光电传感器在继电保护中的应用

班级：1011电子信息工程姓名：叶波学号：2010128196光电传感器在继电保护中的应用光电传感器在继电保护中的应用摘要:根据电力系统输送容量不断增加、电压等级不断提高的现状分析了传统的互感器对电网进行测量和监控存在的缺陷。选取了目前正处于实用化研究阶段的光电传感器进行研究对电流测量线圈、微分电流传感器线圈进行了特性分析研究了新型光电传感器电量信息传输模式在继电保护设备中的应用。在查阅了国内外文献的基础上介绍了国内外光电传感技术的发展和研究现状论证了应用光电传感器的可行性。通过探讨继电保护系统与光电传感器的模拟和数字2种接口形式指出其应用环境和特点。关键词:光电传感器;电流测量线圈、微分电流传感器线圈;继电保护;接口1可行性研究随着电力工业的发展电力系统的输送容量和电压等级不断提高传统的互感器对电网进行测量和监控存在着许多缺点如绝缘结构日益复杂、体积大、造价高且充油设备存在着易爆和难维护的问题。励磁式电流互感器采用电磁感应原理将一次绕组的大电流转换成二次绕组的小电流。这种电流互感器尽管具有很多优点但是其体积和质量均比较大绝缘负担较重且容易产生铁磁性谐振。尤其是随着电力系统传输容量的增加测量电流不断加大电流互感器铁心饱和而引起的波形畸变、暂态过程的直流分量增大等影响了测量精度的提高。另外随着电压等级的提高和电流的加大输入强电流和输出弱电流之间的电气绝缘和发热等问题也难以解决。目前应用光电传感器的光纤互感器和光纤通讯网构成的光纤发变电站综合自动化系统已成为电力自动化技术最有前景的发展方向之一电力互感器是电力系统中重要的电量测量设备也是实现电力自动化的关键设备。传统的电力互感器(TA、TV)由于尺寸大、质量大、抗干扰差、信息传输容量小等缺陷使得电力系统的安全运行和自动化水平均无法达到要求。新型有源光电传感器可有效克服上述缺陷同时能以数字信号输出取消了大量的二次电缆为电力系统的安全运行、节约成本、高压设备无油化、优化二次设备提供了坚实的基础。利用光学技术、光纤传感技术开发的光电式电压互感器(OVT)和光电式电流互感器(OCT)以及组合式光电互感器(OMU)它们具有传统互感器不可比拟的优点。随着计算机技术、通信技术的迅速发展电力系统的继电保护与控制已基本实现微机化设备体积趋向小型化这也同样要求与继电保护和控制设备接口的外部测量部分小型化和弱电化。传统的保护控制设备由于消耗功率较大要求外部测量设备具备一定的输出功率以驱动保护控制设备的运行。随着微处理机的发展迫切需要有与之相匹配的直接接口的外部测量设备。采用光电传感器其输出的数字测量信号、弱电流/电压能直接与微机型保护控制设备接口满足保护控制测量的要求且基本消除了传统电磁式电流、电压互感器磁饱和的缺点。随着电力系统容量的不断增大和电网运行电压等级的提高对电力系统继电保护的动作速度要求越来越高这就要求互感器具有良好的暂态响应特性能真实、快速地反映一次故障信号使继电保护装置能在暂态过程尚未结束前就正确动作。而存在磁饱和、剩磁等情况的电磁式互感器已无法满足电力系统日益发展的需要。采用光电传感器可以在很大程度上解决上述问题。在光电传感器中高压侧信息是通过由绝缘材料做成的玻璃光纤传输到低电位的其绝缘结构简单造价低。光电传感器不含铁心消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。光电传感器的高压与低压之间只存在光纤联系低压侧没有因开路或短路而产生的危险同时因为没有磁耦合消除了电磁干扰对互感器性能的影响。光电传感器具有很宽的动态范围暂态响应范围大测量精度高。光电传感器的频率响应范围宽而且没有因充油而产生的易燃、易爆等危险。同时光电传感器与继电保护的数字化、微机化和自动化的发展潮流是相适应的。2光电传感器的发展国外光电电流互感器的研究始于20世纪60年代末至70年代初到80年代和90年代初OCT已经开始了产品化研究目前许多大公司已经形成了成套产品。