（电气工程专业论文）光电传感器在继电保护中的应用研究.pdf

东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es t u d yo fa p p l y i n go p t i c e l e c t r i ct r a n s d u c e ri nr e l a y p r o t e c t i o n a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o - e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，o p t i c e l e c t r i c t e c h n o l o g y a n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , m e a s u r e m e n ta n d c o n t r o lt e c h n o l o g y ，i n c l u d i n gi n t e l l i g e n t ，d i g i t a la n dn e t w o r kt e c h n o l o g y ， a r ea p p l i e di ne l e c t r i cp o w e rs y s t e ms t e a d i l y t h e ya r ec h a n g i n gt h em o d e o fo p e r a t i n g ，m a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n to fc o n v e n t i o n a le l e c t r i c p o w e r s y s t e mp r o f o u n d l y e s p e c i a l l y f o rt h e a p p l i c a t i o n o f o p t i c e l e c t r i c t e c h n o l o g ya n d i t sc o m b i n a t i o nw i t hi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，i tw i l lp u t c o n v e n t i o n a le l e c t r i cp o w e rs y s t e mi n t oat e c h n o l o g i c a lr e v o l u t i o n b e i n g t h ee l e c t r i cp a r a m e t e ra c q u i s i t i o nd e v i c e ，c u r r e n tt r a n s f o r m e ra n dp o t e n t i a l t r a n s f o r m e rw e r ec h o s e nt ob er e s e a r c ho b j e c t so ft h i st h e s i st h es t u d yo f m e a s u r e m e n tp r i n c i p l eo fn o v e lo p t i c e l e c t r i ct r a n s d u c e r ( o e t ) ，t h es t u d y o ft h e o r ya n dp r o b l e m sd u r i n gt h ea p p l y i n go e ti nr e l a yp r o t e c t i o nd e v i c e ， a r ec a r r i e do u ti nt h i st h e s i s b a s e do nal a r g en u m b e ro fr e f e r e n c e sf r o mc h i n aa n da b r o a d 。