（电力系统及其自动化专业论文）光学电流互感器实用化方法的研究.pdf

华北电力大学博士学位论文 理论的补偿方法以保证数据融合的精度。该方法依赖于本文提出的两项关键技术。 一是基于输出位移x 包络特征的混沌特性自动判别方法，它具有实时性好、易于实 现的优点。二是新型的微弱正弦信号幅值检测方法，即d u f f i n g m l 沾，该方法基 于对d u f f i n g 系统信噪改善特性和频谱特性的分析，将最大似然法用于估计d u f f i n g 系统输出位移x 的幅值，获得了良好的噪声免疫能力。把这两项技术用于数据融 合算法形成了基于混沌理论的温度补偿方法，扩大了o c t 测量的动态范围，确保 噪声严重时数据融合算法的有效性。 目前光学电流互感器已进入实用化研究阶段，规范其性能指标的测试，无论对 于光学电流互感器的研制还是推广应用都非常重要。本文依据1 e c 6 0 0 4 4 8 标准给 出了光学电流互感器的接口建议；采用虚拟仪器技术，针对数字输出方式和模拟输 出方式的光学电流互感器，分别构造了新型的检测系统；依据误差分析理论，提出 了测试系统标准通道的设计原则。利用本文设计的测试系统完成了对a o c t 性能 指标的测试。 基于上述理论研究和大量实验工作，研制成功的a o c t 在保定供电局某变电 站挂网运行了2 5 个月。测试和运行结果表明所研制的a o c t 具有优良的性能，已 达到了实用化水平。2 0 0 4 年】2 月自适应光学电流互感器通过了出中国电机工程学 会主持的技术鉴定，鉴定结论为：达到国际领先水平。 关键词：光学电流互感器，法拉第磁光效应。r o g o w s k i 线圈，数据融合，d u r i n g 振子 校验 a b s t r a e t a b s t r a c t an o v e lc u r r e n tm e a s u r e m e n ts c h e m ei sp r e s e n t e dt os a r i s f yt h er e q u i r e m e n to ft h e p o w e rs y s t e m t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e r i n c l u d ed a t af u s i o na r i t h m e t i c ， c h a o s p i i n c i p i e - b a s e dt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nm e t h o da n dc a l i b r a t i o nm e t h o do f o p t i c a lc u r r e n tt r a n s d u c e r ( o c t ) b ym e a n so ft h e o r e t i c a ls t u d i e sa n de x p e r i m e n t s ，t h e a d a p t i v eo p t i c a lc u r r e n tt r a n s d u c e r ( a o c t ) w a sd e v e l o p e d ，c a l i b r a t e da n dr u ni n t o o p e r a t i o na ta n 110 k vs u b s t a t i o n t h ep o w e rs y s t e mr e q u i r e sc u r r e n tt r a n s d u c e rt oh a v ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e sa s f o l l o w s ：( j ) t h ea c c u r a c ys a t i s f i e sm e t e r i n gp u r p o s e ；( 2 ) g o o df r e q u e n c yr e s p o n s ea n d l a r g ed y n a m i cr a n g en e e d e db yp r o t e c t i o n ，c o n t r o la n dr e a l t i m ea n a l y s i s ；( 3 ) t e r r i f i c s t a b i l i t ys u p p o r t i n go p e r a t i o nf o ral o n gt e r m ；( 4 ) s i m p l ea n dr e l i a b l ei n s u l a t i o n f h a ti s w e l lk n o w nt h a tt h ec tw i t hc o r ec a n n o t s a r i s f yt h e s er e q u i r e m e n t s t h ef r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c ，a c c u r a c y a n d r e s p o n s e a b i l i t i e so f r o g o w s k i i nb o t h s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n s a n d f a u l t y c o n d i t i o n sa r es t u d i e d t h ec o n c l u s i o n i sa c h i e v e dt h a t r o g o w s k i t y p ec u r r e n tt r a n s f o r m e rc a nn o tr e a c ht h ea c c u r a c yo fc l a s s0 2f o rm e t e r i n g a p p l i c a t i o n ，o n l ys a r i s f yf u n d a m e n t a lc o m p o n e n tp r o t e c t i o np u r p o s e ，b u tu n a b l et os u i t f o rf u t u r ed y n a m i ca p p l i c a t i o n s o nt h eo t h e rh a n d ，f a r a d a y t y p eo c t h a se x c e l l e n t d y n a m i cp e r f o r m a n c e s u p t on o wo c ts t i l ls u f f e r sf r o mt e m p e r a t u r ea f f e c t sa n d p e r f o r m a n c ev a r i a t i o n s r i s k b i r e f r i n g e n c er e s u l t e df r o mt e m p e r a t u r ec h a n g er e d u c e st h ea c c u r a c yo fo c t v a r i a t i o n so fp e r f o r m a n c ew i t ht i m ed e f i n et h es t a b i l i t yo ft h e s y s t e m s i m p l i f y i n g o p t i c a ls y s t e mc a ne n s u r eg o o ds t a b i l i t yo fo c t t h em e c h a n i s m so f t e m p e r a t u r ee f f e c t a r es t u d i e di nt h i sp a p e r ，i n d i c a t i n gt h a tt h ee f f e c t sa r ec o m p l i c a t e d ，n o n l i n e a ra n dc a n t t b ed e s c r i b e de x a c t l y i no r d e rt o i m p r o v et h ea c c u r a c yo fo c t ，d a t af u s i o nm o d e li s c o n s t r u c t e dt oc o m p e n s a t et e m p e r a t u r ee f f e c t s d a t af u s i o na r i t h m e t i c f o rs t e a d y s t a t e o p e r a t i o na n dm e m o r yr e l e v a n c ea p p r o a c hf o rf a u l tc o n d i t i o na r ep r e s e n t e d an o v e l o c t ，c a l l e da o c ti s d e s i g n e d t h ep r e c i s i o nc tw i t ho p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o n p r o v i d e sa c c u r a c yf u n d a m e n t a lc o m p o n e n tm e a s u r e m e n td a t af o rt h ed a t af u s i o nm o d e l s ot h a tb ym e a n so ft h ed a t af u s i o na r i t h m e t i ct h ea o c t e n s u r ea l lm e a s u r e m e n tr e s u i t s o v e rt h ew h o l ef r e q u e n c yr a n g e st ob ea c c u r a t