光学电流互感器的稳定性研究及改善.pdf

2 0 1 5年 6月 第 4 3 卷 第 3期 ( 总第 2 3 8期 ) 吉 林 电 力 J i l i n El e c t r i c P o we r J u n 2 0 1 5 Vo 1 4 3 No 3( S e r No 2 3 8 ) 光学 电流互感 器 的稳定性研究及 改善 Re s e a r c h a n d I mpr o v e me n t o n t h e S t a bi l i t y o f Op t i c a l Cur r e n t Tr a n s f o r me r 徐 雪鹏 ( 吉林 省 电力勘 测设计 院 ， 长春1 3 0 0 2 2 ) 摘 要： 针对 目前光学电流互 感器缺乏长期运行稳定性 的问题 ， 通过理论分析 ， 总结 出影 响运行稳定性 的主要 因素 在 于环境温度变 化导致磁 光材料 中线性 双折射 发生 波动 。在此基 础上对 现有传感 头结构 进行研 究及改 进 ， 利 用 AN S OF T、 ANS YS等软件搭建 了能够模拟传感头在各种结构及工况条件下运作 的仿真平 台， 并对改进后传感头 进 行 了运行模拟 。 结果表 明 ： 改进式光学电流互感器传感头结构不仅能够有效提高其长期运行稳定性 ， 且完全满足我 国电力行业对 于 0 2 级 电流互感器误差 的标准 J J G 3 1 3 2 o 1 O 测量用电流互感器检定 规程 及 J J G 3 1 4 2 0 1 O 测 量用 电压互感器检定规程 的规定 。 关键词 ： 光学电流互感器 ； 传感头 ； 稳定 性 ； 仿真测试 Ab s t r a c t ： Op t i c a l c u r r e n t t r a n s f o r me r l a c k l o n g t e r m o p e r a t i o n s t a b i l i t y M a i n f a c t o r s a f f e c t i n g t h e s t a b i l i t y o f o pe r a t i on i s e nv i r onmen t al t e mp er a t ur e c ha n ge t h at l e a d s t o l i n e ar b i r e f r i ng e nc e f l uc t u at i on s i n ma gne t o o pt i c ma t e r i a 1 Re s e a r c h a n d i mp r o v e me n t we r e ma d e t o t h e e x i s t i n g s t r u c t u r e o f s e n s i n g h e a d S i m u l a t i o n p l a t f o r m wa s s e t u p u s i n g ANS OF T ， ANS YS s o f t wa r e t o s i mu l a t e t h e s e n s i n g h e a d o f d i f f e r e n t s t r u c t u r e a n d wo r k i n g c ond i t i on s Si mul a t i on o f t he i mpr ov e d s e ns i ng h e ad s howe d t ha t t he i mp r o ve d s t r uc t ur e c an n ot onl y e f f e c t i v e l y i mp r o v e t h e l o n g t e r m s t a b i l i t y b u t a l s o c o mp l e t e l y s a t i s f y t h e e r r o r