据有关资料统计到1999年底大约有2000多台光电电流互感器挂网试运行。光电电压互感器的研究较光电电流互感器晚大约在20世纪70年代末。70年代中期随着光导纤维的出现光纤传感技术在高压电力系统中的应用研究出现热潮日本、英国和前苏联等国的学者虽曾研制出几种光学电压、电流互感器但却处于精度低、温度稳定性差的困惑中皆未形成实用化产品。80年代后期随着电子技术、计算机技术及光纤传感技术的深入发展光纤传感技术在高压电力系统中的应用研究获得了突破性进展取得了令人瞩目的成果。美国、日本和法国等国家众多的大电气公司先后研制出多种实用型基于电光Pockels效应的OPT样机并在实际高压电站的运行中获得成功。90年代以来光学电力互感器的研究进入实用化阶段。经过20多年的研究国外的光电传感器技术已趋于成熟而且产品化也做得非常好，很多产品都投入了使用。随着光纤传感技术、光纤通信技术的迅速发展光纤技术可以用于电站中的测量、控制、保护和通信等各方面。目前光学电压互感器、光学电流互感器、光纤分布式温度传感器、光纤电力故障测量仪以及光纤远距离继电保护等都发展很快已经进入试运行阶段。将光纤传感、光纤监控、光纤通信和光纤保护连到一起形成传感系统的网络化，必将对传统电力系统的技术改造起到巨大的推动作用。目前国际上已有许多工业化国家如美、英、日、韩、瑞典等都对采用光学系统取代原来的电气系统来完成电站的监控、通讯和保护功能进行了系统的研究。由于光电传感器技术上的先进性和应用的巨大前景，其商用化的应用研究已成为近期及未来的研究热点和重点。目前，我国的部分高校和一些企业已经开始在样机的研制、实验室测试和试运行方面开展了很多工作。但总的来说研究的重点还在传感器本身的性能特性的提高方面对研究光电传感器在变电站自动化中的应用几乎很少涉及尤其是对光电传感器如何接入到现有系统中和保护、监控设备配合使用使其真正达到实用化水平这方面的研究更少见。3电流测量线圈、微分电流传感器的研究光电传感器的主要部分电流测量线圈、微分电流传感器线圈又称为空心互感器或者磁位计。它是根据被测电流所产生的磁通势来确定电流大小的测量装置由导线均匀密绕在一个非磁性骨架上而制成线圈绕成偶数层(一般为2层有时为1层回线采用单根导线)。为了叙述方便将电流测量线圈、微分电流传感器线圈外部整体构成的线圈称为/外线圈0而将非磁性骨架的截面称为/内线圈0其结构如图1所示理论证明电流测量线圈、微分电流传感器线圈所交链的磁链与被测电流存在线性关系理论证明电流测量线圈、微分电流传感器线圈所交链的磁链与被测电流存在线性关系当电流测量线圈、微分电流传感器线圈绕制非常均匀且内在其单元长度的小线圈上所交链的磁链(见图1b)可用式(1)计算。式中B为电流测量线圈、微分电流传感器内线圈几何中心的磁感应强度;S为内线圈所围的面积;w为内线圈的总匝数;l为外线圈长度。于是整个电流测量线圈、微分电流传感器内线圈所交链的磁链可用式(2)计算1=∫∫为了消除被测电流附近其他载流导体对测量线圈的影响电流测量线圈、微分电流传感器线圈一般采用偶数层绕制且绕制方向相反电流测量线圈、微分电流传感器外线圈所交链的磁链72感应的电势e为0(如图1c)这样就消除了外界磁场对测量的响。电流测量线圈、微分电流传感器线圈所交链的总磁链所感应的电势由全电流定律知:U(t)=-()-s∑式中∑=I(t)为电流测量线圈、微分电流传感器线圈所包围区间流过的电流之和即被测电流;M=s为电流测量线圈、微分电流传感器线圈的互感系数它是仅与电流测量线圈、微分电流传感器线圈的结构有关的常数。由式(3)可知测量线圈所交链的磁链与穿过电流测量线圈、微分电流传感器线圈限定面的电流成正比而与未穿过电流测量线圈、微分电流传感器线圈限定面的载流导体不存在任何电磁联系;它实际上是一个无定向元件故利用它可在外界杂散磁场非常复杂的情况下准确地测量大电流完全满足电力系统继电保护用电流互感器的具体用条件。