光电互感器原理及在电力系统中的应用

光电互感器原理及在电力系统中的应用

龙伟杰

(广西电力试验研究院有限公司，广西南宁530023)

应用科技

，‘

：随耍】光电互感器正在逐渐应用在电力系统中，本文对j匕电互感器的工作原理、结构上的特点进行简单分析，同时阐述光电互感器在电

j力系统中的的应用。

：陕键词]光电互感器；原理；应用；电力系统

1光电互感器原理

随着电力工业的不断发展，电网电压等级的不断提高，对电压、

电流的测量要求也在不断提高，而互感器作为连接高压与低压的一种电

器设备也不断地改进和发展，其中对于衡量互感器先进与否的—个重要指标就是互感器的绝缘问题。对于传统的电磁式互感器来说，由于绝缘成本随着绝缘等级的升高成指数增长，因此原有的空气绝缘、油纸绝

缘、气体绝缘和串级绝缘已经不能满足超高压设备的绝缘要求，同时传

统互感器存在嗷饱和的问题，造成继电保护装置的误动或拒动，而且铁磁谐振、易燃易爆及动态范围小等缺点一直是传统互感器难以克服的困

难。于是，各种针对高电压、大电流信号的测量方法便应运而生，其中，基于光学和电子学原理的测量方法，经过近三十年的发展，成为相对蝴熟、最有发展前途的一种超高压条件下的测量方法。能实现高

电压大电流测量的新型光电互感器受到各国学者和工程技术人员的广泛

关注。某类型光电互感器的外形如图1Ii yr-Z．．

图1光电互感器

光电互感器是利用光电子技术和光纤传感技术来实现电力系统电

压、电流测量的新型测量装置，它是光学电压互感器、光学电流互感器和组合式光学互感器的通称，主要有两种类型。一种是用磁光效应和电光效应直接将电流电压转变为光信号，—般称无源式：另一种是用电磁感应或分压原理将电流电压信号转变为小电压信号，再将小电压信号转换为光信号传输给二次设备，—般称有源式。

1)无源型互感器是以法拉第磁光效应为原理设计制造的装置。其原理如图2gr-Z．：

图2法拉第磁炮勘鲥糯

无源型互感器就是传感头部位没有电源供电的光电电流测量装置。无源型互感器采用法拉第磁光效应原理。无源型互感器的特点是：整个系统的线性度比较好，灵敏度可以做得较高；绝缘性能好。它的难点是精度和稳定性易受温度、振动的影响，电子回路复杂等问题，现在主要处在试验运行阶段，大规模的推广运用还有待时日。利用法拉第磁光效应实现的无源型互感器有全光纤式、光电混合式租块状玻璃式。全光纤式的无源型互感器，光纤本身就是传感元件，结构比较简单，但光纤线性双折射的问题一直是困扰着它的主要难点；光电混合式的精度受到一定的限制。目前使用最为普遍的是块状玻璃式无源型互感器，国外挂网实验运行也都是此类型，它是最有实用化可能的类型之一。

采用法拉第暾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f蝴化立程。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炀大小发生旋转：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。用公式表示为：

e=V H d／11)

J

L

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

由于磁场强度H由电流l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岛西流导体的相对位置有关，故式(1)可表示为：e=V K I∞