t h e h i s t o r y ，t e n d e n c ya n dl a t e s td e v e l o p m e n t so ft h et e c h n o l o g ya b o u to e ti n c h i n aa n da b r o a da r ei n t r o d u c e d t h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f c o n v e n t i o n a lt r a n s f o r m e r ，p a s s i v eo p t i c a l f i b e rt r a n s d u c e ra n da c t i v eo e t a r ec o m p a r e da c t i v eo e t ( a o e t ) i st h e nc h o s e na se m p h a s i so fc u r r e n t p r a c t i c a lr e s e a r c ht o p i c t h em a i nr e s e a r c ht o p i c sa n dc o n t e n t so fe v e r y c h a p t e ra r ed e s c r i b e df i n a l l yt h ed i s a d v a n t a g e so fe l e c t r o m a g n e t i cc u r r e n t t r a n s f o r m e ra n dc a p a c i t i v ev o l t a g et r a n s f o r m e ra r ed e m o n s t r a t e dt o ot h e e l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dt r a n s i e n tp r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c so fr o g o w s k i c o l lb a s e dc u r r e n ta o e ta r et h e na n a l y z e di n d e t a i l s e x p e r i m e n t a lr e s u l t s o fs t e a d ye r r o rt e s ta n dd y n a m i cs i m u l a t i o nt e s t p r o v et h a ta o e ti s a p p l i c a b l ei nr e l a yp r o t e c t i o no fe l e c t r i cp o w e rs y s t e mc o m p l e t e l y i nt h er e s e a r c ho fa p p l y i n ga o e tt o r e l a yp r o t e c t i o n ，t h r e em a i n a s p e c t sa r ef u l l ya n a l y z e d ：i n t e r f a c eb e t w e e na o e ta n dr e l a yp r o t e c t i o n ， i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t r a n s f o r m e rd i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o nb a s e do na o e ta n dm u t u a le f f e c t s b e t w e e na o e ta n d r e l a yp r o t e c t i o n t h e s ed i s c u s s i o n sa r e h e l p f u li n i m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fr e l a yp r o t e c t i o n t h r o u g ht h ea n a l y s i so f d y n a m i cs i m u l a t i o nd a t a ，i tc a nb ep r o v e dt h a tt r a n s f o r m e rd i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o ns c h e m ea p p l i e da o e th a sh i g h e rs e n s i b i l i t y ，r e l i a b i l i t ya n d q u i c k e ra c t i o nt i m et h a ns c h e m eo fa p p l y i n gc o n v e n t i o n a lt r a n s f o r m e ra s e l e c t r i cv a l u ea c q u i s i t i o ne q u i p m e n t k e yw o r d so p t i c