e w h e nf a u l t so c c u r ，t h ed a t af u s i o ni s p r o h i b i t e dt oa v o i dt h ei n f l u e n c eo fc ts a t u r a t i o n ，a n dt h ec o m p e n s a t i o n p a r a m e t e r sa r e k e p ta c c o r d i n gm e m o r yr e l e v a n c ea p p r o a c h b e c a u s et e m p e r a t u r ec h a n g e ss o s l o w l y l i i p h d d i s s e r t a t i o no fn c e p u t h a nf a u l tt i m et h a t t h e c o m p e n s a t i o np a r a m e t e r s b e f o r ef a u l ti ss t i l le f f e c t i v ef o r m e a s u r e m e n to ff a u l t yc u r r e n t t h ea o c tc o m b i n e sh i g h a c c u r a c y w i t he x c e l l e n t d y n a m i cr e s p o n s ea b i l i t y t h ea c c u r a c ys a r i s f yr e q u i r e m e n t so f c l a s s0 2o f1 e c 6 0 0 4 4 8 s t a n d a r d a n dt h em a x i m u m p e a ki n s t a n t a n e o u se r r o ri s n om o r et h a n 1 a l t h o u g h t h ea o c ti sc o n s i s t e do ft w om e a s u r e m e n tu n i t s ，t h ep r e c i s i o nc tw i t ho p t i c a lr e a d o u t ( o e c t ) a n dt h ef a r a d a y t y p eo c t , b u tl e s sr e q u i r e m e n t so fa o c t t oe a c hu n i ta r e n e e d e dt h a nt h es i t u a t i o no fe a c hu n i tw o r k i n gi n d e p e n d e n t l y ，w h i c hi so fb e n e f i tt o l a r g e s c a l em a n u f a c t u r e a n d a p p l i c a t i o no f t h ea o c t d a t af u s i o na p p r o a c hi sp r e s e n t e dt od e c r e a s ee f f e c to f t e m p e r a t u r et oo c fb u t s i g n a l t o n o i s er a t i o ( s n r ) i sn o tc o n s i d e r e d i nf a c tt h em e a s u r ea c c u r a c yi sa f f e c t e db y i n t e r f e r e n c ea n dn o i s et o o n o i s ee f f e c t sh a v et ob ec o n c e r n e da t1 0 w e rc u r r e n tl e v e l s t h ec o n v e n t i o n a lp a r a m e t e re s t i m a t i o nm e t h o d sd o n tw o r kw e l la tl o w e rs n r ，s ot h a t d a t af u s i o na p p r o a c hc a n tw o r ka se x p e c t e d an o v e lc h a o s p r i n c i p l e - b a s e dt e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o nm e t h o di sp r e s e n t e dt oo v e r c o m et h ep r o b l e mm e n t i o n e da b o v e t h en e w m e t h o di sb a s e do nt w ok e yt e c h n o l o g i e sp u tf o r w a