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=I，故只要j则定e的大小就可测出通崩晖擀中的电流

2)有源型互感器是以罗柯夫斯基空心线圈为基础，综合利用传统电磁感应原理和光学传输方法解决高压侧供电难题而设计制造的装置。其原理如图3：

t事僖母爱t

电位毂古并鼻

图3罗伺夫斯基奎能料酬i孵圈

有源型互感器就是基于传统的互感器，利用有源器件调制技术，以光纤作为信号通道，把高压侧转换的光信号传到地面进行信号处理，得到被测信号的装置。这种互感器的特点是，既利用了光纤系统提供的高绝缘性的优点，显著地阿氏了互感器的制造成本、体积和重量，又充分发挥了被电力工业界广泛接受的常规互感器测量装置的优势，同时还避免了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。有源型互感器传感头部件有罗科夫斯基线圈、采集器、A D转换器和光发生器LED。工作原理是由罗科夫斯基线圈从一次传变信号，采集器采样后，A D转换器转换为数字信号，由LED转换为光信号，通过光缆送回主控室。罗科夫斯基线圈一般有保护、计量和测量、能量线圈，罗科夫断基线圈形状是空心螺线管，无铁芯。填充非晶体材料，主要起支撑作用。绝缘支柱采用硅橡胶绝缘子，内部填充固态硅胶，起到支撑、绝缘和固定光缆作用。光缆分为数据光缆和能量光缆，从传感头通过绝缘支柱内部引下，送回主控室。传感头部件(采集器、A D转换器和光发生器L ED)使用微功耗装置，功率30毫瓦。有源型互感器的难点是提供高压端需要的工作电源，但随着激光供台侨口高压取能技术的突破，已得到很好的的解决。

由于模拟输出的光电互感器仍存在传统互感器的一些固有缺点，现在发展的高电压等级用光电互感器—般都用光纤输出字信号。光电

237

互感器与传统互感器外形相似，但体积小，重量轻，主要由传感头、绝缘支柱和光缆三部分组成。光电互感器传感头部件的能量来源有两种途径。—是从一次取能，由能量线圈感应出电流来提供能量；当一次电流太小，不足以提供能量时，使用能量光缆，由户内激光发生器通过光缆上送能量。两种方式可互为备用，自动切换。

2光电互感器在电力系统中的应用

相对于传统的电磁式互感器，光电互感器具有明显的优点：1)在高电压、大电流的测量环境中，光纤或光介质是良好的绝缘体，它可以满足高压工作环境下的绝缘要求，它是用光缆而不是电缆做为f言号传输工具，实现了高低压的彻底隔离，不存在电压互感器二次回路短路或电流互感器二次开路给设备和人身造成的危害，安全性和可靠性大大提高；2)由于光电互感器的绝缘结构决定了没有传统电流互感器二次开路产生高压的危险，光电互感器不采用油做为绝缘介质，不会引起火灾、爆炸等危险：3)光电互感器在原理上与传统互感器有着本质的区别，不用铁芯佳娜粥合，因此没有磁饱和及铁磁谐振现象，而使互感器运行暂态响应好，稳定性好，保证了系统运行的高可靠性；4)频带比较宽。光电互感器传感头部分的频率响应取决于光纤在传感头上的渡越时间，实际能测量的频率范围主要决定于电子线路部分。光学传感部件

已经用于测量高压电力线路上的谐波和脉冲暂态电压：5)动态范围大，能在大的动态范围内产生高线性度的响应：6)适应了现在电力系统的数字化信号处理要求，它还可用于以保护、监控和测量为目的高速遥感、遥测系统：7)整套测量装置结构紧凑、重量轻、体积小；8)各个功能模块相对独立，便于安装和维护，适于网络化测量。

光电互感器可以根据需要输出低压模拟量和数字量，这可直接用于微栅保护和电子式计蹦殳备，而且能实现在线检测和故障诊断，在变电站综合自动化中具有明显的应用优势。综E所述，光电互感器以其优越的特性以及明显的经济效益和社会效益，对于保证日益庞大和复杂的

电力系统安全可靠运行，并提高其自动化程度具有深远的意义。光电互感器是21世纪电力系统的更新换代产品，尽快使其实用化已经成为电力系统发展的迫切需要。

由于光电互感器的诸多优点，光电互感器取代传统互感器将只是—个时间问题。国际上光电互感器已踟熟，正已越来越快的速度推

广运用。其中A B8、西门子等公司生产的光电互感器已有十几年的成功运行业绩。采用光电互感器的数字化变电站在欧洲也已经投入运行。我国光电互感器的研制和运用相对比较落后，仅有为数不多的变电站使用了一些进口的光电互感器。国内有二十余家企业和高校涉足了光电互感器的开发，经过多年的努力，已有若干套设备在现场试运行。