e l e c t i ct r a n s d u c e r r o g o w s k ic o i l o p t i c a lc u r r e n tt r a n s d u c e r t r a n s f o r m e rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论 文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他 人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学 位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：魏期 1 日期：2 0 0 r 年留国7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、 使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同 意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索、交流。 学位论文作者签名：j 埽阻 日 期：f n2 ，号 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否 则视为同意。 学位论文作者签名：勘国 签字日期：弘加r 。扩、刁 导师签名：赫 签字日期：。o r 占，j 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着工业技术的不断发展，以数字化为主要形式的信息革命已经深入到国民 经济建设和人民日常生活的各个领域，深刻地改变着我们与客观世界交流的方式 和内容。光电技术作为信息技术的一门前沿学科，在近几十年得到了极大的发展。 光纤通信、光纤传感、激光技术等新型的研究成果也广泛应用于电力系统。一批 基于光电信息技术的新产品在电力系统中逐步得到应用，并以其优异的性能和全 新的模式迅速改变着传统电力工业的架构。已经得到普遍应用的光纤数据通信网 络将逐步取代微波、载波等传统通信方式，成为电力系统通信的主干网络，将原 来分布的、孤立的各发、变、配、送、用电系统融合为一个整体；光纤传感技术 与故障诊断技术的结合为电力主设备的安全可靠运行提供了全新的监测手段，大 大提高了电力主设备的运行管理水平；数字化、智能化电子设备和数字继电保护 装置的广泛应用，在保持原有功能的基础上，提供了系统功能扩展和集成的良好 平台。可以说，光电技术的应用使得传统电力系统工业面临一场重大的技术变革。 电力系统安全、稳定运行的先决条件是精确、可靠地测量电力系统的参数。 电压和电流的测量又是电力及电量测量的基础。传统的电磁式继电保护和控制装 置、电动式量测和计量仪表的输入需要大功率的输入信号，故采用电磁感应原理 构成的电流互感器( c t c u r r e n tt r a n s d u c e r ) 和电压互感器( pt p o t e n t i a l t r a n s d u c e r ) 将电流电压转换成5 m 1 a 和1 0 0 v 以满足二次设备的需要。随着技 术的发展，以微处理器为基础的数字保护装置、电网运行监视和控制系统+ 它们不 再需要大功率驱动，只需要5 v 的电压信号和ua 或m a 级的电流就可以了。 与此相适应，采用低功率、非电磁原理的电流、电压测量装置取代常规c t 、p t 成 为可能。【5 其中利用光纤作为传感或传光的光电传感器得到了广泛和深入的研 究，并有产品问世。由于光电传感器的输出是光数字信号，与传统互感器输出的 模拟信号有着本质的不同，这对与之相联的二次设备和二次回路将产生深刻的影 响。 研究光电传感器的特性，尤其是传感器的暂态特性研究，使之可以满足电力 系统不同设备的需要：研究基于光电传感器及光纤网络的数字化接口技术，探索 二次测控保护设备对光电传感器获取的电流电压信号的新应用，促进保护新原理 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 的研究成为本论文的主要任务。 1 2 课题背景及意义 随着电力工业的发展，电力传输系统容量不断增加，运行等级也越来越高。 近年来，我国经济发展迅速，对电力的需求也日益增大。为保证超高压、远距离、 重负荷输电，安全可靠的运行，必须提高系统的稳定性，因此对互感器的测景精 度、动态范围、饱和性等特性的要求标准更高；对继电保护系统的可靠性、速动 性与灵敏性也提出了更为苛刻的要求。 传统的电流和电压的测量是通过应用电磁感应原理构成的电流互感器、电压 互感器和电容分压器将电流和电压分别转换成o 5 a 的电流信号和o 1 0 0 v 的 电压信号来实现的。 