r di nt h i s p a p e r o n ei st h en o v e l i d e n t i f y i n g m e t h o do fc h a o sc h a r a c t e r i s t i c ，w h i c h d i s t i n g u i s h e st h em o t i o ns t a t e o f d u f f i n go s c i l l a t o rb a s e do nt h ee n v e l o p eo ft h eo u t p u tx i ti s r e a l - t i m ea n de a s yt o r e a l i z e t h eo t h e ri st h en o v e la m p l i t u d ee s t i m a t i o nm e t h o do fw e a ks i n es i g n a l ，c a l l e d d u f f i n g m lm e t h o d ，w h i c hf o l l o w sa n a l y s i s o fs n ri m p r o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i ca n d f r e q u e n c ys p e c t r u m t h ed u f f i n g m l m e t h o d a p p l i e sm l ( m a x i m u ml i k e l i h o o d ) e s t i m a t i o nt ot h eo u t p u txo fd u f f i n gs y s t e mt oa c h i e v eg o o dn o i s ei m m u n i t ya b i l i t y t h et w o k e yt e c h n o l o g i e s a r e a p p l i e d t od a t af u s i o na r i t h m e t i ct o f o r mt h e c h a o s p r i n c i p l e b a s e dt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n m e t h o d ，w h i c h e x t e n d st h e m e a s u r e m e n tr a n g eo fo c t ，a n de n s u r ed a t a f u s i o nt ob ee f f e c t i v ei ns e v e rn o i s e c o n d i t i o n s t a n d a r d i z i n gt h ec a l i b r a t i o no fo c t i si m p o r t a n tf o rm a n u f a c t u r ea n d a p p l i c a t i o n o f o c t a c c o r d i n g t oi e c 6 0 0 4 4 8s t a n d a r d ，i n t e r f a c i n ga p p r o a c h e sa r es u g g e s t e d ；n e w t e s ts e t u p sa r ec o n s t r u c t e dr e s p e c t i v e l yf o ro c tw i t ha n a l o g u ea n dd i g i t a lo u t p u t t h e v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u ei sa p p l i e dt om e e tt h en e e d sf o rc a l i b r a t i n gs m a ll a n a l o g u e s i g n a la n dd i g i t a ls i g n a l s u g g e s t i o n sa r ep r o v i d e df o rr e f e r e n c ec h a n n e ld e s i g ni nb a s i s o fe r r o ra n a l y s i st h e o r y p e r f o r m a n c e so fa o c ta r ee x a m i n e d b y t e s ts y s t e mf u l f i l l e di n t h i sp a p e r t h ea o c t d e v e l o p e di nt h i sp a p e rh a db e e no p e r a t i n gi nas u b s t a t i o ni nb a o d i n g c i t y h e b e ip r o v i n c