光电式电流互感器的发展与应用

光电式电流互感器的发展与应用来源：沈阳农业大学信息与电气工程学院作者：付立思付刚发布日期：2008-4-2518:22:32(阅552次)随着电力系统的发展，发电和输变电容量的不断增加，为了提高电力系统的自动化程度，减小变电站的占地面积和建筑空间，现在设计的互感器'电流互感器必须满足“数字化、光纤化、智能化、一体化”的要求。数字化是指要尽量淘汰传统的模拟信号的指针式读数盘，而采用数字式的仪表，减小测量中因读数而引起的人为误差。光纤化是指在测量系统中，大力提倡光纤的使用，减小电磁场对测量结果的影响。智能化是指加大微机和网络在电气测量中的运用，赋予互感器一定的自我判断和识别能力，这主要是在外围的电路针对电力系统的发展趋势可以预测，在不久的将来，传统的互感器'电流互感器将逐步地淡出电力系统，新型实用的产品将取而代之，光电式互感器'电流互感器就是其中的代表，它完全可满足上述的要求。1光电式互感器'电流互感器的分类基于磁光效应的光电式互感器'电流互感器发展到现在，按其原理与结构可分为有源型、无源型及全光纤型三类。1.1有源型有源型光电式互感器'电流互感器就是高压侧电流信号，通过采样线圈将电信号传递给发光元件变成光信号，再通过光纤传递到低压侧，进行逆变，变换成电信号后放大输出。高压侧电子器件的电源来源于光供电方式、母线电流供电方式以及超声电源供电方式。其结构如图1所示。有源型是较早期的结构，其优点是结构简单，稳定性好，可靠性高。其缺点是取样信号顶部结构复杂。图1有源型光电式互感器'电流互感器结构1.2无源型无源型光电式互感器'电流互感器的传感头不需要供电电源。传感头一般用法拉第磁光效应原理制成，处于低电位的光源发出的偏振光经光纤传到高压侧，并通过处于被测电流产生的磁场中。偏振光的偏振面在磁光玻璃中发生旋转，即电流信号偏振调制光波。带电流信号的光波经光纤传到低电位侧，经光-电变换后放大输出。其结构如图2所示。无源结构的优点是结构简单，且完全不采用传统的电磁感应元件，无饱和问题，充分发挥了光电式互感器'电流互感器的特点，尤其是高压侧无源电子器件，无温度稳定问题，互感器运行寿命容易保证。其缺点是光学器件制造难度大，测量的高精度难以达到，且长期稳定性不高。图2无源型光电式互感器'电流互感器结构1.3全光纤型全光纤型光电式互感器'电流互感器实际上也是无源型，只是传感头是光纤本身制成，其余与无源型完全一样。其结构如图3所示。全光纤型光电式互感器'电流互感器的优点是传感头结构简单，比无源型易于制造，精度、寿命与可靠性比无源型要高。缺点是这种互感器的光纤是保偏光纤，比有源型和无源型两种互感器所采用的普通光纤品质较高，要制造出高稳定性的光纤很难，工艺要求高，且造价昂贵。图3全光纤型互感器'电流互感器结构2光电式互感器'电流互感器的优点光电式互感器'电流互感器不用铁芯做磁耦合，因此消除了磁饱和及铁磁谐振现象，互感器运行暂态响应好，稳定性高，保证了系统运行的高可靠性。电磁感应式互感器'电流互感器二次回路不能开路，低压侧存在因开路而引起的高电压隐患。光电式互感器'电流互感器的高压和低压之间只存在光纤联系，而光纤具有良好的绝缘性能，因此可保证高压回路与二次回路在电气上完全隔离，低压侧不存在因开路而产生高压的危险。同时因没有磁耦合，消除了电磁干扰对互感器性能的影响。电网正常运行时，互感器'电流互感器流过的电流并不大，但发生短路时，短路电流非常大。电磁式互感器'电流互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量并在一个通道同时满足高精度计算和继电保护的需要。而光电式互感器'电流互感器有很宽的动态范围，过电流可达几万安培。频率响应范围宽。光电式互感器'电流互感器可以测量出高压电力线路上的谐波，而电磁式互感器'电流互感器难以进行这方面的工作。不存在因充油而产生的易燃、易爆等危险。绝缘性能好，造价低。电磁式互感器'电流互感器绝缘结构复杂，电压等级越高，造价越高。