第7章 电压电流互感器

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高压光纤电压互感

和电流互感器类似，电压互感器作为电力系统中的 重要设备，对电力系统的稳定运行和精确计量具有 重要意义。它为电力系统提供用于计量、控制和继 电保护所必需的信息。目前，包括我国在内的世界 各国，电压的测量仍然依靠传统的电磁式电压互感 器PT(Potential Transformer)，它要求在高、低压端 之间提供复杂昂贵的电气绝缘。随着输配电网朝着 高电压、大容量方向发展，不仅使高电压等级的PT 变得越来越笨重，价格越来越昂贵，而且给运输和 安装带来困难，加上本身存在的磁饱和、铁磁谐振、 动态范围小、频带窄、易燃易爆、易受干扰，PT的 次级短路危及周围设备及操作人员的生命安全等一 系列问题，都促使人们研制更为先进的传感系统。
传统电磁式电流互感器的结构和工 作原理


电磁式高压电流互感器 在高压电力系统中，由于对设备的绝缘安全性具 有极高的要求，尤其是在户外工作的高压电流互 感器还要考虑雷电冲击、负载瞬间短路等极端情 况，对高压电流互感器的绝缘要求使得基于电磁 感应原理的电流互感器变得体积庞大、重量达到 数吨、成本急剧升高，其设备成本随电压等级的 升高成指数关系上升。但是，这类互感器因为结 构原理简单，具有工作可靠、稳定性好等优点， 也是目前国内电力行业中广泛采用的。
基于晶体电光效应的电压互感器

1.晶体的电光效应 光在各向同性介质中传播时，由于 D E ，若 为常数， ，则光沿曲线前进。光在各 (r ) 光是直线前进的；若 ij Di 0 ij E j为常数，出现双 向异性介质中传播时，由于 ， 折射效应。因此，光在介质中传播的规律是受介质折射率 分布所制约，而介质的折射率分布则与介质的介电常数分 布密切相关，以前认为介质的介电常数 是一个物质常 数，实际上外界的各种因素常常会引起的变化，从而引起 光传播的变化。例如：介质因受力而引起的折射率变化， 称为弹光效应；因电场而引起的折射率变化，称为电光效 应；因磁场而引起的折射率变化，称为磁光效应等。
有源型

互感器采用Rogowski线圈作为检测电流的传感 头。Rogowski线圈一般是在非磁性骨架上缠绕 一定圈数的导线(常采用康铜丝)，然后将绕制 好的空心线圈套在电力母线上。套在电力母线 上的Rogowski线圈的感生电动势是电力母线电 流微分的一个比例系数，所以为了恢复被测电 力母线电流的幅值和相位信息，需要将 Rogowski线圈输出信号进行积分后再进行进一 步的处理。在图7-8中，采用高精度低功耗的 A/D转换器实时地将信号由模拟量变成数字量， 然后通过电光转换经光纤送到低压地面端进行 电光转换，再通过合适的D/A转换恢复成模拟 量。
VHl
式中，
l 为偏振面的偏转角；
为光通过介质的路径长度； V 为磁场强度 为磁光材料的特性常数——(Verdet)费 尔德常数，它与介质的性质和波长、 温度有关。如果 角能够被检测出， 则可测得磁场强度。
H
；

而磁场强度和导线流过的电流之间满足安 培环路定律，式中表示电流产生的磁场回 路半径，因此，就可由
I I 0 (1 cos )

式中I0正比于光源的光强。由信号处理电路求出(7-10)式 的，再由(7-9)式测出高压母线中的电流大小和相位。 全光纤型光电电流互感器的优点是传感头结构最简单，比 无源的容易制造，精度和寿命与可靠性比无源型要高。缺 点是这种互感器的光纤需要保偏光纤，比有源型和无源型 所采用的普通光纤特殊，要做出有高稳定性的保偏光纤很 困难，造价比较高。
N1 I1 N 2 I 2