ef o r2 5m o n t h s ，s h o w ns t a b l e p e r f o r m a n c e c h i n e s es o c i e t y t o r e l e c t r i e a le n g i n e e r i n g ( c s e e ) u p h e l dt h et e c h n i c a le v a l u a t i o nc o n f e r e n c eo ft h ea o c t l v a b s t r a c t i nd e c e m b e r , 2 0 0 4 ，a n dt h ec o n c l u s i o nw a sd r a w nt h a tt h ea o c t r e a c h e si n t e r n a t i o n a l l e a d i n gl e v e l k e y w o r d s ：o p t i c a lc u r r e n tt r a n s d u c e r , f a r a d a ym a g n e t i c - o p t i c a le f f e c t ，r o g w s k ic o i l ， d a t af u s i o n ，d u f f i n go s c i l l a t o r , c a l i b r a t i o n v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果 不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。 特此申明。 签名：! 坚筮鳇日期：乏竺! ：丝：墨宣 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 作者签名：! 兰丛生 日 期：垫咝! 兰：签 导师签名：庄01 ：汤 日期：2 垒曼! ! 17 第一章绪论 第一章绪论 电流互感器是电力系统最基本的测量元件。基于电磁感应原理的电磁式电流互 感器( c u r r e n tt r a n s f o r m e r ，c t ) 结构简单，经过长期的应用研究，其测量稳态电 流的精度可以达到力分之几甚至更高。然而，随着电力系统容量的不断增大，电压 等级的不断提高，电磁式c t 由于自身原理上的缺陷，而越来越难以满足电力系统 的发展需要。最为重要的是，短路故障情况下，出现严重的磁饱和现象，导致二次 输出电流波形严重失真，不能准确反映短路时的过渡过程，造成继电保护误动或拒 动。其次，电磁式c t 的绝缘造价随电压等级呈指数上升。再次，电磁式c t 的二 次输出为5 a 1 a 的电流信号，不能和数字仪表直接接口，中间需要引入电流变换器， 这不仅增加了测量误差，而且和电力系统的数字化发展趋势相悖。另外，电磁式 c t 还存在体积大、笨重和二次开路有过电压的危险等问题。 电力系统的监视与控制正从时间断面逐步走向时间过程，电力系统的傈护与控 制正在从电网的点和局部逐步走向系统全局。为了阻止破坏性越来越大的电力系统 灾难事故，人们正在构建电力系统安全防御体系。以相角测量单元( p m u ) 为基础 的广域测量系统( w a m s ) “1 将成为电网保护控制的基础测量系统。，旨在提供电 网准确动态过程测量数据，以使电力系统实现动态可观测性。随着电子技术的不断 进步和微处理器的广泛应用，d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 技术、嵌入式技术、高 速采样芯片、o p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 全球卫星定位系统等在电力系统中的应用 越来越广泛，数字式测控和保护设备的能力不断提升，为电力系统实现动态可观测 性提供了技术基础。然而，传统的电磁式c t 不能准确反映电网动态过程，成为阻 碍电力系统未来发展的瓶颈。电网保护与控制呼唤具有良好的动态响应能力的新型 互感器的诞生。 光学电流互感器( o p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r ，o c t ) 克服了电磁式c t 的不 足，无暂态电磁饱和现象，采用光纤绝缘，绝缘造价低，具有数字输出，易于和数 字仪表接口，重量轻体积小。o c t 具有宽广的动态测量范围和频率响应范围，不仅 可以测量工频交流信号、各次谐波信号、直流量0 1 ，而且可以高保真地复现电网暂 态信号，具有良好的动态响应能力。 i 1 光学电流互感器的原理 光学电流互感器可以采用多种物理效应，如：法拉第磁光效应、磁致伸缩效应、 压电效应和电光效应等，其中研究最为充分、最具有实用化前景的是基于法拉第磁 华北电力大学博士学位论文 光效应的o c t 。这种o c t 是通过测量由被测电流引起的磁场来间接测量电流的。 