随着电力系统容量的不断增大和电网运行电压等级的提高，对电力系统继电 保护的动作速度要求越来越高，这就要要求互感器具有良好的暂态响应特性，能 真实、快速地反映一次故障信号，使继电保护装置能在暂态过程尚未结束前就正 确动作于跳闸。而存在磁饱和、剩磁等情况的电磁式互感器越来越难以满足电力 系统日益发展的需要。采用光电传感器可以在很大程度上解决上述问题 6 】： 1 ) 优良的绝缘性能，造价低 电磁感应式互感器高压侧与二次侧之间通过铁芯磁耦合。它们之间的绝缘结 构复杂，其造价随电压等级呈指数关系上升。在光电传感器中，高压侧信息是通 过由绝缘材料做成的玻璃光纤而传输到低电位的，其绝缘结构简单，造价一般随 电压等级升高呈线性地增加。 2 ) 不含铁芯，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题 光电传感器，一般不用铁芯做磁耦合，因此消除了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。 3 ) 抗电磁干扰性能好，低压侧无开路和短路危险 电磁感应式电流互感器二次回路不能开路，低压侧存在开路高电压危险；电 磁式电压互感器同样存在二次回路不能短路的问题。由于光电传感器的高压与低 压之间只存在光纤联系，而光纤具有良好的绝缘性能，可保证高压回路与二次回 路在电气上完全隔离，低压侧没有因开路或短路而产生的危险，同时因没有磁耦 合，消除了电磁干扰对互感器性能的影响。 4 ) 暂态响应范围大，测量精度高 电网正常运行时，电流互感器流过的电流并不大，但短路电流越来越大。电 磁感应式电流互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量，并在一个通道同 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 时满足高精度计量和继电保护的需要。光电传感器具有很宽的动态范围，一个测 量通道额定电流可测到几十安培至几千安培，过电流范围可达几万安培。因此既 可同时满足计量和继电保护的需要，又可免除电磁感应式电流互感器多个测量通 道的复杂结构。 5 ) 频率响应范围宽 光电传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。其结构已经可以测出高压电力线路 上的谐波。而电磁感应式互感器是难以进行这诸多方面工作的。 6 ) 没有因充油而产生的易燃、易爆等危险 电磁感应式互感器一般采用充油办法来解决绝缘问题，这样不可避免地存在 易燃、易爆等危险。而光电传感器绝缘结构简单，可以不采用油绝缘，在结构设 计上就可避免这方面的危险。 7 ) 适应了电力计量与保护数字化、微机化和自动化的发展潮流 光电传感器是以数字量输出，这将最佳地适应日趋广泛采用的微机保护、电 力计量数字化及自动化发展的潮流。 在获取电量参数环节里，使用光电传感器取代传统电磁式互感器后，传统的 基于金属电缆和模拟信号的二次回路模式也需改造，甚至需要重新建构新型的二 次回路连接模式。 传统模式存在接线复杂、成本高、安全性差、易受电磁干扰等许多不易克服 的缺陷。由于超高压变电站站内二次接线及设备更为复杂，使上述缺陷对电网的 安全稳定运行的威胁更为突出。事实上，5 0 0 k v 变电站已发生多起近区故障电流 使二次回路信号受电磁干扰而失真，从而引起继电保护装置误动的事故。尽管我 国电力部门根据多年的运行经验制定了一系列反事故措施，并颇有成效，但要从 根本上解决此类问题，还必须研究和探讨采用基于光缆和数字信号的新型二次回 路模式。必须指出，尽管通用的光纤通信技术己十分成熟，但并不能直接照搬实 现光纤二次回路。为了实现新型光纤数字化二次回路模式，需要研究建立二次回 路、尤其是信号回路的结构模式、网络结构、可靠性等基本理论以及解决信息合 并、光电接口、信息共享、信息同步等关键技术，满足电力系统的测控保护技术 要求。基于光缆和数字信号的新型二次回路模式与智能一次设备和二次设备的发 展以及新型变电站通信模式紧密相关，随着在中、低压变电站内，保护、监控、 计量和相关的通信接口逐步下放到现场，将光电传感器和断路器及其开关数字控 制装置组合在一起构成智能断路器，进一步将间隔内的隔离开关、接地开关等一 次设备及其相应控制装置有机组合和集成到智能断路器内，最终形成智能开关设 东北走学硕士学位论文 第一章绪论 备系统。而随着二次设备数字化，虽然各种装置的用途和原理差别很大，但是都 需要从电流和电压互感器获得电量信号并经过采样和a d 转换等环节，借助于 光电传感器输出的数字电量信号和光数字量形式传输的二次回路，则可以将所有 数字装置的信号采样和数字化等功能模块省去，将a d 变换过程这个难点集中 到以光电传感器为核心的光电量测系统中。 数字光电量测系统用于数字控制与保护装置时，如何实现与数字装置的接 口，以便接入数字电压和电流信号成为实用化中的一个关键问题。