光电式电流互感器

第５期（总第１４１期）　２００７年１Ｏ月　山　西　电　力　ＳＨ　ＡＮＸＩ　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　Ｐ０ＷＥＲ　Ｎｏ．５（Ｓｅｒ．１４１）　０ｃｔ．２００７　光电式电流互感器　张　海　，姜　彬　（１．山西电力科学研究院，山西太原０３０００１；２．晋中供电分公司，山西晋中０３０６００）　摘要：针对传统的电磁式电流互感器因其传感机理而存在不可克服的问题，概述了光电式电流互　感器的基本原理、特点及性能，分析了全光式电流互感器和光电式电流互感器的测量原理，并讨　论了其今后的发展趋势。　关键词：光电式电流互感器；电磁式电流互感器；罗柯夫斯基线圈　中图分类号：ＴＭ４５２　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—０３２０（２００７）０５—００７０—０３　０　引言　电流互感器ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）是电　二次绕组外部回路接有测量仪器或继电保护及自动　控制装置。它的结构和变压器相似，在它的铁芯上　绕有一、二次绕组，靠一、二次绕组之间的电磁耦　合，将信息从一次侧传到二次侧。在铁芯与绕组　间，以及一、二次绕组之间有足够耐电强度的绝缘　结构，以保证所有的低压设备与高电压相隔离。随　着电力系统传输的电力容量的增加，电压等越来越　高，这样电流互感器的绝缘结构越来越复杂，体积　和重量加大，产品的造价也越来越高。同时电磁型　的电流互感器有铁心，具有非线性。当电力系统发　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。随着电力系统的传输容量的增大和电压　等级的增高，传统的互感器因其传感机理而出现不　可克报的问题，难以满足新一代电力系统在线检　测、高精度故障诊断、电力数字网等发展要求。为　适应电力系统快速发展的需要，必须研究利用其它　感应原理的互感器。同时，光电技术的出现及发展　自然地启发了电力系统的科研工作者进行光电流互　生短路时，高幅值的短路电流使互感器饱、输出的　二次电流严重畸变，造成保护拒动，使电力系统发　生严重事故。互感器的饱和引起波形畸变，而且其　感器的研究。经过３０余年的努力已取得了很大进　展。想念光电流互感器的实用化和商品化将指日可　待，这将引起电力系统设计、测量、保护、控制技　术的一次革命。　频带响应特性较差，频带窄，系统高频响应差，而　使得新型的基于高频暂态分量的快速保护的实现存　在困难。互感器在短路过程过渡中能否真实地传变　１　电磁式电流互感器　在电力系统中，电能计量、继电保护、运行控　次侧电气量，对继电保护的正确工作、系统的稳　定运行都起着决定性作用。为了维护系统稳定，要　求继电保护动作非常迅速。因此，继电保护装置在　制、仪表测量都需要借助互感器，他们将一次大电　流转换为二次小电流（５　Ａ或１　Ａ），或将一次高　短路过渡过程尚在进行当中就要对故障的地点和性　质进行准确的判断。这就要求互感器具有优良的过　渡过程响应特性，能够比较真实地传变一次侧的电　电压转换为二次低电压（１００　Ｖ）。其基本原理都　是利用电磁感应原理。　目前在电力系统广泛使用的电流互感器是基于　气量。而电磁式互感器很难满足这一要求，同时也　制约了继电保护的可靠性。　电磁感应式的，它的一次绕组串联在电力线路中，　２光电互感器　收稿日期：２００７—０１－２４．修回日期：２００７—０８—１３　作者简介：张海（１９８０一），男．山西榆次人，２００６年毕业于太　随着光电子、光纤通信和数字信号处理技术的　发展，电力系统在高电压大电流的测量方面进行一　原理工大学电力系统及其自动化专业，硕士；　姜彬（１　９７４一），男，山西榆次人，ｌ９９６年毕业于太　原电力高等专科学校电力系统及其自动化专业，助理工　程师。　场大的变革成为可能。许多科技发达国家已把目光　转向利用光学传感技术和电子学方法来发展新型的　７０　·　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年１Ｏ月　张海，等：光电式电流互感器　电子式互感器，简称光电互感器ＯＥＴ（Ｏｐｔｉｃ～ｅｌｅｃ—　ｔｒｉｃ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）。