光纤电流互感器原理及应用研究--.docx

光纤电流互感器原理及应用探讨光纤电流互感器原理及应用探讨【摘要】光纤电流互感涔可分为两大类，一类是光电式电流互沸器；另,类则为感光式电流用呼器。分别介绍了这两种光纤电流”感器的原理，并介绍了光纤电流互礴器的应用探讨现状及发展前景.【关慢词】电底式电流互感涔光电式电流互感器感光式电流互超器法拉第磁光效应全光纤型电流互感器应用探讨【引盲】电流互络器是电力系统中进行电能计量：和继电宠护的Hi要设备，其精度及军靠性与电力系统的平安、牢施和经济运行亲密相关。然而陶着电力工业的发展，电力传输系统容量:不断增加.运行电压等级也越来越高.目前我国电N的最高电压等级已达5(K)kV.下一个电出等级或许是75OkV或100OkV,此时，传统的电磁式电流互感器暴露出系列严峻的缺点随着电力系统向大容通、高电压的方向发展,对电力设备提出了小型化、自动化、高牢靠性的要求.传统的电磁式电流互感器已经越来越不能适应这个发展趋势,因此有必要开发和研制新型的光纤电流互感器。【正文】I电磁式电波互祈的缺陷传统的电磁式电流互呼器暴露出一系列严峻的缺点：电流互停器的绝缘结构将特别困难.造价也会急剧增加：曲于电磁感应式电流互感器所固仃的破泡和、帙磁谐振、动态范围小、频带窄以及有油易燃易爆等缺点，己难以洵您新,代电力系统在设检测、高精度故障诊断、电力数字网等的发展须要。寻求更志向的新型电流互感器已势在必行,目前留意力已集中到光学传感技术.即用光电子学的方法来发展所谓的光纤电流互盛器.2光纤是传IM1.号的良好介质II光纤作为信号传黝介质具有以下优点：损耗低、短带宽：重盘轻：无电磁感应：绝缘性能好：弯曲性好：价格便宜.由于光纤信号传输的无电磁缚成性及其良好的绝缘特性，所以光纤是较好的连接高电压与低电压系统的介质.3光纤电流互”.光纤电流互感器是利用电子学、光电子学、光纤传感技术及数字信号处理等现代高科技手段探讨胜利的一种光、机、电一体化设备，是常规电极感应式电流互感器(CT)的更新换代产品.与常规CT相比较它具有体积小、重量轻(只有常规CT重量的1/10)、成本低、抗电磁干扰实力强、不存在磁饱和、破滞效应、铁磁谐振、易期易燃及二次侧开路后产生的高电压等问题，还有安装运输便利、维护简洁、与现代光通信栽容等优点，是将来我国及世界各IB220kV'330kV.50OkV以及Vift电压等级电力系统中电能计量、维电爱护、限制与监视等必不行少的核心部件.3.1 光电式电流互感4BhOECT)t2传统的电流互矮器(TA)是将一次侧电通信号通过电感感应传到二次侧,而OECT则利用光纤将次网的电流信号传输到低压恻的数据处理系统，OECT的详细测做原理如图1所示。对电流采样采纳铁心鼓圈(或空心戕圈)，然后将采样来的电流信号进行电一光粒换，转换后的光信号通过光纤传尬到低压恻数据处理系统.低出例系统利用光一电变换泗再将光信号转换成相应的电信号，由微机进行处埋.光纤在这里既起到高、低压恻的通估联系作用，又起到高、低压恻的隔熟作用，这，对冲突的统使将其性能优于传统的电磁式电流互照器，图IOECT原理图光电式电流互感器高压仰的电子电路须要有电源供应才能够正常运行，由于高乐侧和低压恻没行电磁联系,因此如何解决高压侧的电源问题是OECT的一个难点。目前解决电源的方法有以下几种：由母线上电流产生的电磁场逑应而产生：由低压侧带电能转换为光能，然后通过光纤将能最传输到高压侧：在高压恻用电池的夬电源问题。这几种方法各有优缺点，从经济上和系统的易操作性上考虑，应用于测量和笈护，第I种方案较佳.3.2 磁光式电流互国BhMoCT)itt*ab%fi3饯偏霰光吸媾或光轩:呼电流产生的磁场方向y;坛工图2法将第医光效应留附图采纳法拉第磁光效府进行电流测Ia的原理是磁光材料在外加磁场和光波电场共同作用下产生的非线性极化过程.保理图如图2：当一束线偏振光通过置于磁场中的破光材料时，线儡振光的偏振面就会战性地随着平行于光找方向的磁场大小发生旋转:通过测情通流球体四周线偏振光倒振面的改变.就可间接地测量出导体中的电流值.