法拉第磁光效应的原理如图1 1 所示，线偏振光在与其传播方向平行的外界磁场的 作用下通过磁光介质时，其偏振面将发生偏转，偏转角口可以表示为 被测电流形 图1 1 法拉第磁光效应的原理图 口2 v h d l( 1 1 ) 其中，p 为法拉第磁光材料的磁导率；v 为磁光材料的v e r d e t 常数，它与介质的特 性、光源波长、外界温度等有关；为作用于磁光材料的磁场强度；为通过磁光 材料的偏振光的光程长度。当光路为环绕电流导体的闭合路径时，根据安培环路定 律可知： 0 = v n - i ( 1 - 2 ) 其中，为线偏振光围绕电流的环路数，i 为被测电流。 图1 - 2o c t 的传感原理 由于偏振光的偏转角不能被直接测量，因此，采用检偏器将其转化为光强信号 来检测。光学电流互感器的传感原理如图1 - 2 所示，选择参考坐标系使起偏器透光 轴和x 轴平行，检偏器与起偏器轴的夹角为4 时检测灵敏度最高。设光源产生的 光电矢量为e ，经过起偏器后其琼斯矢量为 网 第一章绪论 其中，疋5 亡e + 霹磁光介质的法拉第旋转特性可用琼斯矩阵表示为 y ，c o s 0 一s i n 0 卜1s i n 0c o s 0l ll 根据琼斯算法，经法拉第物质和检偏器后的输出矢量为 巨= 一c o 叫s 7 【4 4 蔷球o s n 4 c 4s 眦i n t r 4 j 4 1 一 c o s o - s 刚i no j l e 朝 巨。is i n ( o + 兀4 ) l 拓l s i n ( o + 兀4 ) j - 3 ) 则输出光强只与输入光强p 之间的关系为 只= 只( 1 + s i n 2 0 )( 1 - 4 ) 交流分量为 ：喜f s i n 2 0 直流分量为 & ：当p 单光路检测方法采用滤波电路分别检出交流分量和直流分量，为消除输入光强 波动的影响，取调制量 朋= p a c p d c = s i n 20 当调制度较小时，m * 20 。单光路检测方法只能测交流信号。 如果用偏振分光棱镜( 如渥拉斯登棱镜) 作为检偏器，两个出射光轴与起偏器 的夹角分别为丁r 4 和丌1 4 ，则两输出光路的光强分别为 p i = p ( 1 + s i n 2 0 ) ( 1 - 5 ) 只：= 去p ( 1 一s i n 2 0 )( 1 6 ) 调制量为 m = 簪= s i 删 ( 1 _ 7 ) p l + ： l 。7 这种检测方法称为双光路检测方法。该方法能测交流信号，也能测直流信号。 华北电力大学博士学位论文 当考虑温度等引起的线性双折射影响时，两个光电接收器探测到的光振幅为： 卧0 书aj m l oj 击瞄麓 。， 其中 a = c o s ( # 1 2 ) + i c o s z s i n ( 庐2 ) ( 1 - 9 ) b = s i n z s i n ( # 2 ) ( 1 - 1 0 ) 庐= 【j 2 + ( 2 曰) 2 】1 7 2 ( 1 - 1 1 ) s i n z = 2 0 0( 1 一1 2 ) c o s x = 占，庐 ( 1 - 1 3 ) 占反映了双折射的影响，0 反映旋光效应。由上式可得出两个光电接收器探测到的 光强为 当线性双折射影响远大于磁光效应时，即万 0 ，式( 1 - 1 6 ) 可简化为 ( 1 1 4 ) ( 1 - 1 5 ) ( 1 1 6 ) m o s i 占n 5 ( 1 1 6 a ) 显然，线性双折射的存在降低了检测灵敏度。当线性双折射影响比磁光效应小，即 j i 则 日2 厶i 又设电流磁场引起的f a r a d a y 偏转角为口，磁光材料的费尔德常数为v ，则有 口= 阳丘= 风吼厶= 雎阻厶厶厶= “阿鲁 ( 1 - 1 7 ) 集磁环式o c t 光路短，受双折射影响小，但受铁芯材料的非线性影响较大。 由式( 1 ，1 7 ) 可以看出，测量精度还受磁光材料位置和通电导体位置的影响。 1 3 光学电流互感器的研究概况 用光技术测量电流始于二十世纪六十年代，由于当时光纤刚刚问世，技术上还不 成熟，所以光信号靠空间或玻璃捧传播。世界上第一台光电流互感器“t r a c e r ”通过玻 璃波导传输光脉冲，1 9 6 3 年安装在美国俄勒港州的2 3 0 k v 电网上。 随着光纤技术和光通讯技术的发展，光纤被用来作为光电流互感器中连接一、二 次设备的传光物质。美国光电流互感器“t r a c e r ”的改进型装置采用低损耗光纤实现信 号传输。随着对光纤的各种物理特性研究的不断深入，研究者们歼始谋求用光纤作为 传感元件。1 9 7 7 年，英国电力研究中心研制出全光纤型的光学电流互感器实验装簧， 并于1 9 7 9 年在变电站试运行。德国也开展了全光纤电流互感器的系列专题研究。但这 一时期的光学电流互感器精度低、稳定性差“。1 。 二十世纪八十年代，由于全光纤型的光学电流互感器面临严重的双折射影响， 6 第一章绪论 磁光块状材料型的光学电流互感器受到重视，光学电流互感器也由理论研究阶段步 入实用化研究阶段。美国、同本等发达国家的许多光学电流互感器挂网运行，获得 了大量的运行经验和数据。美国田纳西州电力管理局先后安装了一台1 6 l k v 单相 计量用磁光块状材料型的光学电流互感器和套三相计量和保护用磁光块状材料型 的光学电流互感器”1 。 二十世纪九十年代，光学电流互感器的研究呈现全球化、多类型、多用途的发 展趋势，取得了显著的研究成果0 1 。