测量。2.1传统电磁式电流互感器的结构和根本工作原理该种互感器结构简单、本钱低、长期工作可靠性高，但是因为铁心具有带宽窄、容易出现磁饱和等缺点，尤其是基于该原理的电流互感器在副边开路时会有高压产生，对操作者的人身平安具有一定的威胁。近年来，随着纳米技术等新材料技术的开展，铁心材料的水平也得到了长足进步；也有的生产厂家将电流输出转换成电压输出，以适应电流互感器日益广泛的应用场合。图11.1电磁式低压电流互感器外形结构图图11.2电磁式低压电流互感器内部结构图2.1传统电磁式电流互感器的结构和根本工作原理2．电磁式高压电流互感器在高压电力系统中，由于对设备的绝缘平安性具有极高的要求，尤其是在户外工作的高压电流互感器还要考虑雷电冲击、负载瞬间短路等极端情况，对高压电流互感器的绝缘要求使得基于电磁感应原理的电流互感器变得体积庞大、质量到达数吨、本钱急剧升高，其设备本钱随电压等级的升高成指数关系上升。如图11.3所示为某220kV油浸式电流互感器的外形结构图，其内部结构同图11.2类似。这种互感器采用将原、副边导线及铁心浸入高绝缘的变压器油中来实现上下压之间的良好绝缘，这将导致该类互感器的质量和本钱急剧增加。如图11.4所示为某220kV气体绝缘式电流互感器的外形结构图，该种互感器不采用变压器油作为绝缘介质，而是以高压惰性气体〔比方气体〕作为绝缘介质，这虽然能够在一定程度上减小质量，但是对于电磁感应所固有的铁心饱和、带宽窄等缺点仍然是无法克服的。但是，这类互感器因为结构原理简单，具有工作可靠、稳定性好等优点，也是目前国内电力行业中广泛采用的。2.1传统电磁式电流互感器的结构和根本工作原理图11.3220kV油浸式电流互感器外形结构图图11.4220kV气体绝缘式电流互感器

2.2光电式电流互感器

传统的电磁式互感器因为其固有的一些缺点，如带宽窄、磁饱和、质量大、易燃易爆、次级开路高压等，都严重地制约了电力工业的开展，开发出新型的光电式电流互感器已经成为国内外电力工业的研究热点。随着光电子学的开展和成熟，国内外很多大学和科研机构开始投入精力研究光电式电流互感器，开展到现在，已经取得了很大进步。1．光电式电流互感器的开展现状自从20世纪60年代，国外就开始利用法拉第(Faraday)效应从事CT的研究，到20世纪90年代初期，光电式电流互感器(OpticalCurrentTransducor,OCT)就已初具商品使用价值，有的公司已经形成正规产品，在500kV系统中投入运行。如美国的5大电力公司各自在1982年左右成立了OCT专题研究小组，并且研制成功了161kV独立式OCT(1986~1988)、161kV组合式光纤电流互感器(OCT)/光学电压互感器(OVT)和161kV的继电保护式OCT(1978)。

