电子式电流互感器的基本原理及应用

经济性好。在电压等级升高时，成本只稍有增加。 可以组合到断路器或其他高压设备中，共用支撑 绝缘子，可减少变电站的占地面积。
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电子式电流互感器的需求更迫切
故障情况下，传统互感器的测量都有不同程度 的失真，但电流互感器远比电压互感器严重。 光学互感器采用光纤传输，而光纤传输方式对 于电流互感器可以大幅度简化绝缘结构和降低 制造成本，对于电压互感器却达不到此种效果。 电力系统中，电流互感器的数量远多于电压互 感器，市场规模更大。
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电子式互感器的优势
适应电力计量与保护数字化的发展要求。电子式 互感器能直接提供数字信号给计量、保护装置， 有助于二次设备的系统集成。 动态范围大，频率响应范围宽。额定电流为几十 安到几十万安培，能测出高压电力线上的谐波， 还可以进行暂态电流、高频大电流与直流电流的 测量。
空心线圈电流互感器。以Rogowski线圈作为电流传 感器，在高压侧需要电源供电。 铁芯线圈式低功率电流互感器(LPCT)。通过一个分 流电阻将二次电流转换成电压输出，实现I/V变换， 具有低功率输出特性，动态测量范围大 。
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光学电流互感器
（全光纤电流互感器）
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基于偏振检测方法的全光纤电流互感器
当载流导体没有电流时，使渥拉斯顿棱镜的两个主轴 与入射光纤的线偏振光的偏振方向成45 ，可获得最大 灵敏度。 当载流导体通以电流时，光电探测器接收到的光强为
I 2 I 0 cos 2 45 经过信号处理电路
I1 I 0 cos 2 45
传统互感器测量稳态电流时，线性度较好；但 在暂态时，由于线路中存在直流电流， 使得电 流互感器易发生饱和，造成测量误差，可能导 致继电保护的误动或拒动； 电压互感器可能出现铁磁谐振，损坏设备；
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传统互感器存在的问题
由电流、电压互感器引至二次保护控制设备的电 缆是电磁干扰的重要耦合途径；
解决双折射问题的方法
减少双折射分量。采用低双折射的螺旋光纤（通过 自旋方式拉制的低双折射光纤）或将光纤绕成适当的 结构，减少双折射的影响。 引入圆双折射。设法使光纤中的圆双折射远大于线 性双折射，常用的措施有采用扭转光纤或采用高圆双 折射光纤。扭转光纤就是将传感光纤沿轴向扭转多圈， 以增加其固有圆双折射，这样，电流磁场产生的法拉 第旋转将叠加在其固有圆双折射上，使测量灵敏度增 加。这种方法的主要问题是扭转产生的圆双折射随温 度变化，需要采取复杂的温度补偿措施。
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法拉第效应
1864年，法拉第发现在磁场的作用下，本来不具 有旋光性的物质也产生了旋光性，即光矢量发生 旋转，这种现象称作磁致旋光效应或法拉第效应。
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法拉第效应
VH sl
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V 维尔德(Verdet)常数 n
Hs
l 磁场在光传播方向的分量 光通过物质的光程
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双折射对电流测量的影响
测量灵敏度受外界温度的影响。弯曲光纤引入的线性 双折射分布是随温度的变化而变化的，导致传感器的灵 敏度也随温度变化而产生漂移，且沿光路上不同部分的 灵敏度是逐渐变化的，分布不均匀。 振动影响。周期性振动会引起传感头内线性双折射周 期性改变，从而影响输出的稳定性。振动时，上行传导 光纤的作用会使进入起偏器的光强发生波动，对系统产 生不良影响。 由于线性双折射对温度和振动等环境因素变化十分敏 感，会造成偏振光偏振态输出的不稳定，影像测量准确 度。因此，利用各种方法降低双折射是全光纤电流互感 器实用化过程中需要解决的关键问题。 2018/11/12 26
对来自二次转换器的电流和/或电 压数据进行时间相关组合，通信 标准为IEC61850。
合并单元
数字输出
合并单元 电源
12个二次转换器数据通道 合并单元的数字接口框图
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电子式电流互感器的分类