s t a n d a r d f o r 0 2 s c l a s s c u r r e n t t r a n s f o r m e r a c c o r d i n g t o J J G3 1 3 - 2 0 1 0 a n d J J G3 1 4 - 2 0 1 0 Ke y wo r d s ： o p t i c a l c u r r e n t t r a n s o r me r ；s e n s i n g h e a d；s t a b i l i t y；s i mu l a t i o n t e s t 中图分 类号 ： TM9 3 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 9 5 3 0 6 ( 2 0 1 5 ) 0 3 0 0 2 1 0 4 随着现代电力系统 由传统高压输送形式 向超高 压 和 大容 量方 向 的升级 发 展 ， 光 学 电流 互感 器 也 正 逐渐走向成熟 。近年来我国对智能化电网的整体升 级 改 造 ， 也 大 大 推动 了光学 电流互 感 器 这一 新 式 设 备的应用化进程。然而光学电流互感器虽然有着绝 缘性更高， 经济性更好等多方面的优势 ， 但由于实际 变 电站 的户外 运行 条件 及技术 原 因 ， 目前 在 我 国( 尤 其是四季温差较大的东北部地 区) 光学电流互感器 尚未在 实际 工程 中广泛 应用 。根 据到 变 电站运行 的 实 际 需求 ， 缺 乏 长期 运 行稳 定 性 是 阻碍 光 学 电流 互 感 器实 现大 面积 推广 的最 主要原 因 ， 因此 ， 本 文在 综 合分析光学电流互感器工作理论的基础上采用合理 手段提高其稳定性 。 1 光学 电流互感器传感头 的原理 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 4 0 1 作者简介 ： 徐 雪鹏( 1 9 8 5 ) ， 男， 从 事电网规 划设计 工作 。 工 程光 学 电流互感 器传 感 头的基本 工 作原 理是 利 用法 拉第 磁光效 应 ， 即 ： 线 偏振 光通 过置 于磁 场 中 的晶体 时 ， 角 度将 发 生 偏 转 ， 偏 转 角 可 由公式 ( 1 ) 计 算 ： r r 一 l d 一V I H d L ( 1 ) q J 式 中： L为光程长度； V 为光学材料的维尔德常数 ； H 为磁 场强度 。 由安培 环路定 律 可推 导 出公 式 ( 2 ) ： r V I H d LV i ( 2 ) 式 中： i 为闭合环路中所通过的电流强度； 为闭合 积 分路 径 。 根 据公 式 ( 2 ) 可 知 ， 当想 测 得 电流 强 度 i时 ， 只 需 通过测 得 线偏光 的偏 转 角 即可 。 对于 的测定 ， 可 以根据马 吕斯定 律将偏转角和光强建立联系， 即 线偏振光在恒定磁场的作用下发生偏转 ， 通过检偏 21 2 0 1 5年 6月 第 4 3卷 第 3期 ( 总第 2 3 8 期 ) J u n 2 0 1 5 Vo1 43 No3 ( Se r No 2 3 8) 器 后 的透射 光强 。 表达 式为 ： 1 I 。 一 C O S ( d 一 一， ( 1 +c o s 2 ( d ) ( 3 ) 厶 式 中 ： a 是 检偏 器方 向与线 偏振 光方 向之 间的 夹角 ； 是偏振 光 的光强 。 将输出光强经过信 号处 理后得 到的输 出电压 。为 ： r r 一 _ 一 s i n 2 90 ( 4 ) u r I r 一 0( + 4 5 。 ) I 0 ( 一 4 5 。 ) 式 中 。 。 ， 与 1 0 ( - 4 a o 表示 当检 偏器 方 向与偏 振光 方 向分别呈 4 5 。 角 时 的输 出光 强 。 