电子互感器结构与原理

第 2 章电子式电流互感器的总体结构与基本原理

2.1 引言

电流互感器是电力系统中计量和继保所需的重要设备，新型的电子式电流互感器以无磁饱和，测量精度高，响应频带宽等突出的优点而成为研究的热点，根据高压侧部分是否需要供电，电子式电流互感器（ECT）可分为有源电子式电流互感器和无源电子式电流互感器。本章就电子式电流互感器的工作原理，总体架构，以及在实用化过程中存在的问题作了分析和探讨。

2.2 电子式电流互感器的总体结构

根据国际电工委员会提出的标准（IEC60044-8），电子式电流互感器（ECT）的通用框图如图 2.1 所示，一次电流传感器产生与一次端子通过电流相对应的信号，它是一种电气、电子、光学或其他装置。一次转换器将来自一次电流传感器的信号转换成适合于传输系统的信号。传输系统用于一次部件和二次部件之间传输信号的短距或长距耦合装置。依据所采用的技术，传输系统也可用以传送功率。二次转换器将来自传输系统的信号转换成正比于一次端子电流的信号量，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。对于模拟输出型 ECT，二次转换器直接供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。对于数字输出型电子式互感器，二次转换器通常接至合并单元再输出至二次设备。电子式电流互感器可分为无源型和有源型两大类，前者基于光学传感技术，一般是基于法拉第（Faraday）效应等磁光变换原理，

这类互感器直接用光进行信息变换和传输，与高电压电路完全隔离，具有不受电磁干扰，测量范围大，响应频带宽，体积小及便于数字传输等优点，其特点是在高压侧部分无需电源，故称为无源电子式电流互感器；后者基于电磁感应原理，如采用无铁心的 Rogoswki线圈，这类电子式电流互感器与常规电流互感器较相似，但体积小，暂态响应好，可靠性高，可以直接以模拟量形式输出，也可将信号数字化后用光纤技术进行信息传送，这样大大简化了互感器的绝缘结构，适用于高电压系统，这类电子式电流互感器的特点是高压侧有电子电路，需要有电源对其供电。故称为有源电子式电流互感器。

2.3 无源型电子式电流互感器的工作原理及其结构

光在传播过程中，如果在垂直于光传播方向的平面内，光矢量始终沿一个固定的方向振动，就称这种光为线偏振光。磁场能使本来不具有旋光性的物质产生旋光性．即当一束线偏振光穿过无旋性介质时，如果在介质中沿光的传播方向施加一个外磁场，光通过介质后，光的振动面就会转过一个角度，这种现象被称为磁致旋光效应或法拉第效应。对于给定的介质，振动面的转角与介质的长度 L及磁场强度H 成正比：

? ?VHL 。

（2.1）

其中，比例系数V 叫做费尔德（Verdet）常数，由介质和光波波长决定。

磁致旋光效应的旋转方向仅与磁场方向有关，与光线传播方向的正逆无关，这种磁致旋光现象与晶体的自然旋光现象是不同的。光束往返通过自然旋光物质

时，因旋转角相等方向相反而相互抵消，但通过磁光介质时，只要磁场方向不变，

旋转角都朝一个方向增加，因此，磁致旋光效应是一个不可逆的光学过程。

目前研究较多、实用化程度较高的无源型 ECT 是基于法拉弟磁光效应原理的

电流互感器，即利用法拉弟效应测量光在光纤或磁光物质中传播时受附近电流所

产生的磁场的影响而使光的极化方向发生偏转的原理来测量磁场强度，进而测量

电流。基于法拉弟磁光效应的电子式电流互感器的示意图如图2.2所示。

无源型ECT 的特点是系统的线性度好，灵敏度高，绝缘性能好，其难点是精

度和稳定性受温度、振动的影响较大。基于法拉弟效应的 ECT 根据传感头光学结

构的不同，又可分为块状玻璃式、全光纤式、集磁环式等几种，如图2.3所示。

块状玻璃型 ECT 中光源经调制与极化变成偏振光，通过光纤引入到具有法拉

弟效应的磁光材料中，光在其内多次反射并被电流产生的同方向的磁场调制，再通过另一条光纤输入到光电探测器中[21]，经电子电路处理后完成信号的探测。选

取传感材料时要考虑光学特性，运行范围，稳定性等因素，通常选取 Verdet 常数

大，温度系数小的磁光材料，以提高传感器的灵敏度和温度稳定性。

全光纤型ECT 中传感和信号传输部分均采用光纤，利用光纤作为磁光材料。

将光纤缠绕在被测电流导线外面，光源产生的激光通过起偏器变成线性偏振光，

然后进入光纤，线性偏振光经过光纤线圈后再经过检偏器分析，然后用光检测器

检测偏转角? ，即可换算出电流。

这种结构的无源 ECT 的优点是结构简单，成本低，受附近其他磁场的影响小，

可用多绕圈数的方法来提高其灵敏度。主要缺点是光纤绕制时其截面上所受的应

力不均匀、扭曲、内部晶体结构变化以及温度变化等因素使通过的光产生双折射

现象，影响 ECT 的测量精度和稳定性[19,22~24]，近年来国外已研究成功将绕制后的

光纤线圈通过高温退火技术以减小双折射现象，[25] 但在退火后，光纤的外保护层

将受到损坏，需要重新制作外保护层，在制作新保护层时要注意不要将残余的双

折射效应又引入光纤线圈

[26]

。

集磁环式 ECT 是以一小块磁光材料作为传感元件，并在它周围加一环形的导

磁材料以加强磁光材料中的磁场强度，以增加其测量灵敏度，这种无源 ECT 的传

感头光路比较简单，设备尺寸小，气隙较大，易于实现，但由于存在集磁环铁心，

因此在故障电流下可能存在饱和、磁滞现象。这种 ECT 的测量结果受周围电流的

影响，气隙的磁场分布不均匀，测量结果与传感头的位置有关[27][28]。

2.4 有源型电子式电流互感器的工作原理及总体结构

有源型 ECT 利用电磁式 CT、分流器或 Rogowski 线圈传感出与被测电流成比例的信号，通过电光转换后，利用光纤将光信号传送到低压侧，再经过光电转换将电信号汇入合并单位供二次设备使用。其中基于 Rogowski 线圈原理的有源ECT因其测量范围大，线性度好，无磁饱和等优点而成为研究的热点。这种电流互感器既利用了光纤系统提供的高绝缘性的优点，显著降低了电流互感器的制造成本、体积和重量，又充分发挥了被电力系统广泛接受的常规CT 测量装置的优势，同时还避免了无源 ECT 传感头光路的复杂性及全光纤传感头线性双折射、块状玻璃全反射相位差等技术难点。但有源 ECT 因为高压侧有信号处理电路，故必须要有一个稳定的供电系统才能正常工作。有源 ECT 主要由传感头，高压侧数据采集单元，信号传输系统，合并单元，高压侧电源组成。图 2.4 是采用光供电的有源型 ECT 的结构图。