即电流互感器的副边输出电流和原边被测电流之间成正比例 关系。在副边输出两端串接电流表即可实现对原边电流的测 量。该种互感器结构简单、成本低、长期工作可靠性高，但 是因为铁芯具有带宽窄、容易出现磁饱和等缺点，尤其是基 于该原理的电流互感器在副边开路时会有高压产生，对操作 者的人身安全具有一定的威胁。
就是其中之一。
传统电磁式电流互感器的结构和工 作原理
电磁式低压电流互感器 低压电流互感器一般适用于1000 V以下电 压等级中的电流测量，可以用于几十安培 到一千安培范围内的电流测量，测量精度 可以达到0.2%。因为其结构简单，耐压等 级不高，价格也比较便宜，广泛应用于工 业生产中电流的测量。
全光纤型

两束光在光纤末端被反射镜反射，根据反射定律， 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。返程的 二束光在电流作用下，偏振角再次发生旋转，再 经波片后，变为互相垂直的二束线偏振光，但它 们原来的偏振方向发生了交换，即前进时在x方向 的偏振光，返程时变为 y方向的偏振光，反之亦然。 两束光在起偏器中产生干涉，根据偏振干涉原理， 就可以获得被测电流的大小和相位。
第七章
电压电流互感器
高压光纤电流互感器
电力工业是国家经济建设的基础工业，在国
民经济建设中有举足轻重的地位。近年来随着各
国经济的迅速发展，对电力的需求日益增大，电 力系统的额定电压等级和额定电流都有大幅度的
提高和增加。例如，60 年代前苏联和欧洲某些发
达国家纷纷将原来的 220 kV 的骨干电网发展为 500 kV 的骨干电网，到80 年代前苏联甚至出现了
H I /( 2R)

求出被测电流的大小和相位。
I 2R /(V L)
基于法拉第效应原理的无源型光电 电流传感器系统
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传统电磁式电流互感器的结构和工 作原理
铁芯
被测电流母线 (原边)
图7-1 电磁式低压电流互感器外形结构图
副边输出
图7-2 电磁式低压电流互感器内部结构图
传统电磁式电流互感器的结构和工 作原理

电流母线从闭路铁芯中穿过，铁芯上按照比例关系缠绕一定 圈数的导线作为副边。设原边匝数为 N1,原边电流为 I1 ，副边 匝数为 N 2 ，副边电流为 I 2 ，根据电磁感应磁路平衡原理式， 原边和副边的匝数和电流之间的关系满足:
1150 kV的特高压输电线路。
高压光纤电流互感器
而中国也由80年代的220 kV 骨干电网发展到目
前500 kV 骨干电网，预计进入 21 世纪后随着金沙
江等大容量梯级电站的建设，中国将出现由特高 压1200 kV的输电线路进行电力的输送。与之相应
的电力系统中的输变电设备的额定电压和额定电
流都要随之提高，因此，必须研究和发展新型的 高压设备，电流互感器 (Current Transformer, CT)
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图7-5 全光纤型 光纤电流互感器 原理框图


二束光除偏振方向互相交换外，它们都在同一根光纤中传 输，周围环境产生的光纤伸缩等效应对互感器的输出几乎 没有影响，因此可以从理论上排除外来的干扰。而由电流 产生的相移为 4VNI 式中V为传感光纤的费尔德常数，N是环绕载流导体的光 纤匝数，I为被测电流，系数4是本方案中有二束偏振光在 传感光纤中往返二次传输的结果。干涉仪输出的光强为