通 过上述 公式推 导可 知 ， 根 据公式 ( 3 ) 、 ( 4 ) 可测 量 通过传 感 头 内检偏 器 的光强 大小计 算得 出线偏 光 偏 转角 大小 ， 再根据 公式 ( 1 ) 、 ( 2 ) 即可 利用 线偏 光偏 转 角 度得 到 闭合 环路 中通 过 的 电流值 大 小 ， 实 现 目 前使用的传统电流互感器的功能。 2 影响光学 电流互感器稳定性 的因素 电力磁 光材 料 中固有 的线 性 双折射 是影 响光学 电流互感器稳定性的最主要因素 ， 当线性双折射存 在时， 描述传感头中法拉第磁光效应 的琼斯矩阵表 示如 下 ： r A 一 F 一 B A J 5 式中： 代表传感头中第 个光纤臂 ， 取值为 1 ， 2 ， 3 ， ， n； A 一C O 8 ( 2 ) +j C O S ( z ) s i n( 2 )； B 一s i n s i n( A z ) ； ( A 2 ) 一 ( 2 ) + 体 ， s i n 3 5 “ = = = 2 ； C O S 3 7 一a z x 。 代表在法拉第效应作用下偏振 面所产生的旋转角， 口是相位延迟 ， 相位延迟是 由光 纤臂 中磁光材料本身的线性双折射所引起。由于相 位延 迟 的存 在 ， 入射 光 线 的线 偏 振光 将 转化 为 椭 圆 偏振光， 使得测量精度发生变化 ， 从而导致光学电流 互感 器运行 稳定 性受 到影 响口 。 在 线 性 双 折 射 影 响 下 ， 输 出光 强 的测 量 值 为 = = 1 2 1 2 体( s i n A A ) 。该值 与理论 计算 值 一 1 2 ( 1 一s i n 2 ) 相 比较 ， 含有 一 个 由 所 决 定 的参 数 ， 当 盯 体 时 ， 约 等 于 2 翰， 此 时 ， 最 终 测 量 值 1 2 ( 1 一s i n 2 ) ， 同理论分析值更加接近； 而 当 的情况下 ， 约等于 d r 。此时实际测量结果 i _-1 z 1 2 ( s i n a a ) 3 ， 逐渐远离理论分析值。 由上公式述推导可 以看 出， 值 的存在将对测 量结 果产 生较 大影响 ， 即降低 了测量 的可靠 性 ， 而且 在 实 际应 用 中 ， 的值 是 随着 外 界 环 境变 化 随时 改 变的， 因此 ， 从理论上证实了磁光材料中温度变化及 线 性双 折射是 影 响实 际运 行 中光学 电流互 感器 稳定 性 的最 主要 因素 。 3 改善光学电流互感器稳定性 的方法 由理 论 分析 可 知 ， 环境 温 度 变化 导致 光 学 电流 互感 器传感 头 内磁光 材料产 生线性 双折 射是 影响其 运行 稳定 性 的最 主要 原 因。鉴于 当今关 于光 学 电流 互感 器 的 理论 研究 已经相 当成熟 ， 同时 考 虑 到我 国 光学电流互感器所使用的磁光材料主要依赖进 口， 且该材料为人工合成 ， 维尔德常数较为稳定且缺乏 研发改进空间， 因此 ， 本文将从改善现有互感器传感 头 结构 着 手 ， 尽 可 能 提升 光学 电流互 感 器 的 运行 稳 定性。其优点在于无需对现有光学电流互感器材料 和相关配套测量设备进行更换 ， 实施起来较为简便， 便 于 日后 推 广应用 。 分 析 传统 光学 电流 互感 器 传感 头 采用 的“ 光 绕 电” 光学传感结构的不足 ， 在保证设备性能不变的前 提 下 ， 考 虑将 现有 光 学 电流 互 感 器 结 构 采 用 “ 电绕 光” 的形式进行改进， 即在传感头中央设置一块形状 规则 的法拉 第光学 材料 。在 材料周 围包 绕通有 电流 的通 电螺线 管 。这 种结 构相 当于光 路 中的偏 振光通 过螺线 管 的轴方 向进行 电流 测量 。 由对偶 原理 可知 ， 这种 改进后 的“ 电绕光 ” 式结 构和传 统“ 光绕 电” 式光 学 电流互 感 器在 测 量 电流 上 的意 义 是 完全 等 价 的 。 经过改进后 的传感头内部磁光结构见图 1 。 