用算式表示为：=vHd1.3,(I)式中Q为税偏振光偏振面的旋转角度：V为感光材料的VCrdCt常数：1为磁光材料中的通光路径；H为电流I在光路上产生的够场覆度，田于破场强度H用电流I产生,式(1)右边的枳分只跟电流1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(I)可我示为：=VKI(2)A为只娘磁光材料中的通光路径和通流导体的相对位置有关的常数.当通光路径为国烧通流导体1周时，K=I,故只要测定的大小就可测出通流导体中的电流，山于目前尚无高精确改测Ift偏振而旋转的检测器,通常符线偏振光的偏振面向位改变的信息转化为光强改变的信息，然后通过光电探测器将光信号变为电佰号，并进行放大、处理.以正确反映出初的电流信息。-股采纳检俄器来实现将角度信息转化为光强信息。磁光式电漉互，卷(MOCT)原理14)磁光式电流互感器(MOCT)完全有别于传统的电磁式电流互感器,它的基本原理是法技第磁光效应光纤在这里既起到高、低正他的绝缘隔熟作用.乂起刎时电流采样的作用.法拉第效应是指当强电破场加在某一种材料(例如：玻璃)上时.这种材料会变得具有光学能动性.材料的光学能动性是指当一束信振光以平行于横场的方向通过材料时，材料可以将此偏振光偏振平面的方向旋转。自从法拉笫发觉这个现象以来，很多固态、气态、液态材料都被发觉具有法拉第效应经过试脸还发觉，俅振光偏版面所旋转的角度同描场的强度和光花材料中通过的距甜有关.其原理图如图3：图3破光式电流互感需原理图全光纤81电流互感»(FOCT)全光纤型光电式电流互感器实际也是磁光式电流互感器,只是传感头是光纤本身制成.其余于上述互照器一样,全光纤型光电式电流互感器的优点是传感头结构简沽，比无源型易于制造，精度、牢挣性要高.缺点是这种互感器的光纤是保偏光纤，比其他两种所采纳的光纤品质较高，要制造出稳定性好的光纤很难,工艺要求岛,且造价国出.其原理图如图4：图4全光纤型电流互感器原理图1.1 光纤电源互感叁的应用近年来快速发展的光纤通信技术、计算机技术、自动限制技术和电力系统光纤传照技术为新一代电网的自动量护、监测和限制供应了很好的技术支持。基于光纤网的电力系统门动爱护、赛测和限制系统是电网发展的趋势.它用光纤传感的方法获得必要的信息,通过光纤网传输这些数据、吩咐和其它信息、进入计分机数据处理并监视，然后进行继电爱妒的限制.从而实现了一整套的自动化功能，这种系统在美国、1本、英国、国80年头初就己在小型电站用光纤局域网对电站的爱护和限制进行了安装试脸日本90年头初实现了电站的数字化通讯、爱护和限制,美国、英国、的国等国家也正在大型电网安装和试脸这方面的系统.1994年ABB公司推出有源型光电式光纤电流互播器，其电压等级为725765kV,额定电流为600-600OA”日本除探讨SOOkV、100OkV高压电I可计录用的光电式光纤电流叮.感器外.还进行50Okv以下出到6.6kV电压等级的G1.S用光电式光纤电流互感器.我国在这方面也取得了肯定进展，特殊是近几年，在汲取国外阅历的基础上，已有部分厂家生产光电式电流互礴器。在高度直流输电方面，直流泅盘用光纤电流互感潺较之传统型的电流互感器行更大的优势.其曳破仅为同等级的直流电流互感器的1，也),无电磁干扰和秩磁损耗,并与电力自动化系统的网络施容，例如我国三楼至常州5(K)kV直流输电系统就运用了ABB公司的光电式光纤电流瓦塔器，用于线路的出流电流及谐波电流、沟通偏不平衡电流、桥内电流等的测量，11前哈尔滨工业高校研制的3台光纤电流互礴器,6月IOF1.在上海市徐行变电站50OkV超高压线路胜利投入运行。此举标记荷该校目前己经驾驭了世界上最高电压等级的光纤电流互感湍关犍技术.光纤电流”.感器课题自1991年起先探讨工作，在国家电网公司的支持下，解决了两个世界难起.该光学互感器具有测量精确化、传给光纤化和输舟数字化的优点,是智能电网的志向互整器。课超组研制的光纤电流互感器.