2.2光电式电流互感器

日本除研究500kV,1000kV高压电网计量用的OCT外，还进行了500kV以下的直到6600V电压等级的零序电流、电压互感器适用的光学CT/VT的研究。三菱公司制造的6.6kV,600A的组合式光学零序电流/电压互感器，经过长期运行试验，满足了JEC1201—1985标准，已在1989年末通过了实验鉴定。1994年ABB公司推出了有源式电流互感器，其电压等级为72.5~765kV，额定电流为600~6000A。3M公司在1996年已宣布开发出用于138kV电压等级的全光纤电流测量模块，据称可以用于500kV电压等级。Photonics公司推出了一种用光推动的光电式电流互感器，称为“混合式光电电流互感器〞，他们曾于1995年至1997年期间在美国、英国、瑞典的超高压电网上试运行。近十几年，我国的清华大学、华中科技大学、上海科技大学、西安交通大学、燕山大学、大连理工大学、沈阳沈变互感器制造和上海MWB互感器制造等都在光电式电流互感器的研究中投入了很多人力和物力，也取得了一定的成果。其中，清华大学和中国电力科学研究院利用国家自然科学基金的资助共同研制出了110kVOCT，它们于1991年通过了国家鉴定并挂网试运行。华中科技大学与广东新会供电局于1993年12月在广东新2.2光电式电流互感器会供电局大泽变电站进行正式挂网运行，于1994年通过原电力部鉴定，对外公布技术指标为110kV,100~300A，精度为0.3级。燕山大学光电子技术研究所在河北省科委的高新技术专项基金资助下，已经成功研制了额定电压为110kV、额定电流为1000A、精度为0.2级的混合式光纤电流互感器样机，于2001年在保定天威保变集团进行了初步测试并获得了良好的测试结果，将很快进行了挂网试运行。从国内外对光电式电流互感器的研究开展情况来看，在21世纪，光电式电流互感器将使互感器技术进入一个崭新的时代。2．光电式电流互感器原理目前在光纤电流互感器研究领域主要有三个研究方向：(1)光学晶体型；(2)有源型；(3)全光纤型。光学晶体型有源型全光纤型2.2光电式电流互感器(1)光学晶体型该类互感器的传感头一般基于法拉第效应原理，即磁致光旋转效应。当一束线偏振光通过放置在磁场中的法拉第磁光材料后，假设磁场方向与光的传播方向平行，那么出射线偏振光的偏振平面将产生旋转，即电流信号产生的磁场信号对偏振光波的偏振面进行调制，此时(11.2)式中，为偏振面的偏转角；为光通过介质的路径长度；为磁场强度；为磁光材料的特性常数—费尔德(Verdet)常数，它与介质的性质、工作波长和温度有关。如果角能够被检测出，那么可以测得磁场强度，而磁场强度和导线中流过的电流之间满足安培环路定律，即(11.3)式中，表示电流产生的磁场回路半径。因此，只要测出,,，就可由(11.4)求出被测电流的大小和相位。2.2光电式电流互感器基于法拉第效应原理的光电电流互感器的原理图如图11.5所示。图11.5光电电流互感器的原理图光源发出的光经起偏器后变成线偏振光，线偏振光经过位于电流产生的磁场中的磁光材料后偏振方向受到磁场调制，经过检偏器后由信号检测与处理单元进行强度探测和信号处理。根据马吕斯定律，假设不考虑衰减，起偏器的射出光强与检偏器的射出光强之间有如下关系〔如图11.6所示〕：

(11.5)由于角不能直接精确检测出，而是通过光强的变化来反映的，在根据式(11.5)进行转换时，要考虑起偏器与检偏器的透光轴相交的角度，即角的偏置位置，才能得到最大的转换灵敏度和最正确线性度。光强对的变化率，即转换灵敏度为(11.6)

2.2光电式电流互感器令，求得最大灵敏度位于〔为整数〕的那些点〔图11.6中的B点〕，同时可以看出，由于曲线斜率的变化率为零〔=0〕，因此B点也是线性度最好的点。如果将交角固定在45°，有(11.7)图11.6关系曲线光学晶体型结构是近年来比较盛行的，其优点是结构简单，而且完全消除了传统的电磁感应元件磁饱和的问题，充分发挥了光电互感器的特点，尤其是在高压侧不需要电源器件，使高压侧设计简单化，工作寿命长。光学晶体型电流互感器的缺点是光学器件制造难度大，测量的高精度不容易到达，尤其是此种电流互感器受费尔德常数和线性双折射影响严重。而目前尚没有更好的方法能解决费尔德常数随温度变化而出现的非线性变化，即系统的线性双折射问题。

2.2光电式电流互感器(2)有源型

有源型又称为混合型，所谓有源型光电电流互感器乃是高压侧电流信号通过采样传感头将电信号传递给发光元件而变成光信号，再由光纤传递到低电压侧，进行光电转换变成电信号后输出。有源型光电电流互感器不用光学器件作为敏感元件测量电流，而是把光纤作为信号传输的媒质，这样，一方面可以容易地实现互感器高、低压之间的电气隔离，另一方面又克服了采用光学敏感元件带来的长期稳定性和可靠性问题。有源型光电电流互感器的方框图如图11.7所示。图11.7有源型光电电流互感器方框图2.2光电式电流互感器互感器采用Rogowski线圈作为检测电流的传感头，如图11.8所示。Rogowski线圈一般是在非磁性骨架上缠绕一定圈数的导线〔常采用康铜丝〕，然后将绕制好的空心线圈套在电力母线上。当电力母线电流相量为，那么由Rogowski线圈感生的电动势可以表示为(11.8)式中，为线圈骨架结构和线圈匝数的一个函数，一个线圈固定了，就可以确定了。