通有被测电流的包绕螺线管 _ - 几伺 凭 ； 状劫 千 的 旋 七 材 ( 磁 玻翠 ) 一 、 、 、 一 、 、 、 一 、 、 厂 = 、 图 1 改 进 后 的 “ 电绕 光 ” 式 传 感 头结 构 示 意 图 采用 改进后 的“ 电绕 光 ” 式 结 构 后 ， 最直 观 的特 点在于传感头 内的光路得到了最大化精简， 原有 的 多 次折 射 形式 光 路被 单 一 的直 通 光路 所 取代 ， 消 除 了传统传感头结构中的反射面及多层光路结构 ， 完 全 去 除 了偏振 光 在不 规 则 形状 光 路 中 因多 次 折射 、 2 0 1 5年 6月 第 4 3卷 第 3期( 总第 2 3 8期) J u n 2 0 1 5 Vo1 4 3 No 3 ( S e r No 2 3 8) 反射产生 的光学误差 ， 也减少 了因光路过于复杂所 带来的线性双折射负面影响。 由于在这种结构下， 磁 光 材 料用 量 缩减 到 仅 使用 一 块 磁 光 晶体 ， 也 就 不存 在传统结构 中， 由于多块磁光玻璃相互拼接， 在结合 面处 由多余胶体所产生的光路误差 ， 从制造工艺的 角度将光学环节误差降到了最低 。 同时， 周边环境的 温度变化对于单块 晶体的形变影响也远远小于多块 晶体的整体结合系统， 从物理角度提高 了传感头针 对 温度 变化 的运行 稳定 性 。 通 过 理论 分 析 可知 ， 改 进 后 的螺 线 管 包绕 光 路 结构能够有效改善 因温度 和线性双折射所引起的测 量误差及稳定性问题 ， 但该方案依然存在着一定的 缺点。 从结构角度来说 ， 该方案通电导体周围所产生 的电磁 场将 由磁 光材料 内部 转变 为覆 盖磁光 材 料本 身 ， 导致传感头对外界电磁场环境的变化更为敏感 ， 受外 界 电磁 干扰 能力将 有 明显降低 。 由于通过改进结构使得传感头受周边温度环境 的影 响减小， 因此完全可以使用简单 的物理手段来 改善光学电流互感器的缺点 。比如为外置的传感头 覆盖上专门的隔离电磁场用铠装外壳， 也可以通过 对户外光学电流互感器加盖专 门的小型操作间 ， 总 体来说 ， 这种改进后的“ 电绕光” 式传感头结构是利 远大 于 弊的 。 4 利用仿真平 台验证 在确 定改 进后 光学 电流互 感器 传感 头结 构 的基 础 上 ， 利 用 ANS OF T、 ANS Y S等 软 件 分 别 建 立 了 对应 的传感头数学仿真模型， 并独立设置了温度调 节模块与电磁场调节模块， 通过调节温度控制模块 和额定电压百分 比来模拟在各种温度环境下 ， 各电 压 等级 变 电站 的光 学 电流互感 器运 行测 量误 差 。电 流互感 器 误差 根据 G B 1 2 O 8 2 0 0 6 ( ( 电流 互感 器 规 定 ， 采 用 比差 和角差 对 比 。 4 1 极 限温 度下 光学 电流互 感器 的仿 真模 拟 考虑 到光 学 电流互感 器 在我 国 的实 际环 境应 用 范 围 ， 分 别 模 拟 在 室 外 极 限工 况 条 件 ( 一 4 0 + 6 O C) l 2 下改进后传感头 的比差和角差 曲线 ， 见 图 2 、 图 3 。 按 照 J J G 3 1 3 -2 0 1 0 ( 测 量 用 电 流 互 感 器 检 定 规 程 及 J J G 3 1 4 2 O 1 O 测 量 用 电压 互感 器 检 定 规 程 规 定 。 o 2级 电压互 感器 和 电流互感 器 在 5 0 Hz ， 额定电压或额定电流下， 其最大比差应小于 0 2 9 5 ， 小于 1 O 。由图 2 、 图 5 对 比可以看出， 改进传感头结 l O 0 5 、 0 羞 一 0 5 1 0 角差值 t =： 二二 二 ： ： ： 二 二 二 ：二 二 二 二 。 比差值 4 ( 】 2 0一 一 0 剁 一2 O 旺 一 40 0 4 4 8 8 1 3 2 1 7 6 2 2 0 电压 l 【 V 图 2 环境温度 一4 0 C时的改进传感 头比差值 与角差值 曲线 l 0 邃 0 - 5 。 