日本相继有集磁环式的光学电流互感器研究成 功的报道”，材料方面的研究也取得了很大的进步，y i g 晶体等新型材料的应用 增强了传感灵敏度“”1 。随着特种光纤技术的发展、光纤传感新结构和抑制双折射 的研究取得进展，全光纤型的光学电流互感器又一次引起了研究者的关注。文献【1 9 提出的串联式s a g n a c 干涉仪方案结合了偏振检测和s a g n a c 干涉仪的优点，其灵敏 度比s a g n a c 干涉仪增加了一倍，是偏振检测方案的四倍，却显著降低了传导光纤 对振动与温度变化的敏感程度。闭合块状材料型光学电流互感器的研究则继续围绕 提高精度和运行稳定性的实用化问题进行“”。光学电流互感器不仅用于计量和保 护，也成功应用于其它方面。日本爱知县的c l m b u 电气电力公司丌发了光学零序电 流电压互感器”“。文献【2 3 】将光学电流互感器应用于故障定位。这一时期我国的清 华大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学和西安交通大学等多家科研院所对o c t 的研究也取得了可喜的进展。其中，华中科技大学研制的计量用o c t 于1 9 9 3 年在 广东新会1 1 0 k v 电网试运行，尽管未达到计量目标，但标志着我国的o c t 研究已 向实用化迈进一步”。另外，多功能组合型的光传感系统也受到了关注。国外和国 内都开发了电压电流组合型光传感器口5 - 2 “。华北电力大学开发的光纤电功率传感 器，利用一套光路同时完成电压、电流和电功率的测量”“。 进入二十一世纪，关于o c t 的研究更为全面，不仅继续o c t 本体的研究“”“1 ， 还延伸到校验和接口等问题o ”3 ，并拓宽了应用领域。国际标准化组织于2 0 0 2 年 出台了电子式电流互感器标准( i e c 6 0 0 4 4 8 ) ，涵盖了光学电流互感器，该标准为 o c t 的产品化起到了规范指导作用“。o c t 本体的研究仍然集中在解决温度和振 动引起的双折射问题“2 。”1 。文献【4 7 】将o c t 用于电流波形的谐波分析，文献 4 8 5 0 则用o c t 测量直流，而文献 5 u 通过优化信号处理扩大测量范围。但是，和二十世 纪九十年代相比研究论文大量减少，o c t 的研究陷入低谷。由于难以解决o c t 的 双折射问题，许多研究者将目光转移到r o g o w s k i 线圈电流互感器。”1 。文献 5 9 】 将r o g o w s k i 线圈电流互感器用于气体绝缘开关。文献【6 0 】将r o g o w s k i 线圈用于小 电流测量。文献【6 l 】讨论了r o g o w s k i 线圈应用于保护的可行性。 r o g o w s k i 线圈原理是一种电磁耦合原理。与传统的电磁式电流互感器不同， 它是密绕于非磁性骨架上的空心螺绕环。r o g o w s k i 线圈直接输出的信号是电流的 微分信号。r o g o w s k i 线圈型电流互感器将r o g o w s k i 线圈的输出信号经积分变换和 7 华北电力大学博士学位论文 模数变换器转换为数字信号，再经过电光转换电路变换为光脉冲信号，通过光纤 将信号传输到地面。r o g o w s k i 线圈电流互感器消除了磁饱和现象，改善了动态响 应性能“。本论文第二章的分析指出：r o g o w s k i 线圈型电流互感器可以满足当前 工频保护的要求，但由于原理上的缺陷，使其永远不能成为电力系统期望的理想电 流互感器。 1 4 光学电流互感器的现存问题 尽管国外有些公司已打出了o c t 的产品宣传网页，但到目前为止还没有真正 经过实际运行考验达到实用化要求的o c t 商品出现。f a r a d a y 磁光效应的o c t 仍然 面临两个主要问题：测量精度受双折射影响达不到计量的要求及长期运行稳定性问 题。 磁光材料中的双拆射包括材料固有的双折射和外界条件变化( 主要是温度) 引 起的双折射两种。其中材料固有的双折射是由于磁光玻璃在加工过程中退火不均匀 引入的，可以靠数字信号处理在测量系统中消除。为了消除温度引起的双折射的影 响，人们提出了许多补偿的方法m “。主要包括以下几种： ( 1 ) 基于温度测量的补偿方法。文献 6 4 提出，首先离线记录o c t 在某一特 定温度下当温度存在扰动时的测量精度与温度的关系曲线并存储，在线通过热电偶 直接测量环境温度，然后与存储的曲线相比对来进行温度补偿。 ( 2 ) 改进光技术或光学材料。这种补偿方法是o c t 研究的重点。文献 6 5 充 分利用晶体的左右自然旋光效应，将分别具有左旋光效应和右旋光效应的晶体或者 平行叠救、或者串行叠放，适当分配分别进入左、右旋光效应晶体的光强，以达到 消除温度影响的目的。文献 6 6 提出了一种基于偏振光干涉原理的温度补偿技术， 它是将入射到磁光材料的偏振光一分为二，其中柬光入射到被温度和磁场作用的 磁光材料中，另一束则经过线性旋光器，两柬光相互干涉，被测磁场从干涉仪的边 缘可见性变化中得以恢复。文献 6 7 利用法拉第磁光效应的非互易性原理和双折射 的互易性来消除双折射的影响，即同一线偏振光沿着同一光路正反传播时双折射被 消除而磁光效应被加强二倍。