国际电工协会已发布ＯＣＴ的标　准ＩＥＣ６００４４—８和光电压互感器ＯＶＴ（ｏｐｔｉｃ～ｅｌｅｃ—　ｔｒｉｃ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）的国际标准ＩＥＣ６００４４－　７［】　］全光式电流互感器ＯＣＴ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）基于光学传感技术，采用光学传感　头取样传输线电流，其优点主要在于：线性度较　好；灵敏度可以做得较高；绝缘性能好。但是温度　变化和振动对传感头的可靠性和稳定性影响较大，　同时光路设计也是技术难点。然而，全光式电流互　感器是光纤电流测量技术最终的发展方向。　光电式电流互感器ＯＥＣＴ（Ｏｐｔｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　光电流互感器具有一系列优点ｌ＿】　。　优良的绝缘性能以及便宜的价格；不含铁芯，　消除了磁饱和和铁磁谐振等问题；抗电磁干扰性能　好，低压边无开路高压危险；动态范围大，测量精　度高；频率响应范围、暂态响应范围宽；没有因存　油而产生的易燃、易爆炸等危险；体积小、重量　轻、节约空间；数字接口，通信能力强，适应电力　计量和保护数字化、微机化和自动化发展潮流。　按照传感原理的不同，利用光纤测量输电线电　流的电流互感器可分为２种基本类型：全光式电流　互感器和光电式电流互感器两种，这两种电流互感　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ），采用传统的电流互感器或　空心互感器（即Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈）如图１所示，取　样传输电流，利用有源器件调制取样信号，以光纤　作为信号传输媒质，把高压侧变换的光信号传输到　接收侧进行信号处理，从而得到被测电流信息。光　纤作为信号传输媒质，不用作传感元件，从而避免　了光学传感头存在的温度和振动问题。ＯＥＣＴ发挥　了光纤的高绝缘性的优点，使电流互感器的制造成　本、体积和重量显著降低，具有很强的实用性ｌｌ３］。　器都采用光纤作为信号传输介质，从而避免了高压　侧与低压侧之间直接的电气连接。　分别为Ｒｏｇｏｗｓｋｉ内线圈、外线圈所交链的磁链，Ｅ－－Ｒｏｇｏｗｓｋｉ外线圈所交链的磁链　感应电势，　Ｂ－－Ｒｏｇｏｗｓｋｉ内线圈几何中心的磁感应强度，ｓ一内线圈所围的面积　ａ结构示意图　ｂ　ｄｌ长度的线圈所交链的磁链ｃ线圈绕制方向　图ｌ　Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈结构示意图　电磁元件　高电位铡　Ｉ电压频率变换　－　Ｉ　Ｉ　世　—　镕　Ｉ　ｌ、　电源　－－＿＝　＿＿　…　Ｉ　光一电变化　◆　放大　＋　低电位侧　Ｉ　负载　。　ａ有源型光电互感器　Ｉ低电位侧．＿　低电位侧　－［　［］　ｌ　。。●＿＿＿＿＿。。负载　ｌ。。＿＿－－＿。。。。‘。‘。’。一　Ｉ：　ｂ无源型光电互感器　图２光电电流互感器原理图　就目前情况而言，在中国发展ＯＥＣＴ的实用　ａ）ＯＥＣＴ采样电流的元件使用铁芯线圈或空　前景比ＯＣＴ好，１￣．Ｎｇ　Ｉ４￣ＴＡＡ。　心互感器，自从法拉第发现了电磁感应原理后，利　７１　·　维普资讯 http://www.cqvip.com 山　西　电　力　２００７年第５期　用该原理测量电流的互感器得到了充分的发展。由　于光纤的使用，降低了铁芯线圈的绝缘要求，从而　铁芯线圈可以达到很高的测量准确度。光纤技术和　成熟的电磁感应原理相结合，使得发展ＯＥＣＴ有　坚实的理论基础和技术支持。　ｂ）ＯＣＴ与ＯＥＣＴ相比需要一套复杂的光学系　３光电互感器的发展前景　近年来，国际上光纤电流测量这一高技术领域　研究十分活跃，不论是ＯＥＣＴ还是ＯＣＴ的研制，　已经从实验室的原理性试验过渡到结合电力工程的　实际，有些已经进行了现场挂网试验运行。随着技　术的不断发展，可以预测光电互感器将有着良好的　发展前景。　参考文献：　［１］　叶妙元，肖霞．光电互感器（一）——２１世纪电力系统电　压电流测量的基本设备［Ｊ］．广东输电与变电技术，２００３　（４）：１４—１９．　统，不仅造价高，而且由于光学系统的精密性，易　受温度和振动等环境因素影响。ＯＥＣＴ则不同，光　纤作为信号的传输通路，抗干扰性能优越；同时由　于电子技术和计算机技术的不断发展，中大规模集　成电路不断推陈出新，低功耗、高精度、高速度　Ａ／Ｄ变换器和信号处理芯片已经广泛地应用于工　业现场，光电式电流互感器的性能可以得到很大的　改善。　