光学电流互感器。采用光学原理、器件做被测电流 传感器，光学原理器件由全光纤、光学玻璃等构成。 传输系统用光纤光缆，输出电压正比于被测电流。 在高压侧不需要电源供电。
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理单元
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全光纤电流互感器存在的问题
全光纤电流互感器存在的主要问题是传感光纤的线 性双折射难以处理。
光波入射非均质体(光学性质随方向而异)，除特殊方 向(光轴方向)以外，都要分解成振动方向互相垂直， 传播速度不同，折射率不等的两种偏振光，此现象称 为双折射。
引起双折射的因素有很多，例如，光纤本身的不完 善(椭圆度和内部残余应力)、外界温度及光纤机械状 态变化等。根据双折射的特点，可以分为线性双折射、 圆双折射和椭圆双折射。
采用油浸纸绝缘，易燃易爆，不安全；
电磁式电流互感器的二次侧输出对负载要求严格， 若二次负载较大，测量误差就增大，准确度下降； 传统互感器的模拟量不能直接与计算机相连（电 流互感器模拟量输出为5A或1A） ，难以满足新 一代电力系统自动化、数字化的发展需要。
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电子式互感器的优势
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双折射对电流测量的影响
降低了电流测量灵敏度。双折射使得线偏振光的 两个正交光振动分量之间产生位相差，结果输出光 变成了椭偏振光。当使用偏振仪进行测量时，由于 椭偏振光偏转角的测量灵敏度比偏振光小，因此， 整体的测量灵敏度也相应减小。 对于不同的入射偏振面，传感器具有不同的测量 灵敏度。由于线性双折射的存在，对不同偏振面的 入射线偏振光，双折射引入的位相不同，使得整个 探头的灵敏度随偏振面方位的改变而周期性变化。
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基于偏振检测方法的全光纤电流互感器
渥拉斯顿棱镜 光纤圈 电导体
P1
探测器
信 号 处 理
P2
光缆 光源 偏振器
光源发出的单色光经起偏器变换为线偏振光，由透镜将光 波耦合到单模光纤中。高压载流导体通有电流，光纤缠绕在 载流导体上，这一段光纤将产生磁光效应。光纤中线偏振光 的偏振面旋转θ角，出射光由透镜耦合到渥拉斯顿棱镜，棱 镜将输入光分成振动方向相互垂直的两束偏振光，并分别送 达到光电探测器，经过信号处理，即能获得外界被测电流。 2018/11/12 19
当电力系统发生故障时，互感器能正确反映故障 状态下电流、电压波形，与继电保护和自动装置 配合，可以对电网各种故障构成保护和自动控制 (称之为保护用互感器)。 目前，电力系统主要是采用传统的电磁式电流、 电压互感器和电容式电压互感器。
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传统互感器存在的问题
绝缘结构复杂，体积笨重，造价高（造价随电 压等级呈指数关系上升），特别是用于超高压 系统并且要满足大短路容量的动稳定及热稳定 要求时；
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法拉第效应
目前尚无高精度测量偏振面旋转角的检测器， 因此，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，然后通过光电转换 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。 一般用光电探测器(检偏器)将角度信息转换为 光强信息。为此必须先用起偏器将光变成线偏 振光，经被测磁场后用光电探测器求光强信息。
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法拉第效应
载流导体通以交变电流，其周围将有交变磁场，此时旋 转角正比于磁场沿着线偏振光通过材料路径的线积分
V H dl
若将光路设计成围绕电流导体N圈的闭合环路，则上式 是闭合环路的线积分，根据全电流定律
V H dl VNi
L
电流与θ角成正比，环路数N越多，测量灵敏度越高。
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x
二束光在起偏器中产生干涉, 根据偏振干涉原理可获得被 测电流值。 基于干涉检测方法的全光纤电流互感器 二束光在光纤末端被反射镜反 射，它们的旋转方向发生交换， 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。
y 反射器
单模传感光纤 载流导体 光纤 延时器 4 y