光电式互感器'电流互感器中采用由绝缘材料做成的玻璃光纤，结构简单，造价低。体积小，重量轻，运输和安装方便。适应了电力计量与保护数字化、微机化和自动化的发展的潮流。3光电式互感器'电流互感器的应用现状1994年ABB公司推出有源型光电式互感器'电流互感器，其电压等级为72.5～765kV，额定电流为600～6000A。日本除研究500kV、1000kV高压电网计量用的光电式互感器'电流互感器外，还进行500kV以下直到6.6kV电压等级的GIS用光电式互感器'电流互感器。我国在这方面也取得了一定进展，特别是近几年，在吸收国外经验的基础上，已有部分厂家生产光电式互感器'电流互感器。光电式互感器'电流互感器可以代替体积大而笨重的传统型互感器'电流互感器，并与断路器组合成一体，从而实现设备的小型化、一体化。在高压直流输电方面，直流测量用光电式互感器'电流互感器较之传统型的互感器'电流互感器有更大的优势，其重量仅为同等级的直流互感器'电流互感器的1/40，无电磁干扰和铁磁损耗，并与电力自动化系统的网络兼容。例如我国三峡至常州500kV直流输电系统就使用了ABB公司的光电式互感器'电流互感器，用于线路的直流电流及谐波电流、交流侧不平衡电流、桥臂电流等的测量。除了在电网中使用外，光电式互感器'电流互感器还可做成类似钳形表式的结构，方便移动，用于测量高压电网中不同地点的电流。也可测量高频电流。4结束语目前国内在光电式互感器'电流互感器的研究方面，特别是高电压等级上还面临一些问题，如温度和应力引起的双折射现象及其降低方法，长期运行时的稳定性和精度方面还需要更进一步的试验和现场考验。综上所述，光电式互感器'电流互感器有着传统电磁式互感器'电流互感器无法比拟的优点，是电磁式互感器'电流互感器理想的替代品，将会使互感器技术进入一个崭新的时代。光电式电流互感器高压电流互感器是电力系统将电网中的高压信号变换传递为低压小电流信号，从而为系统的计量、监控、继电保护、自动装置等提供统一、规范的电流信号(传统为模拟量，现代为数字量)的装置；同时满足电气隔离，确保人身和电器安全的重要设备。高压电流互感器按原理可分为电磁式电流互感器和电子式电流互感器。电子式电流互感器按一次传感器的工作方式，又可分为有源型和无源磁光玻璃型。1电磁式电流互感器电磁式电流互感器即通过电磁感应原理实现电流变换的互感器。由于其在电力系统中已被广泛应用。现仅对主要的饱和问题作一下分析。常见的电流互感器饱和主要有两种：稳态饱和与暂态饱和。其中稳态饱和主要是因为一次电流值太大，进入电流互感器饱和区域，导致二次电流不能正确的传变一次电流。暂态饱和，则是因为大量的非周期分量的存在，进入电流互感器饱和区域。1.1电流互感器稳态仿真分析在ATP中搭建的电流互感器模非线性元件的励磁曲线请登陆:输配电设备网浏览更多信息1.2电流互感器暂态仿真分析二次负载为电阻的暂态饱和波形(R=5)二次侧负载为电感的暂态饱和波形从系统仿真软件ATP中，利用其不同的励磁元件仿真电流互感器的稳态和暂态的波形知，在铁心未饱和前，一次电流和二次电流完全成正比例，当达到饱和后，励磁不再增加，饱和后，不产生电动势。2电子式电流互感器2.1有源型电子式电流互感器有源型电子式电流互感器特点是一次传感器为空心线圈，高压侧电子器件需要由电源|稳压器供电方能工作。其原理如下图所示：2.2无源磁光玻璃型电子式电流互感器无源磁光玻璃型电子式电流互感器特点是一次传感器为磁光玻璃，无需电源供电。其原理如下图所示：3工作原理3.1法拉第磁光效应法拉第磁光效应：如果通过一次导线的电流为i，导线周围所产生的磁场强度为H，当一束线偏阵光通过该磁场时，线偏阵光的偏振角度会发生偏振，其偏振角θ的计算公式为：式中：V为磁光玻璃的verdet常数，L为光线在磁光玻璃中的通光路径长度。