图11.8Rogowski线圈2.2光电式电流互感器从式(11.8)可以看出，套在电力母线上的Rogowski线圈的感生电动势是电力母线电流微分的一个比例系数，所以为了恢复被测电力母线电流的幅值和相位信息，需要将Rogowski线圈输出信号进行积分后再进行进一步的处理。在图11.8中，采用高精度低功耗的A/D转换器实时地将信号由模拟量变成数字量，然后通过电光转换经光纤送到低压地面端进行光电转换，再通过适宜的D/A转换恢复成模拟量。图11.9为一种实现有源型光电电流互感器的光电转换电路。图11.9有源型光电电流互感器光电转换电路2.2光电式电流互感器在有源型光电电流互感器的设计中，高压端电子器件工作能量的提供是该结构互感器的一个关键问题。图11.8的方案中采用另外一个有铁心的线圈从高压母线上通过电磁感应的方法来获得能量，这种方法虽然简单，但是因为电力母线工作电流波动极大，以额定工作电流为1000A、额定工作电压为110kV的电力电流互感器为例，按照IEC60044—8规约，最小工作电流从0A开始，到20倍于额定电流的20000A变化范围内，互感器都应该能够正常工作。这就要求高压电源局部能够在如此大的电流波动下维持输出稳定的电压给高压端的电子器件，这是相当困难的。尤其是当电力母线电流很小的时候，将会出现互感器工作失效的死区，这极大地限制了该类互感器的工业应用。然而，随着激光技术和光电池技术的开展，近年来采用激光供能的方式来提供高压端电子器件工作能量的方法已经得到了人们的重视，并且有望使得有源型光电电流互感器真正实现工业化应用。有源型光电电流互感器结构简单，长期工作稳定性好，容易实现高精度、性能稳定实用化的产品，是目前国内研究的主流。但是高压侧电源的产生方法比较复杂且本钱比较高，因此还有待于进一步研究。2.2光电式电流互感器(3)全光纤型全光纤型光电电流互感器的传感头即是光纤本身〔而光学晶体型光电电流互感器的传感头一般是磁光晶体，不同于全光纤型的传感头——特殊绕制的光纤传感头〕。图11.10为一种具有自动补偿功能的反射偏振干预式全光纤型光电电流互感器的原理图。

图11.10全光纤型光电电流互感器原理图2.2光电式电流互感器图11.10中，处于高压侧的传感光纤为单模光纤，而处于高、低压两侧之间的传光光纤为椭圆心保偏光纤。根本工作原理是：由低压侧光源发出的光束经过光纤起偏器后变为线偏振光，其偏振方向与椭圆心光纤的长、短轴成45°角，故在传光光纤中传输的是互为垂直的两束线偏振光。通过高压侧的延迟器后再变为旋转方向相反的圆偏振光，即左旋偏振光和右旋偏振光。它们在传感光纤中继续传输，并在电流产生的磁场作用下，各自旋转了不同角度。两束光在光纤末端被反射镜反射，根据反射定律，它们的旋转方向将发生交换，即左旋偏振光变为右旋偏振光，右旋偏振光变为左旋偏振光。返程的两束光在电流作用下，偏振角再次发生旋转，再经波片后，变为互相垂直的两束线偏振光，但它们原来的偏振方向发生了交换，即前进时在x方向的偏振光，返程时变为y方向的偏振光，反之亦然。两束光在起偏器中产生干预，根据偏振干预原理，就可以获得被测电流的大小和相位。由此可见，两束光除偏振方向互相交换外，它们都在同一根光纤中传输，周围环境产生的光纤伸缩等效应对互感器的输出几乎没有影响，因此可以从

2.2光电式电流互感器理论上排除外来的干扰。而由电流产生的相移为(11.9)式中，V为传感光纤的费尔德常数；N是环绕载流导体的光纤匝数；I为被测电流；系数4是本方案中有两束偏振光在传感光纤中往返两次传输的结果。干预仪输出的光强为(11.10)式中，I0正比于光源的光强。由信号处理电路求出式(11.10)的，再由式(11.9)测出高压母线中电流的大小和相位。全光纤型光电电流互感器的优点是传感头结构最简单，比光学晶体型的容易制造，精度、寿命与可靠性都比无源型要高；缺点是这种互感器的光纤需要保偏光纤，比有源型和光学晶体型所采用的普通光纤特殊，要做出有高稳定性的保偏光纤很困难，造价比较高。