图２给出了这两种类型互感器的电流互感器结　［２］　叶妙元，肖霞．光电互感器（二）——２１世纪电力系统电　压电流测量的基本设备［Ｊ］．广东输电与变电技术，２００４　（１）：　９—１３．　构方框图。它们的输出信号是数字和模拟共存的，　并且根据用途与被测量的要求设定输出路数。　［３］　易本顺．光电式互感器的研究和发展及其在电力系统中的应　用［Ｊ］．武汉大学学报信息科学版，２００２，２７（１）：５７—６２．　ｏｐｔＯｅｌｅｃｔｒＯｎｉｃ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ＺＨＡＮＧ　Ｈａｉ　，ＪＩＡＮＧ　Ｂｉｎ　（１．Ｓｈａｎｘｉ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔａｉｙｕａｎ，Ｓｈａｎｘｉ　０３０００１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｊｉｎｚｈｏｎｇ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｊｉｎｚｈｏｎｇ，Ｓｈａｎｘｉ　０３０６００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ａｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ａｎｄ　ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ　ｔｈｅｉｒ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄ　ａｒｅ　ｂｏｔｈ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；Ｒｏｇｏｗｓｋｉ　ｗｉｎｄｉｎｇ　（上接第４７页）　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　Ｉｍｂａｌａｎｃｅ　ｏｆ　１００　ＭＷ　Ｓｔｅａｍ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　Ｃａｒｂｏｎ　Ｂｒｕｓｈ　ＮＩＥ　Ｈａｉ－ｔａｏ　（Ｄａｔｏｎｇ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｄａｔｏｎｇ，Ｓｈａｎｘｉ　０３７００８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃａｒｂｏｎ　ｂｒｕｓｈ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｉｍｂａｌａｎｃｅ　ｏｆ　Ｎｏ．１　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｉｎ　Ｌｉｕｌｉｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏ．，　Ｌｔｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃａｓｅ　ｏｆ　ｂｕｒｎ　ｓｌｉｐｒｉｎｇ，ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｄａｔａ　ｉｓ　ａｎａｌｙｓｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｔｏ　ｒｅｐｌａｃｅ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｃａｒｂｏｎ　ｂｒｕｓｈ　ｗｉｔｈ　Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｍｏｇｅｎ　ＮＣＣ　６３４　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｔｏ　ｒｅｐｌａｃｅ　ｃａｒｂｏｎ　ｂｒｕｓｈ　ａｎｄ　ｉｎｓｔａｌｌ　ｅｘａｃｔ　ｃａｒｂｏｎ　ｂｒｕｓｈ　ａｒｅ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃａｒｂｏｎ　ｂｒｕｓｈ；ｃｕｒｒｅｎｔ；ＤＣ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｐｒｏｊｅｃｔ　·　７２　·