我国在有源式光电互感器的研究已走在无源式的前面，有的产品已在多个变电站试运行近一年的经验，运行情况良好，可满足保护和计量的要求，并通过了部级鉴定，达到国际先进水平。同时国内的二次设

备制造商开发了可与光电互感器直接接口的数字接口继电保护装置、数字接口电能表等二次设备，为光电互感器的实际应用提供了基础。

3光电互感器运行中对电能计量方面存在的一些影响

1)光电互感器性能仍需要i脚稳定。对于电能计量来说，光电

互感器的稳定运行是保障计量准确的前提，尤其是在电能关口计费的电能表，更加不能忽视光电互感器的性能稳定’l‰

2)温度对光电互感器的精度有较大的影响。电能计量装置是是对精度要求较高的。绝大多数的光电互感器均是装设在户外，南方春秋两季夜晚与白天温差较大，不可避免的对电台g-l-I t带来一定影响。

3)与光电互感器相匹配的电能表必须具有国家法定计量检定机构的认证。由于光电互感器的结构特殊性，必须要采用与之相匹配的电能表进行叶量，原先的电能表均无法实现计量功能，为此就出现了—个新的问题，新型的电能惹作为一种“新”计量工具，按照国家法规就必须有具有国家法定计量检定机构的认证，因此新型电能表的认证也是必不可少的。

4)光电互感器在A D转换的过程中存在较大的角度误差。在光电互感器对采集到的模拟量转换为数字量的A D转换中，会带来较大的角度误羞，从而对电铂寸量的计量准确性又带来了—定的影响。

随着光电互感器在电力系统中不断地得到应用，以上这些对电能计量影响的问题正在逐步得到解决。

光电式互感器可以代替体积大而笨重的传统型互感器，并与断路器组合成一体，从而实现设备的小型化、一体化。在高压直流输电方面，直流测量用光电式电流互感器较之传统型的电流互感器有更大的优势，其重量仅为同等级的直流电流互感器的1／40，无电磁干扰和铁磁损耗，并与电力自动化系统的网络兼容。例如我国三峡至常州500kV 直流输电系统就使用了A B B公司的光电式电流互感器，用于线路的直流电流及谐波电流、交流侧不平衡电流、桥臂电流等的测量。除了在电网中使用外，光电式电流互感器还可做成类似钳形表式的结构，方便移动，用于测量高压电网中不同地氧的电流。也可测量高频电流。目前国内在光电式电流互感器的研究方面，特别是高电压等级E还面临一些问题，如温度和应力引起的双折射现象及其吲氏方法，长期运行时的稳定性和精度方面还需要更进—步的试验和现场考验。信息来自：输配电设备网。

光电式互感器有着传统电磁式电流互感器无法比拟的优点，是电磁式互感器理想的替代品，将会使互感器技术进^．个崭新的时代。

(上接第234页)

磁涌流，造成群2主变差动保护误动事故。

2)由于#2主变10kV侧A相T A伏安特性偏低且与B、C两相TA的伏安特性不一致，在近区黜障大电流时差流增加。

3)谐波对保护装置采样有一定的影响，采样误差增加。

4防范措施

1)更换样2主变10kV侧A相T A。

2)与该装置制造厂家联系，要求查明该微初差动保护运行后谐波

制动系数变化且偏大的原因并解决。对有该厂同型号的保护装置应检查谐波制动系数杜绝类似事故发生。

3)提高调试质量，杜绝漏项漏试。注重TA特性及二次负担的测

试。为防止由于TA运行时间过长而TA特性变化，配合年度预试有计238丽虿而丽)划完成TA特性及二次负担的测试。

4)在不违反整定计算原则的前提下，调整2舟主变差动保护定值，增强躲区外故障的能力。

5结语

继电保护误动，轻则造成一般电网事故，严重时可以导致电网瓦解。如何采取有效的措施遏制事故，我们应从制造、设计、施工安装、调试、验收、运行等各个环节着手努力，以保证继电保护及安全自动装置的可制动作，为电网的安全、稳定运行提供保障。