一O 5 1 0 角 差值 J一一p一 一一 一 。 - - 比差值 4 0 2 O一 一 0 喇 一 2 0 一4 0 0 4 4 8 8 l 3 2 1 7 6 2 2 0 电压 k V 图 3环境温度 +6 0 C时的改进传感 头比差值 与角差值 曲线 构 后 的光学 电流 互感 器在 环境 温度 6 O C时 ， 误 差 明 显 高 于环境 温 度 一4 0 C时 的误 差 ， 稳定 性 随温 度上 升 而变 差 ， 符 合理 论规 律 ， 但 所测 误 差均在 0 2级 电 流互感器允许 的误差范围内， 能够满足运行需求。 4 2 周期 温度 下光 学 电流互 感器 的仿真 模 拟 在测得极限工况条件下 的误差曲线后 ， 依次模 拟 环境 连续 温度 为 ： +2 0 C、 +4 O C、 +6 0 C 、 +4 O 、 + 20 C 、 0 C 、 一 20 C 、 一 3 0 C 、 一 2 0 C 、 0 C 、 2 0 C， 环境温度 曲线随时间周期变化见图 4 。 6 O 4 0 2 0 、 0 赠 一2 O 一 4 0 6 0 0 2 4 6 8 1 0 1 2 时间 l l 图 4温度 曲线变化周期 在 图 4温度 周 期 变 化基 础 上 ， 得 出改 进 后 光 学 电流传感器传感头的周期测量误差曲线( 见图 5 ) 。 由误 差 曲线 可 知 ， 经 过 改进 后 的 通 电螺 线 管包 绕光路结构传感头的光学电流互感器在合理工况范 围内， 环境温度随时间变化 ， 比差值的绝对值始终小 于 0 2 ， 角 差值 的绝对 值 也 小 于 1 O ， 符 合 J J G 3 1 3 2 0 1 O及 J J G 3 1 4 2 0 1 0规 定 ， 满 足 变 电站 实 23 2 0 1 5年 6月 第 4 3卷 第 3 期 ( 总第 2 3 8期 ) J u n 2 0 1 5 Vo 1 4 3 No 3 ( Se r No 2 38 ) 0 2 0 1 冰 、 遥0 一 0 1 一 0 2 4 6 8 l 0 l 2 时问 h 图 5 环境温度周期变化时改进传感头的比差值 与角差值 曲线 际运 行需 求 。误 差 随温度 变化波 动较 小 ， 相 比起 “ 光 绕 电” 式传 统结 构光学 电流 互感 器 ， 稳 定性有 了明 显 提 高 。 5 结论 通 过 对现 有光 学 电流互 感 器进 行 理论 分析 ， 总 结 出影 响光学 电流互 感器 运行稳 定性 的最 主要 因素 在 于环境 温度 变化 导致磁 光材 料 中线性双 折射 产生 波 动 。 在此 基 础上 通过 对 光学 电流传 感器 传 感 头部 ( 上接 第 2 O页) 分 的研 究 ， 拟 定从 改 善传 感 头 磁 光结 构 入手 改 善 其 长期 运 行稳 定性 ， 并提 出 了改 进后 的“ 电绕 光 ” 式 传 感 头结构 。利用 ANS ( ) F T、 ANS Y S等软件搭建仿 真平 台， 对改进后传感头进行 了各种条件下的运行 模拟 。结果 表 明本文所 提 出 的改 进式 光学 电流互 感 器传感头结构 ， 不仅能够有效提高其 长期运行稳定 性 及抗 干 扰性 ， 且 完 全满 足 我 国 电力行 业 对 于 电流 互 感 器 误 差 的 标 准 J J G 3 1 3 -2 0 1 0及 J J G 3 1 4 2 O l 0的规定 。 参 考 文 献 1 李 红斌 光学电流传感器传感头 的研 究 J 光学学报 ， 1 99 7， l 7( 7)： 9 46 - 94 9 E 2 于文斌 ， 李岩松 ， 张国庆 ， 等 光学 电流互感器 的性能分 析 与实验研究 J 哈尔滨工业大学学报 ， 2 0 0 6 ， 3 8 ( 3 ) ： 3 53 356 ( 编辑郝竹 筠 ) g 称 优化 方案 ) 进行 经济性 比较 ， 比较 结果见 表 1 。 由表 1可 知 ， 优 化 方 案 的初 投 资仅 增 加 7 0万 元 ， 但 机 组 额