3高压光纤电压互感器

和电流互感器类似，电压互感器作为电力系统中的重要设备，对电力系统的稳定运行和精确计量具有重要意义。它为电力系统提供用于计量、控制和继电保护所必需的信息。目前，包括我国在内的世界各国，电压的测量仍然依靠传统的电磁式电压互感器(PotentialTransformer,PT)，它要求在高、低压端之间提供复杂昂贵的电气绝缘。随着输配电网朝着高电压、大容量的方向开展，不仅使高电压等级的PT变得越来越笨重，价格越来越昂贵，而且给运输和安装带来了困难，加上本身存在的磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、频带窄、易燃易爆、易受干扰，PT的次级短路危及周围设备及操作人员的生命平安等一系列问题，都促使了人们研制更为先进的传感系统。图11.11为某型号电容分压式高压电压互感器的结构。开发体积小、重量轻、性能优良、能与现代光通信技术兼容的电力设备及其可靠性问题成为当前研究的热点。3高压光纤电压互感器随着微电子与光电子技术的快速开展，特别是半导体激光器及低损耗光纤的出现，激发了大家研究新型互感器的兴趣。世界各国的大公司及高等院校都投入了大量的人力和财力从事光学电压互感器(OpticalVoltageTransuder,OVT)的研究和开发。根据不同的工作原理、性能及用途，互感器的结构各有特色，但它们都朝着高精度、高速度、高可靠的“三高〞方向开展。图11.11电容分压式高压电压互感器3高压光纤电压互感器3.1基于晶体电光效应的电压互感器3.2传统电磁式电流互感器的结构和基本工作原理

3.1基于晶体电光效应的电压互感器

1．晶体的电光效应光在各向同性介质中传播时，由于，假设为常数，光是直线前进的；假设，那么光沿曲线前进。光在各向异性的介质中传播时，由于，为常数，将出现双折射效应。因此，光在介质中传播的规律是受介质的折射率分布所制约的，而介质的折射率分布那么与介质的介电常数分布密切相关，以前认为介质的介电常数是一个物质常数，实际上外界的各种因素常常会引起的变化，从而引起光传播的变化。例如，介质因受力而引起的折射率变化，称为弹光效应；介质因电场而引起的折射率变化，称为电光效应；介质因磁场而引起的折射率变化，称为磁光效应等。2．Pockels效应型光学电压互感器Pockels效应型光学电压互感器是利用材料的Pockels效应来实现对高压电压进行测量的。按照外加电场方向，Pockels晶体的调制分为横向和纵向两种方式。图11.12(a)为Pockels晶体的横向调制方式，图11.12(b)为Pockels晶体的纵向调制方式。3.1基于晶体电光效应的电压互感器横向调制方式的优点是晶体半波电压易于调整〔因半波电压和晶体的尺寸有关〕，电极距便于调整以适应测量不同电压等级的要求；不需透明电极；易于加工制造。而温度灵敏度较大那么是其缺点。纵向调制方式的优点是抗干扰〔温度及外电场干扰〕的能力较强；缺点是测高压困难〔绝缘及晶体半波电压较低〕，对此可用电容分压、多晶片叠加分压等方法予以克服。

(a)横向调制(b)纵向调制图11.12Pockels晶体的横向调制和纵向调制3.1基于晶体电光效应的电压互感器图11.13为一种基于Pockels原理的高压电压互感器的光路结构图。起偏器将入射光变成线偏振光，经过波片后将线偏振光变成圆偏振光后入射到BSOPockels晶体，BSO晶体的左右两面镀透明电极〔纵向调制〕。当被测电压施加于Pockels晶体上时，圆偏振光将变成椭圆偏振光，且椭圆度由施加到Pockels晶体上的电压决定。椭圆偏振光经检偏器检出，通过光电探测器探测检偏器输出的光强可以确定施加于Pockels晶体上的电压。1—入射光纤；2,8—透镜；3—起偏器；4—波片；5—BSOPockels晶体；6—检偏器；7—45°棱镜；9—出射光纤图11.13基于Pockels原理的高压电压互感器的光路结构图3.1基于晶体电光效应的电压互感器被测电压和输出光强之间的关系如图11.14所示。图中，为半波电压，为入射光强。输出信号是交流分量叠加直流分量的形式，通过光电探测器进行光电转换后，经过前置放大、带通滤波、低通滤波和除法运算后，可以得到被测电压信号。图11.14被测电压V和输出光强I之间的关系3.1基于晶体电光效应的电压互感器光电转换输出经前置放大后，前置放大器的输出可以表示成(11.11)