3.2法拉第磁光效应在产品中的应用在电子式电流互感器中将L设计为环路，由法拉第磁光效应原理，则：根据安培环路定律，在环路中可推出：根据马吕斯定律，在本产品中：4二次控制系统和接口连接形式4.1二次处理系统4.2接口连接形式4.2.1模拟接口连接形式4.2.2数字接口连接形式5特点⑴不充油不充气，安全可*，免维修。⑵传感器无铁磁材料，不存在磁滞、剩磁和磁饱和现象。⑶一次、二次间传感信号由光缆连接，绝缘性能优异，且具有较强的抗电磁干扰能力。⑷体积小、重量轻，安装使用简便。⑸低压侧无开路而引入高压的危险。⑹具有光、电数字接口功能，便于二次部分的升级换代和数字化变电站的建设。基于Rogowski线圈传感的光电电流互感器的研究我要打印IE收藏放入公文包我要留言查看留言来源：中国变压器网添加人：root添加时间：2008-11-1816:26:58变压器互感器摘要：随着电力系统的快速发展，传统的电磁感应式TA所存在的问题日益严重，给电力系统运行带来一定的故障隐患，而彻底解决这些问题的前提是采用新的传感技术来研制新型的电流互感器。文中介绍了一种基于Rogowski线圈的新型混合型光电电流互感器的工作原理及系统的组成，同时还研究了在技术实现和实用化过程中的一些问题和解决方法。关键词：光电电流互感器；混合型；Rogowski线圈1引言在电力系统中，电磁感应式电流互感器被用来测量电流已有一百多年历史了。它为电力系统的计量、继电保护、控制与监视提供输入信号，具有非常重要的意义。随着电力系统的传输容量越来越大，电压等级越来越高，传统的电磁式电流互感器因其传感机理而出现不可克服的问题：绝缘结构日趋复杂，体积大，造价高；在故障电流下铁芯易饱和，使二次电流数值和波形失真，产生不能容许的测量误差；充油易爆炸而导致突然失效；若输出端开路，产生高电压对周围设备和人员存在潜在的威胁；易受电磁干扰等。为适应电力系统快速发展的需要，必须研究利用其它感应原理的电流互感器。目前利用光学传感或光纤传输信号技术来研制新型的光电电流互感器（opticalcurrenttransducer，简称OCT）已成为人们研究的焦点。由于采用传感头的不同，OCT可分为全光型和混合型两大类。全光型OCT采用光学传感头，其优点主要在于：线性度比较好，灵敏度可以做得很高，绝缘性能好。资料表明，国外已有产品面世，国内也有样机开始进行挂网实验，但温度变化对传感头可靠性和稳定性影响较大，影响测量精度。由于电力系统对电流互感器的测量精度要求较高，采用法拉第效应的全光型OCT还需要从传感头的结构、材料的选择、光路系统的构成等各方面进行改进，提高其运行可靠性、稳定性，使其能够达到电力系统实用的要求。2混合型OCT混合型OCT是利用有源器件调制技术，以光纤作为信号传输媒质，把高压侧转换的光信号传输到接受端进行信号处理，得到被测电流信息的装置，其中光纤仅作为信号传输装置，不用作传感器件。它避免了全光型OCT传感头易受温度变化的影响的缺点及光路设计中的技术难点。早期的混合型OCT是基于传统电流互感器（TA）发展的，它既利用了光纤的高绝缘性的优点，使电流互感器的制造成本、体积和重量显著降低，又充分发挥了电力系统广泛接受的传统TA测量装置的优势，具有很强的实用性，但由于TA传感机理的限制，这种混合型OCT仍存在着传统电流互感器难以克服的一些缺点，如铁磁饱和问题。本文介绍的混合型OCT由于采用的新的传感机理，从根本上解决传统电磁式TA所存在的问题，且其受环境和温度的影响较小，更易满足现场要求。2．1工作原理Rogowski线圈是一种较成熟的测量元件，以前广泛地应用在电力系统高电压领域，它实际上是一种特殊结构的空心线圈，可根据被测电流的变化，感应出被测电流的变化的信号，其特点在于被测电流几乎不受限制，反映速度快，可以测量前沿上升时间为纳秒级的电流，且精确度可高达0．1％［1］。从测量大电流的观点来看，Rogowski线圈是一种较理想的敏感元件，由于它不与被测电路直接接触，可以方便地对高压回路进行隔离测量，因此可以将其作为传感元件，用于混合型光电电流互感器。将测量导线均匀地绕在截面均匀