Pockels效应型光学电压互感器

该原理互感器是利用材料的Pockels效应来实现对高 压电压进行测量的。按照外加电场方向分为横向和 纵向两种方式。图7-6a为晶体的横向调制方式，图 7-6b为纵向调制方式。横向调制型的优点是：晶体 半波电压易于调整(因半波电压和晶体的尺寸有关 )， 电极距便于调整以适应测量不同电压等级的要求； 不许透明电极；易于加工制造。而温度灵敏度较大 则是其缺点。纵向调制的优点是：抗干扰(温度及外 电场干扰)的能力较强，缺点是测高压困难(绝缘及 晶体半波电压较低)，对此可用电容分压、多晶片叠 加分压等方法予以克服。
图7-3 法拉第电流互感器原理图
光源发出的光经起偏器后变成线偏振光，线 偏振光经过位于电流产生的磁场中的磁光材料后 偏振方向受到磁场调制，经过检偏器后由信号检 测与处理单元进行强度探测和信号处理。
无源型结构是近年来比较盛行的，其优点 是结构简单，且完全消除了传统的电磁感 应元件，无磁饱和问题，充分发挥了光电 互感器的特点，尤其是在高压侧不需要电 源器件，使高压侧设计简单化，工作寿命 长。 光学晶体型电流互感器的缺点是光学器件 制造难度大，测量的高精度不容易达到。 尤其是此种电流互感器受费尔德(Verdet)常 数和线性双折射影响严重。而目前尚没有 更好的方法能解决Verdet常数随温度变化而 出现的非线性变化即系统的线性双折射问 题。
全光纤型

全光纤型光电电流互感器的传感头即是光 纤本身(而无源型光电电流互感器的传感头 一般是磁光晶体，不同于全光纤型的传感 头是特殊绕制的光纤传感头)，其余与无源 型完全一样。
全光纤型

处于高压侧的传感光纤为单模光纤，而处于高、 低压两侧之间的传光光纤为椭圆芯保偏光纤。 基本工作原理是：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。通过高 压侧的延迟器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， 各自旋转了不同角度。

有源型

有源型又可以称为混合型，所谓有源型光电电流 互感器乃是高压测电流信号通过采样传感头将电 信号传递给发光元件而变成光信号，再由光纤传 递到低电压侧，进行光电转换变成电信号后输出。 有源型光电电流互感器不用光学器件作为敏感元 件测量电流，而是把光纤作为信号传输的媒质， 这样，一方面可以容易地实现互感器高低压之间 的电气隔离，另一方面又克服了采用光学敏感元 件带来的长期稳定性和可靠性问题。。
光电电流互感器原理

目前在光纤电流互感器研究领域主要有三个研究 方向：1.有源型；2.光学晶体型；3.全光纤型。 1.光学晶体型 该类互感器的传感头一般基于法拉第(Faraday)效 应原理，即磁致光旋转效应。当一束线偏振光通 过放置在磁场中的法拉第磁光材料后，若磁场方 向与光的传播方向平行，则出射线偏振光的偏振 平面将产生旋转，即电流信号产生的磁场信号对 偏振光波的偏振面进行调制，此时
V L1 L P1 W P2 L2 D
图7-6a 横向调制
L1 L
P1
W
V
P2
L2 D
图7-6b 纵向调制
3 1 2
4
<011> 5 <011> 6
7
45
45
9
<100>
8
图7-7 基于Pockels原理的高压电压互ຫໍສະໝຸດ Baidu器的光路结构图 1—入射光纤；2、8—透镜；3—起偏器；4—波片； 5—BSO Pockels 晶体；6—检偏器；7—45º 棱镜；9—出射光纤
高压电力母线 测量线圈 积分 A/D 转换 电源 供电线圈
电光转换 高电压侧 光纤
光电转换
信号放大
图7-4 有源型电流互感器
信号处理 测量保护 低电压侧
有源型

有源型光电电流互感器结构简单，长期工 作稳定好，容易实现高精度、性能稳定实 用化的产品,是目前国内研究的主流。但是 高压侧电源的产生方法比较复杂或者成本 比较高，还有待于进一步研究。
高压光纤电流互感器

光电式电流互感器 传统的电磁式互感器因为其固有的一些缺点，比 如：带宽窄、磁饱和、重量大、易燃易爆、次级 开路高压等，都严重地制约了电力工业的发展， 开发出新型的光电式电流互感器已经成为国内外 电力工业的研究热点。随着光电子学的发展和成 熟，国内外很多大学和科研机构开始投入精力研 究光电式电流互感器，发展到现在，已经取得了 很大进步。