为了保证系统 的开放性和可扩展性，数字光电量测系统必须按照统一的通信规约通过光数字通 信网与数字控制和保护装置连接。目前i e c 已公布的电子电压变换器标准i e c 6 0 0 4 4 - - 7 和电子电流变换器标准1 e c 6 0 0 4 4 - - 8 ，规定了输出的模拟量、数字量 和光输出的性能参数。【8 】并且定义了与二次设备的数字接口和通信规约，目前正 在制定和完善i e c 6 1 8 5 0 通信协议。 9 采用光电传感器和基于光缆和数字信号的新型二次回路，并和数字保护和控 制设备构成新型的变电站自动化系统，代表了目前电力系统自动化技术的发展趋 势，是提高电力系统安全稳定运行水平的有效途径。为此，急需围绕光电传感器技 术、光纤数字化二次回路信息模式以及新型继电保护原理积极开展基本原理和相 关基础技术的研究工作。这对于建立我国基于光纤数字化的测控保护自动化系统 的理论基础和实现技术具有重大意义。 1 3 国内外光电传感技术的发展历史和研究现状 早在2 0 世纪5 0 年代，就有制造厂家设想把电流互感器的操作电源和继电 保护等都设置在绝缘平台上，这样就可以用低压绝缘的互感器来代替高压绝缘的 互感器。开关的开闸、合闸信号用电磁转动的绝缘杆来传递。6 0 年代后期，采 用光导纤维来传递信息，而继电保护、光导纤维所需电子设备和操作电源仍放在 高压平台上。7 0 年代初期，以a b b 公司为代表的制造厂家开始以互感器为探头， 通过光纤把操动传感器所需要的能量以光能的方式传送给传感器，而把所有的继 电保护和监视设备等都放在处于地电位的操作人员处。这样既可保持原有传感器 的优点，也克服了绝缘等一系列问题。与利用光纤传光原理不同的还有利用光纤 传感的光电传感器。其研究开始于六十年代末和七十年代初。研究的重点是如何 利用光的特性在电磁场下的变化来测量大电流和高电压。其研究经历了原理性研 究、实验室样机测试和现场试运行阶段，目前处于产品商业化阶段。但是其易受 温度和振动影响以及光纤本身的双折射等因素，增加了实用化的难度。 下面分别对光纤电流和光纤电压互感器的基本原理和发展状况进行探讨。 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 1 光纤电流互感器的基本原理和发展概述 国外光电电流互感器( o c t , o p t i c a lc u r r e n tt r a n s d u c e 0 的研究始于二十世纪六 十年代末和七十年代初，到八十年代和九十年代初o c t 已经开始了产品化研 究，1 7 前许多大公司已经形成了成套产品。具有关资料统计，到1 9 9 9 年底，大 约有2 0 0 0 多台o c t 挂网试运行。早在1 9 7 8 年，美国西屋电气公司就研制出 用于5 0 0 k v 的o c t ，其准确度为：比差o3 、角差5 。、量程3 k a ，挂网 试运行一年。美国五大电力公司各自在1 9 8 2 年左右成立了o c t 专题小组，且 研制成功了1 6 1 k v 独立式o c t ( 1 9 8 6 1 9 8 8 ) 。在1 9 8 9 年5 月至1 9 9 2 年又成功 地研制了最高工作电压为3 4 5 k v ，测量范围为2 0 2k a ，准确等级为o3 级的 计量用和保护用o c t ，且挂网试运行。1 9 9 1 年6 月a b b 电力t & d 有限公司 公布了用于3 4 5 k v 变电站计量和保护的o c t 系统，在运行凹个月届，与标准c t 比较，误差仅o4 。到1 9 9 4 年a b b 公司不仅拥有多种电压等级的交流数字光 电式o c t ，也开发出直流数字式o c t ，并存多个地区挂网运行。日本也是较早 开始o c t 研究的国家之一。日本除研究5 0 0 k v 、1 0 0 0 k v 高压计量用o c t 外， 还进行5 0 0 k v 以下直到6 6 0 0 v 电压等级的g i s 用或零序电流、电压光电传感 器。东方电气公司和东芝公司合作，1 9 8 7 年8 月至1 9 8 9 年3 月研制的g i s 设 备用o c t 在制造厂条件下长时间进行试验，运行稳定试验数据皆符合j g c l 2 0 1 标准，并在1 9 8 9 年末通过试验鉴定。 o c t 可以分为偏振态调制型o c t 、相位调制型o c t 和传光有源型o c t 。 1 偏振态调制o c t 此类主要是基于法拉第磁光效应，即磁场与光相互作用所产生的一种效应： 当线偏振光通过处于外磁场中的透明媒质，而光的传播方向与外磁场方向一致 时，线偏振光的偏振面将会发生旋转的一种物理现象。线偏振光的旋转角正比于 外磁场沿传播路径的线积分： 口= 吖。