光纤电流互感器原理及应用研究--

光纤电流互感器原理及应用研究

光纤电流互感器原理及应用研究

【摘要】光纤电流互感器可分为两大类，一类是光电式电流互感器；另一类则为磁光式电流互感器。分别介绍了这两种光纤电流互感器的原理，并介绍了光纤电流互感器的应用研究现状及发展前景。

【关键词】电磁式电流互感器光电式电流互感器磁光式电流互感器法拉第磁光效应全光纤型电流互感器应用研究

【引言】

电流互感器是电力系统中进行电能计量和继电保护的重要设备，其精度及可靠性与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关。然而随着电力工业的发展，电力传输系统容量不断增加，运行电压等级也越来越高，目前我国电网的最高电压等级已达500 kV,下一个电压等级也许是750 kV或1000 kV。此时，传统的电磁式电流互感器暴露出一系列严重的缺点随着电力系统向大容量、高电压的方向发展，对电力设备提出了小型化、自动化、高可靠性的要求。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】

1 电磁式电流互感器的缺陷

传统的电磁式电流互感器暴露出一系列严重的缺点：电流互感器的绝缘结构将非常复杂，造价也会急剧增加；由于电磁感应式电流互感器所固有的磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、频带窄以及有油易燃易爆等缺点，已难以满足新一代电力系统在线检测、高精度故障诊断、电力数字网等的发展需要。

寻求更理想的新型电流互感器已势在必行，目前注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感器。

2 光纤是传播信号的良好介质[1]

光纤作为信号传输介质具有以下优点：损耗低、频带宽；重量轻；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感应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 光纤电流互感器

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研究成功的一种光、机、电一体化设备，是常规电磁感应式电流互感器（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、抗电磁干扰能力强、不存在磁饱和、磁滞效应、铁磁谐振、易燃易爆及二次侧开路后产生的高电压等问题，还有安装运输方便、维护简单、与现代光通信兼容等优点，是未来我国及世界各国220kV、330kV、500kV以及更高电压等级电力系统中电能计量、继电保护、控制与监视等必不可少的核心部件。

3.1 光电式电流互感器(OECT)[2]

传统的电流互感器(TA)是将一次侧电流信号通过电磁感应传到二次侧，而OECT则利用光纤将一次侧的电流信号传输到低压侧的数据处理系统。OECT的具体测量原理如图1所示。对电流采样采用铁心线圈(或空心线圈)，然后将采样来的电流信号进行电—光转换，转

换后的光信号通过光纤传输到低压侧数据处理系统，低压侧系统利用光—电变换器再将光信号转换成相应的电信号，由微机进行处理。光纤在这里既起到高、低压侧的通信联系作用，又起到高、低压侧的隔离作用。这一对矛盾的统一使得其性能优于传统的电磁式电流互感器。

图1 OECT原理图

光电式电流互感器高压侧的电子电路需要有电源供应才能够正常运行，由于高压侧和低压侧没有电磁联系，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：①由母线上电流产生的电磁场感应而产生；②由低压侧将电能转换为光能，然后通过光纤将能量传输到高压侧；③在高压侧用电池解决电源问题。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，应用于测量和保护，第1种方案较佳。

3.2 磁光式电流互感器(MOCT)

3.2.1 法拉第磁光效应[3]

图2 法拉第磁光效应原理图

采用法拉第磁光效应进行电流测量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。原理图如图2：当一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时，线偏振光的偏振面就会线性地随着平行于光线方向的磁场大小发生旋转；通过测量通流导体周围线偏振光偏振面的变化，就可间接地测量出导体中的电流值。用算式表示为：

(1)

式中θ为线偏振光偏振面的旋转角度；V为磁光材料的Verdet常数；l为磁光材料中的通光路径；H为电流I在光路上产生的磁场强度。

由于磁场强度H由电流I产生，式(1)右边的积分只跟电流I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(1)可表示为：

θ=VKI(2)式中K为只跟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，当通光路径为围绕通流导体1周时，K=1，故只要测定θ的大小就可测出通流导体中的电流。

由于目前尚无高精确度测量偏振面旋转的检测器，通常将线偏振光的偏振面角度变化的信息转化为光强变化的信息，然后通过光电探测器将光信号变为电信号，并进行放大、处理，以正确反映最初的电流信息。一般采用检偏器来实现将角度信息转化为光强信息。

3.2.2 磁光式电流互感器(MOCT)原理[4]

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，它的基本原理是法拉第磁光效应。光纤在这里既起到高、低压侧的绝缘隔离作用，又起到对电流采样的作用。法拉第效应是指当强电磁场加在某一种材料(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偏振光以平行于磁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。自从法拉第发现这个现象以来，很多固态、气态、液态材料都被发现具有法拉第效应。经过实验还发现，偏振光偏振面所旋转的角度同磁场的强度和光在材料中通过的距离有关。其原理图如图3：

图3 磁光式电流互感器原理图

3.2.3 全光纤型电流互感器（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，其余于上述互感器一致。全光纤型光电式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、可靠性要高。缺点是这种互感器的光纤是保偏光纤，比其他两种所采用的光纤品质较高，要制造出稳定性好的光纤很难，工艺要求高，且造价昂贵。其原理图如图4：