更难能可贵的是它不存在磁饱和问题能在任何情况下线性地跟随被测电流的变化。4光电传感器和继电保护接口继电保护技术经历了电磁式、模拟式以及数字式等几代的发展随着数字信号处理技术和微电子技术的发展数字微机保护已经成为主流。数字微机式继电保护装置只是需要获取电流、电压信号的幅值和相角而没有功率方面的要求。不过目前电流、电压信号的获取仍然是采用传统的电流、电压互感器而由于传统的电磁式互感器本身固有的一些问题常常会导致保护装置误动或拒动造成不必要的损失。随着光电传感器研究的日趋成熟基于光电传感器获取电压、电流信号已成为可能。由于光电传感器不存在饱和问题因此就从根本上避免了上述问题。而目前需要解决的是怎样应用光电传感器作为保护装置的信号获取环节。有源型光电传感器的传感头输出的是模拟量但输送到低压端的时候一般都要经过模/数转换和光电转换以光信号输送到地端。而目前的保护装置通常是将电压、电流互感器的模拟量输出引入到装置里然后进行信号的前置处理、模/数转换以及相应的运算。所以光电传感器和继电保护系统的接口如何实现是将光电传感器应用到保护系统中首先要解决的问题。由于有源型光电传感器的原始输出是模拟量所以在一定的工作要求和条件下可以直接将光电传感器的输出和保护进行接口。如图2所示。从图2中可以看出由于光电传感器的输出都是小电压范围的模拟信号并且经过电子线路处理后的电压范围与保护系统所需要的电平范围正好匹配所以传统的微机保护系统的输入变换及低通滤波插件可以省略而后续插件都可以保留。上述方案的好处是与保护系统的接口方法简单对系统的改造成本低保护系统的硬件几乎不需要任何改动而软件算法也可以不加调整即可使用。不足之处是该方案的适用范围有限一般在动态模拟实验室、低压或者对绝缘要求不高的工作环境中使用。在正常的工作环境下有源光电传感器的输出是通过光纤以光数字信号传输到低压端的。在低压端利用信息合并单元(IMU)处理后的信号形式是数字电信号而在微机保护系统中算法运算所需要的也是数字量所以可以直接将光电传感器的低压端数字电量输出与保护的输入相接口而且就地开关量也通过IMU实现与保护系统的通信。具体的连接方式将由现场的状况和系统的复杂程度决定可以是直接的点对点通信也可以是网络通信模式如图3所示。从图3中可以看到由于传输到保护系统的已经是数字电量了所以传统保护系统的模拟量输入变换及低通滤波插件和A/D变换插件都可以省略掉只需增加数字通信接口就可以实现电压量和电流量的输入了该方案大大简化了保护系统的硬件结构增加了系统的可靠性。同时由传送的是数字量也消除了二次负荷对互感器测量误差的影响。5结论传统电力工业在现代电子技术和数字化进程的影响下正迅速向测量智能化、控制数字化、信息网络化等方面发展;而现代电力系统在规模不断扩大、结构日趋复杂的情况下对电网的安全、可靠、稳定运行提出了越来越高的要求。电流、电压互感器作为电量测量装置是监测一次设备运行状态的关键也是二次设备工作的基础。同时由于二次设备智能化的发展使得采用低功率、非电磁原理的电流、电压测量装置取代常规互感器成为可能。目前最具实用化应用价值的有源型光电传感器的研究主要是针对稳态测量情况下探讨提高测量精度的各种方法和措施。而要真正实现光电传感器的实用化必须考虑其如何满足控制、保护的需要。为此研究光电传感器自身特性使之可以满足电力系统继电保护设备的需要研究继电保护系统与光电传感器的模拟和数字2种接口形式以促进继电保护新原理的研究。参考文献[1]刘笃仁韩保君传感器原理及应用技术（第二版）西安电子科技大学出版社2009年4月。[2]曾庆禹。电力系统数字光电量测系统的原理及技术[J]。电网技术2001[3]童诗白华成英模拟电子技术基础清华大学出版社2009年3月。[4]曾庆禹。电力系统数字光电量测系统的应用及效益分析。