厅- 万 ( 11 ) 式中矿为透明介质的磁光旋转率，即v e r d e t 常数；0 为偏振面旋转的角度； ，为光通过的路径；厅为被测电流在硼处产生的磁场强度；l 为光线在材料中 通过的路程。若光路设计为闭合回路，由全电流定理可得： 通过的路程。若光路设计为闭合回路，南全电流定理可得： 0 = r 。棚= 巧( 1 2 ) 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 测得线偏振光的旋转角0 就可求出导体中的电流珩) 。而基于f a r a d a y 效应的 传感头可归纳为三种类型：集磁器型探头、环形光学玻璃探头和全光纤式探头。 2 相位调制o c t 相位调制型是通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化， 然后使用干涉测量技术把相位变化转换成光强变化，从而检测出被测电流信号的 大小。传感器中的干涉技术使在光纤干涉仪中实现的。基于相位调制的o c t 主 要有基于m a t h z c h n d e l - 干涉仪o c t 、基于f a b r y p e r o t 干涉仪o c t 和基于 s a g n a c 干涉仪的o c t 。该类传感器在o c t 的研究初期曾受到相当的重视，但由 于该方法受光纤本身长期性能稳定可靠性及外界干扰等因素的制约比较严重，现 在关于这方面的报道已经不多见了。 3 传光有源型o c t 也称混合型o c t ，它是利用有源器件的调制技术，以光纤作为信号传输媒介， 把高压侧转换的光信号传输到接受端进行信号处理，得到被测电流信息的装置， 其中光纤仅作为信号传输装置，不用作传感器件。它避免了全光型o c t 传感头 易受温度变化影响的缺点及光路设计中的技术难点。早期的有源型o c t 是基于 传统电流互感器发展的。它既利用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，又充分发挥了电力系统广泛接受的传统互感器测 量装置的优势，具有很强的实用性。但由于互感器传感机理的限制，这种混合型 o c t 仍存在着传统电流互感器难以克服的一些缺点，如铁磁饱和问题等。目前 研究的重点是采用新的传感机理( 诸如空心线圈或者有气隙磁芯) ，从根本上解 决传统电磁式互感器所存在的问题。对于调制型o c t ，利用的是光的特性的改变， 高低压是完全绝缘的，与传统电磁式互感器有着本质的区别。原理上比传统互感 器具有更广阔的应用前景和发展潜力。但是目前在技术上和制造工艺上存在一系 列问题，阻碍了其实用化和商业化。 1 ) 集磁型o c t 和光学玻璃式o c t 虽然不存在全光纤型o c t 因弯曲引 入的双折射，但制造上为了消除全反射引起的双折射和提高灵敏度，探头需作特 殊复杂的设计，同时光从光源到光纤再到探头，耦合甚多，所以对器件的加工精 度、安装技术提出了很高的要求；另外光纤在受到震动和其它机械扰动时，将在 光纤内引入内应力，产生线形双折射，在受到环境扰动时光纤中传输光的偏振态 将因线形双折射随振动、温度等因素而变，表现为光的强度的变化，从而引入噪 声；光学玻璃要求有大的v e r d e t 常数，但太的v e r d e t 常数，其温度系数也高， 传感器的灵敏度会随温度变化而变化；光学玻璃内残余应力形成的线性双折射随 温度变化，而振动也等效引入应力，故其灵敏度也随振动而变化。 1 7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 2 ) 对于全光纤式o c t ，由于普通光纤不能保偏地传输线偏振光线，必须制 造特殊保偏光纤用于此类传感器，费用昂贵而且尚无真正商品化的无偏光纤问 世；同时光纤在环境扰动( 诸如振动和温度的扰动) 下产生双折射，使线偏振光 的两个正交振动分量之间产生额外的相位差，使输出光变成了椭圆偏振光。当使 用偏振仪测量时，椭圆偏振光转角的灵敏度比线偏振光要小，则整个仪器的测量 灵敏度都相应减少了。在最不理想的情况下，输出光变成了圆偏振光，测量灵敏 度下降为零；传感器还因不同的入射偏振面，双折射引入的相位不同，使灵敏度 随偏振面方位的改变而改变；测量灵敏度受外界温度的调制，由于应力引入的线 性双折射分布是随温度而改变，故传感器的测量灵敏度将随温度变化而产生漂 移，且沿光路上不同部分的灵敏度逐渐变化。因而在一个封闭的环形光路中灵敏 度的分布是不均匀的，这样传感元件的输出信号不但会受到被测导体位置的调 制，而且会受到外界电磁场的干扰。 相对调制型o c t 存在的这些问题，混合型o c t 则由于采用了基于常规电 磁感应原理的传感头而避开了光传感中的一系列问题。由于在高压端就地数字光 纤化，并通过光纤传输到地电位端，所以不存在高压绝缘问题，同时可利用空心 线圈或者有气隙磁心等技术来获得良好高频相应和线性度的传感头，也避开了传 统互感器中存在的问题。