式中，是原始信号幅度；为半波电压；为被测信号；为贝塞尔函数。式(11.11)经过带通滤波器后的输出为

(11.12)式(11.12)通过低通滤波器后的输出为(11.13)最后，将式(11.12)和式(11.13)做除法运算得到(11.14)3.1基于晶体电光效应的电压互感器当很小时，，式(11.14)变成

(11.15)即输出信号正比于被测电压V，于是可以通过来确定被测电压。在上面的讨论中，当较大时，式(12.15)会带来较大的误差，所以为了测量高电压，可以通过采用电容分压之后再采用如上光路的方法来实现。3．克尔效应型光学电压互感器

图11.15是基于克尔效应的光学电压互感器的典型结构。3.1基于晶体电光效应的电压互感器图11.15基于克尔效应的光学电压传感器的典型结构

光源发出的光经起偏器P后变成线性偏振光，且偏振方向同晶体的轴和轴成45°角，偏振光经过克尔晶体后，出射光的偏振方向会产生旋转，旋转的大小和施加于克尔晶体两侧面上的电压成比例，克尔晶体后放置一个偏振方向同起偏器偏振方向垂直的检偏器，出射光经检偏器后，由探测器探测光强。

具体工作原理如下：3.1基于晶体电光效应的电压互感器如图11.15所示，被测电压施加于晶体后，在晶体中产生沿方向的电场，为晶体宽度。此时，折射率椭球方程可以表示为

(11.16)式(12.161)说明，晶体的介质双折射受控制：(11.17)这使得沿方向和方向的偏振光从晶体输出后产生的相位差为(11.18)

这里，是半波电压。3.1基于晶体电光效应的电压互感器从晶体出射经检偏器后的光强可以表示为，为入射到晶

体的光强。所以，变化的被测电压可以表示为

(11.19)这种方法曾经被用于电压为300kV、周期为数µs的高压脉冲测量。基于克尔原理的电压传感器在20世纪70年代应用广泛，但是随着Pockels原理的应用，克尔原理应用越来越少。近年来，基于双模光纤的模间干预原理的电压互感器逐渐引起了人们的重视。它利用光纤中的低阶线性偏振模和之间的干预原理进行电压测量。电压互感器由两个干预仪即传感干预仪和接收干预仪构成，用单模保偏光纤〔起传光作用〕把两个干预仪连在一起。两个干预仪都由椭圆心双模光纤和压电晶体构成，如图11.16所示。3.1基于晶体电光效应的电压互感器这样选择多模激光二极管和光纤，即只允许两个低阶模和通过光纤传输，其他高阶模均被截止。当光源发出的光束经单模保偏光纤耦合到双模光纤后，两个线偏振光的偏振面平行于椭圆心光纤的长轴或短轴。而石英晶体在被测电压〔电场〕作用下，圆柱形的晶体的周长发生变化，缠绕在晶体上的双模光纤的模折射率随着变化。两个偏振模间的光程差，其中是传感光纤的长度，是传感光纤中积累起来的两个模间的群折射率之差。类似地，在接收干预仪中，有，其中为接收光纤的长度，是接收光纤中积累起来的两个模间的群折射率之差。接收干预仪输出的两个边瓣光强为

(11.20)式中，和是多模激光二极管模间干预条纹的可见度函数，如图11.17所示；和分别是传感光纤和接收光纤中两个模之间积累起来3.1基于晶体电光效应的电压互感器调节双模光纤的长度，使(11.21)

图11.16电压互感器实验方案图11.17可见度函数图在图11.16中，共有三块〔或四块〕圆柱状石英晶体。之所以选择石英晶体，是因为它具有一系列的优点，如高电阻率、介电系数低(4.5)、电场失真小、温度系数低，并且具有长期的稳定性等。3.1基于晶体电光效应的电压互感器那么有