文献 6 8 ，6 9 提出用扭转光纤、退火光纤或扭转和退火 工艺相结合的方法制作电流传感头。扭转光纤可显著减小由光纤中剩余应力及几何 非对称性引起的内在线性双折射；退火工艺可明显降低光纤中存在的弯致线性双折 射。文献 6 9 的实验表明，采用新工艺使系统灵敏度与湿度稳定性均得到明显改善。 文献 7 0 7 2 采用新光纤材料燧石玻璃光纤克服线性双折射问题，燧石玻璃是一种 具有极小光弹性系数的较理想的玻璃材料，其内在双折射及弯致双折射均小到可忽 略不计。e a u l m e r 的课题组提出了“线偏振光平行于温度引起的双折射媒介中的 特征方向时通过该媒介仍然保持线偏振态”的理论”。文献 7 4 通过分析o c t 输 第一章绪论 出中直流分量和交流分量与双折射之间的关系，进而找出近似的补偿表达式。文献 7 5 给出了s a g n a c 方案o c t 的误差描述公式，证明了s a g n a c 方案具有抑制双折 射的能力。文献 7 6 采用两个光学传感头来提高抗干扰能力。 ( 3 ) 引入参考磁场。文献 7 7 ，7 8 提出了采用高稳定度永久磁体产生的磁场作 为参考磁场，与被测电流产生的磁场进行比较测量，对费尔德常数及双折射的变化 进行实时补偿。永久磁铁的磁性必须保证高稳定度，才是比较理想的参考源。但永 久磁铁的高稳定度恰恰难以保证，比如在系统发生故障对，永久磁铁处于很大的磁 场之中，会产生退磁现象，故障消失后，不能回到原来的数值，再进行补偿将使效 果大打折扣。 ( 4 ) 被动保护方法。文献 7 9 引入过渡介质以减少由较大的温度梯度引起的 暂态双折射，同时设计了一种无组装应力传感头组装方法来解决传感头组装引起的 应力双折射问题。 由于温度的影响随机而复杂，而光学材料本身又具有多参量交叉敏感性，致使 以上补偿方法都未能达到理想的效果。许多研究者认为解决双折射问题的理想方法 是改善f a r a d a y 磁光材料的品行1 。但是到目前为止改进材料方面还没有取得期望 的突破性进展。 过去，基于f a r a d a y 磁光效应的块状玻璃光学电流互感器，趋向采用双层光路 的传感结构。这样做的最重要理由是可以完全抗电磁干扰。文献 8 1 j 的研究表明， 双层光路结构并不具有完全的抗电磁干扰能力但却出现了新问题：传感头运行稳定 性降低。表现为，互感器经过较长时间的运行之后，输出光强明显减弱，最终导致 o c t 失去了测量电流的功能。o c t 出现运行稳定性问题的原因是：光路长，环节多。 o c t 的长期运行稳定性成为阻碍o c t 实用化的主要原因之一。提高f a r a d a y 磁光效 应o c t 的运行稳定性的关键是要尽可能简化光路结构”“8 “。 1 5 本论文的主要研究内容 ( 1 ) 典型的新型电流互感器有：小电磁c t 结合光纤输出的光电电流互感器、 基于r o g o w s k i 线圈原理的光电电流互感器和基于f a r a d a y 磁光效应原理的光学电 流互感器三个主要类别。第一种类型不能满足电网的动态要求已经是公认的事实， 而后两种颇受研究者们关注。本文首先对r o g o w s k i 线圈光电电流互感器的频率特 性、稳态响应和暂态性能进行深入的分析，并和光学电流互感器的性能进行对比， 以寻求满足未来电网要求的、最具有实用化前景的电流传感方案。研究表明：o c t 以其优良的动态性能而最有希望成为电力系统理想的电流互感器，而r o g o w s k i 线 圈光电电流互感器仅仅是电磁c t 向o c t 过渡的中间产物。 ( 2 ) 为解决温度影响o c t 测量耩度的问题，本文研究温度对o c t 的影响机 9 华北电力大学博士学位论文 理，进而提出新的温度补偿策略。利用电磁c t 和o c t 的互补特性建立o c t 的数 据融合模型，并据此构建一种新型的o c t 系统一一自适应光学电流互感器 ( a o c t ) ，以期望同时实现高精度的稳态测量和暂态测量。 ( 3 ) 噪声也是影响o c t 测量精度的一个主要因素。o c t 的动态测量范围很 大，而光电检测器输出的是微弱的光电流信号，当信号的信噪比较低时，采用常规 的方法难以准确测量o c t 的输出，将给数据融合算法引入较大的误差。为此本论 文提出混沌补偿方法以保证温度补偿的精度。此部分的主要研究问题有：提出一种 新的混沌特性自动判别方法，该方法应具有实时性好、易于实现的优点：提出新型 的正弦信号幅值估计方法，并应用于数据融合过程，以实现自适应光学电流互感器 的温度补偿。 ( 4 ) 对于光学电流互感器还没有专门的检定规程，而规范光学电流互感器性 能指标的测试，对于其实用化进程具有积极的意义。本文将依据1 e c 6 0 0 4 4 8 标准， 提出光学电流互感器的检测方法，采用虚拟仪器技术建立新型的检测系统。 ( 5 ) 基于以上理论研究，设计并研制自适应光学电流互感器，进而完成性能 测试和现场挂网试运行。 1 0 第二章典型电流互感器的性能分析与比较 2 1 引言 第二章典型电流互感器的。陡能分析与比较 传统的电磁式c t 不能适应电力系统的发展，电力系统呼唤新型的电流互感器 的诞生。在电流互感器的研究进程中，出现了多种类型的新型电流