返程的二束光在电流作用下, 偏 振角再次发生旋转，再经λ/4 波 x x 片后，变为互相垂直的两束线偏 椭圆芯保偏光纤 振光，但它们原来的偏振方向发 4VNI 光纤相位调制器 生了交换，即正向传播时在x 方 光纤起偏器 光源 向的偏振光，返程时变为y 方向 信号输出 耦合器 光电二极管 的偏振光，反之亦然。 信号处
此结果是以光在全程中保持线偏振为基础的，即要求光纤 2018/11/12 20 在这个长度上尽可能接近无双折射。
I1 I 2 P sin 2 I1 I 2
基于干涉检测方法的全光纤电流互感器
基于干涉检测方法的全光纤 电流互感器并不是直接检测光 的偏振面旋转角度，而是通过 法拉第效应作用的两束偏振光 的干涉，检测其相位差的变化 来测量电流。 系统中处于高压侧的传感光 纤为经退火处理的单模光纤; 而处于高、低压两侧之间的传 光光纤为椭圆芯保偏光纤。
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解决双折射问题目前所采用的方法
采用退火光纤。将绕制完成后的传感光纤加热到大 约800℃，然后慢慢冷却，可以消除光纤弯曲引起的线 性双折射。缺点是退火后光纤变得非常脆，且透光率 会受到影响。
单模传感光纤 载流导体 y 反射器 光纤 延时器 4 y x 椭圆芯保偏光纤 光纤相位调制器 光纤起偏器 光源 信号输出 耦合器 光电二极管 信号处 22 理单元

通过高压侧的λ/4 波片后再变 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 不同角度。
电子式电流互感器的基本原理与应用
主要内容
• 发展背景
• 光学电流互感器
• 空心线圈电流互感器 • 应用与展望
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发展背景
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电力互感器的作用
将电力系统一次侧的电流、电压信息传递到二次 侧，与测量仪表和计量装置配合，可测量一次系 统的电流、电压和电能(称之为测量用互感器)。
模拟电压输出
二次 转换器
供合并单元使用
IV S1 S2
MR
EF 二次电源
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电子式电流互感器的基本结构
ECTa(测量)的SC ECTb(测量)的SC ECTc(测量)的SC ECTa(保护)的SC ECTb(保护)的SC ECTc(保护)的SC 中性点ECT的SC EVTa的SC EVTb的SC EVTc的SC 中性点EVT的SC 母线EVT的SC 需 要 时 的 时 钟 输 入 电 源
电子式电流互感器：是一种电子式互感器，在正常使用 条件下，其二次转换器的输出实质上正比于一次电流， 且相位差在连接方向正确时，接近于已知相位角。
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电子式电流互感器的基本结构
P1 P2 一次 传感器 一次 转换器 传输系统 MR 一次电源 符号 IV 输出无效 EF 设备失效 MR 维修申请 单相电子式电流互感器通用框图 二次 转换器
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电子式电流互感器的定义
《电子式电流互感器》标准：IEC60044-8: 2002， GB/T 20840.8—2007 电子式互感器：一种装置，由连接到传输系统和二次转 换器的一个或多个电压或电流传感器组成，用以传输正 比于被测量的量，供给测量仪器、仪表和继电保护或控 制装置。在数字接口的情况下，一组电子式互感器共用 一台合并单元完成此功能。
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单模传感光纤 载流导体 y 反射器 光纤 延时器 4 y x 椭圆芯保偏光纤 光纤相位调制器 光纤起偏器 光源 信号输出 耦合器 光电二极管 信号处 21 理单元

x
基于干涉检测方法的全光纤电流互感器
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 偏振方向与椭圆光纤的长、短轴 成45度角，故在传光光纤中传输 的是互为垂直的二束线偏振光。
消除了磁饱和现象。电子式互感器没有铁芯， 暂态性能好。 对电力系统故障响应快。现有保护装置是基于 工频量进行保护判断的，而使用电子式互感器 可以实现暂态信号量作为保护判断参量。 消除铁磁谐振。
优良的绝缘Байду номын сангаас能。电子式互感器的绝缘相对简 单，高压侧与地电位之间的信号传输采用绝缘 材料制造的玻璃纤维，体积小、重量轻。