通过/国网电科院武汉依据国际IEC标准进行的产品型式试验，已有22台光学电流互域器分别在华东电网、华北电网、华中电网和东北电网等4个主导电压等级的输电线路投入运行，检定牢钻.光纤电流互感器可以代替体积大而笨虫的传统里电流互整器，并与断路器殂合成体，从而实现设备的小型化、一体化。除了在电网中运用外，光电式电流互感涔还可做成类似饰形表式的结构,便利移动，用于测崎高压电网中不问地点的电流。也可测最高频电流.近年来，国际上光纤传感器这一高技术领域特别活球，光纤技术应用于电网电流的测Jit也门趋成熟。光纤电流互礴器的研制，己经从试骁室的晚理性试蛤过渡到结合电力工程的实际，有”己经到了现场挂网试验运行的阶段.目前日本、美国、瑞典等国都己将光纤传将器应用于不同等级的变电站,光电式电流互感零的探讨以瑞典ABB公司最为突出.他们研制的设备已经用于电井的电流检测与爱护：国内光纤电流传感潜正处于研制和试用阶段,效果良好。1.2 光纤电流互感叁国内外探讨历程及现状80年头荚、日、德、英、法、中等国投入光学电流互感器的探讨人员大的行15()人.近20个课咫组.其中成就最突出的是美国，其次是日本.日本80年头的探讨重点是GIS用的MOCT与光学PT,加合式光学零序电流互好器,他们从1981年起,在理论、材料、性能、组装和电子学信号处理等方面进行/系统的探讨：也取得了不少胜利的挂网运行的阅历.尤其是他们在1982年世界上首次获得感光材料SF6,FR5戢璃、YIG(铁修体)等屈光材料的温度325C80C)特性曲编此后，SF6被认为是MoCT的最好的1.光材料之一。|5)进入九十年头以来,随着电子技术和计算机技术的不断发展中大现模集成电路不断推陈出新，低功耗'离精度:、高速度的ND变换器、压控振荡器和信号处理芯片已经可以广泛地应用在工业现场了。因此，近年来，各国也很重视混合式光电电流互感器(HybridOptica1.CurrentTransformer)的研制工作,混合式光电电流互感测也被称为混合式光纤电流互.感器(Eoct-E1.cctronicOptica1.Currcn1.Transformer),这种传感头和屈光式电流互感涔的主要区分在于传感头完全是由电子线路细成的,美国的PhotonicPowerSysiems公司己经将这种电流互络器产品化；瑞士的ABB公司、伤国的R1.TZ感器公司也有同样的产品。经过20多年的努力.人们对全光纤电流互感器的优点及存在的问遨已有了正确的相识.进行了较深化的探讨，并尝试了很多方法,解决光纤内双折射给互盛器带来的不良影响.尽管3M公司泮称已研制胜利了无偏Jt纤，但到11前为止还没有见到此正商品化的全光纤电流互感零.然而,全光纤电流互感涔是光纤电流测量技术的最终发展趋势.全光纤式的电流互盛涔,光纤本身就是传述元件,结构比较简洁,但光纤线性双折射的问题始终是困扰芥它的主要难点：光电混合式的精度受到肯定的限制。混合式光纤电流互核器经过三十余年的发展，测状技术逐步成熟，混合式光纤电流互络器作为下一代电流互济器的主流产品，其不行件代的技术优势和价格优势己经凸现出来，随苻当前混合式光纤电流互感器的市场化进程，必将带来电力系统泅量、爱护和监控的革命性改变6J.4.2.2光纤电流互IM1.国内探讨现状国内时于光纤电流互感器的探讨起步比较晚，但在总结国内外阅历卜也取得了很大进展.I、全光纤电流互感器探讨基于我国航天近20年军用光纤陀螺技术，在探讨总结了国外电子式互停器的运行阅历基础上、克服/光学电流互感器好用化过程中稳定性受温度、外磁场、振动、应力双折射等技术难处.我国研制出了敏感元件和传输元件都为光纤的NAE-GI.系列全光纤电子式电流互感器，是国际上爆新一代基于法拉第磁光效应的全光学电流互感器，与传统互播器相比，绝缘性能好，平安性高,绿色环保,适应电力计地与量护全面时数字化发展的潮流。NAEP系列的全光纤电子式电液互感器果纳的基于全数字化的闭环限制技术，对各种可能出现的偏荒迸行校正，及正达到一个完善的自适应限制系统，从原理和实现的手段上保证了电子汇咯器的精度和动态范困，克眼了Rogowski线圈和极光玻璃等电子式互呼器由于开环嵬制技术带来的精确我和动态范围的稳定性方面的局限性.NAE-G系列全光纤电子互感器的光信号输入输出端在同一点,果纳完全互易的同一个光路,即使来自外界的温度改变，振动以及电毡场辐射等因素的干扰，同光路路径受干扰源的影响出现的误差也会相互抵消，从而提商了产品的梗定性，NAE-G系列光纤电流?感器中敏感元件和传帖元件都为光纤采纳成熟的光纤焰融技术连接,不受外界环境温度的影响.真正做到r高庆端敏感元件的长期格定性和免缔护，提高了系统的牢靠性.出于传统”感器基波外测地精度差,尤其不能测点流,迫使爰护装置主要利用基波测显。NAE-G系列全光纤电子式电流互感器不但基波测证准，而且直流及其广泛的各次幽蠕«6精确测限.可以满意电能计量、电能质量解测、爱护限制、故障录波以及电河动态观测等各种应用不断发展的需求。有了精确衡态测玳的支撑,以哲态波形或全波形为测收场础的震护原理和方法，将从则!论阶段向好用化迈进。2'混合式光纤电流互然器2007年，燕山高校研制出混合式高压光纤电流互感器，其额定电压为I1.oKV,额定电流为IGooA精度为0.2级.体枳小,重量轻,全数字化.传感器采纳rog。WSki我圈，具有良好的稳定性和税性度.岛基端供能采纳光推动方法，工作牢靠，结构简沽，信号传输采纳照科光纤，具有寿命长，安装便利，率序性而等优点，刈出猫出采纳微机接IJ.适应目前电力系统数字化和网络化的现实须要.3、光纤电液互感器电源供应当前，国内时光纤电流互感器的探讨还案中于各有源型光纤电流互感涔的电源供应问遨.目前也取得了巨大的进展.不仅对于光推动电源用于目前激光光源寿命短以及成本高的缘由，仅提出了理论解决方案，而且对在级式供能方案提出了埋论依据和电路实现.依据电磴感应原理，用战圈干脆从诲压母筏上提取能收，但是用代电流改变范国大，依据安培环路定律，米热补偿方式,将多余的母城电流通过补借绕组补偿掉，使激极电流保持不变，各电源烧组好应电势保持相对稳定.补偿烧组的电流大小通过限制电路限制,限制电路的信号遹过限制烧组采样于母线.试验证明,采纳这种方法i殳计的在筏式电源，能使混合式光纤电流互感器牢靠工作.7目前国内在光纤电流互感静的探讨方面,特殊是高电压等级上还面临一些何时.如温度和应力引起的双折射现以及其降低方法，长期运行时的稳定性和精度方面还须要更进一步的试验和现场考验，1.3 光纤电jt互感器发展前景及意义IKJ眼近国际电工协会己发布电子式电压互感器的标准，以及电子式电流互感涔(fS)的标准的探讨稿，电子式互感器的含义,主要包括光电式的互礴器，还包括其它各种利用电子测试原理的电汽、电流传感器.这充分说明,在电力系统中运用光电武的互感跳的时机已羟到来.将光纤技术与微机有机地结合起来，应用于电力系统，并绽开变电站光电式综合自动化系统的探讨,对提高我国电力系统的科技水平,与世界先进科技接轨，实现电力设符小型化、综合自动化和图牢靠性具有很重要的现实意义”文献】!顾婉仪，李国瑞.光纤通信系统.北京：人民肥电出版社，19892 1.jubomirKqjovic.RogowskiCoi1.sSuitRe1.ayProtectionandMeasurement.IEEEComputerApp1.icationinPower,1997.10(3):47-523王巍，张忐蕊，杨仪松.全光纤电流互堵器技术及工程应用,南瑞航天北京)电气限制技术有限公司，20044 Cease,W,JohnstonP.AMagncto-OpiicCurrentTransducer.IEEE,ransonPowerDe1.ivery.1990,5(2):548-5555乔峨、安作平、罗承沐、王廷云.光电式电流互感零的开发与应用.变H湍2000.V.37N.1p.40-436乔域、安作平、罗承沐，应用在混合式光电式电流互感器中的Rog。WSki战圈,变压器2000,V37N3p.17-217付烈.混合式光纤电流互尊零电源的探讨。20048王廷云、罗承沐、HI玉叁、电力系统中光电电流互感器探讨，电力系统自动化.2000，24(1)