有关有源型o c t 的特性研究将在论文第二章进行详细 的分析。 1 3 2 光纤电压传感器的基本原理和发展概述 光电电压互感器( o p t , o p t i c a w o t e n t i a l t r a n s d u e e r ) 的研究较光电电流互感器 晚，大约在二十世纪七十年代末、八十年代初。七十年代随着光导纤维的出现， 光纤传感技术在高压电力系统中的应用研究出现热潮，日本、英国和前苏联等国 的学者曾研制出几种光学电压、电流互感器，但处于精度低、温度稳定性差的困 惑中，皆未形式实用化产品。八十年代后期，随着电子技术、计算机技术及光纤 传感技术的深入发展，光纤传感技术在高压电力系统中的应用研究获得了突破性 进展，取得了令人瞩目的成果。美国、日本和法国等国的众多大电气公司先后研 制出多种实用型基于电光晶体p o c k e l s 效应的o p t 样机并在实际高压电站的运行 获得成功。九十年代以来，光学电力互感器的研究进入实用化阶段，美国、法国 和日本等技术发达国家陆续公布了他们研制的各种光学电力互感器运行及鉴定数 据。如a b b 跨国公司、法国a l s t o m 公司、日本东电、东芝、住友等公司， 研制出1 2 3 7 6 5 k v 的o p t 系列产品，并有一批产品在许多国家的电力系统中 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 投入使用。此外，光学电压互感器在组合式光学电流、电压互感器中有较多的应 用。1 9 9 5 年，a l s t h o m 公司在美国奥兰多的b o n n e v i l l e 安装了5 2 5 k v 的复 合式光纤电压、电流传感器；a b b 公司1 9 9 6 年研制了集成m o c t 和e o v t 的 光学计量单元( o m u ) 。 1 8 1 。 2 0 1 可见，经过2 0 多年的研究，国外的光电传感器 技术已趋于成熟，而且产品化也做得非常好，很多产品都投入了使用。 按照传感原理，光纤电压互感器可以分为以下几类： 1 电光效应的光纤电压互感器 1 8 9 3 年，德国物理学家泡克尔斯( p o c k e l s ) 首先发现某些晶体物质在外加电场 ( 电压) 的作用下发生双折射，且双折射两光波之问的相位差与电场强度( 电压) 成正 比这一物理现象，称之为p o c k e l s 效应。其表达式为： 中= a e = k a 矿( 13 ) 式中口为与晶体物质本身的光电特性及通光长度有关的常数；足为与外加电 压方向有关的系数；e 为外加电场；v 为外加电压。具有p o c k e l s 效应的晶体称 为p o c k e l s 晶体或线性电光晶体。一般选用锗酸铋( 占f 。g e ，0 1 2 ，简称b g o ) 等。b g o 晶体为立方晶体，既没有自然双折射，也没有旋光性，透过率高，不存在热电效 应等，因此许多光纤电压互感器都利用b g o 晶体做敏感材料。实验证明：其温 度稳定性好，准确度可达到1 水平。虽然在理论上任意方向都可以产生电光效 应，一般使用横向调制式和纵向调制式。横向调制下，光电晶体的结构比较简单， 对电极无特殊要求，但是存在自然双折射所引起的附加相位延迟，并且随晶体的 温度变化而变化，影响互感器的稳定性。为消除这种误差，可采用双晶体法或双 光路法来实现温度补偿；纵向调制下，可排除极间外电场的干扰及杂散电容的影 响，提高测量准确度，但要求电极具有良好的透光性，因此其制造工艺较为复杂。 2 集成光学电压互感器 为了解决块状光纤电压互感器存在的制作复杂和降低制作难度，无光学系统 的光纤电压互感器的研究受到人们的重视，随着集成光学和光波导技术的发展， 出现了集成光纤电压互感器。二十世纪八十年代，n i c o l a s a e j a e g e r 提出了基于 m a r c h - - z e h n d e r 调制原理的集成光学传感器，后来又提出了用于测量电场的 p o c k e l s 元件集成光学传感器。其仍是以p o c k e l s 效应为基础的，但它是利用平 面光无源调制器来进行光调制。当电压加在该互感器上时，加在m a r c h - - z e h n d e r 干涉仪两臂上的电场方向相反，当光通过波导时，每臂上均发生p o c k e l s 效应产 生大小相等且方向相反的相移，因此，可通过相移差来推知电压的大小。 3 基于电致伸缩原理的光纤电压传感器 其原理是基于电致伸缩效应，光纤缠绕在压电材料( 石英晶体或陶瓷等) 上， 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 电场引起晶体或陶瓷变形，从而引起光纤的光学性质的变化，由m a r c h - - z e h n d e r 干涉仪或双模光纤干涉仪探测出这种变化即可测得电压( 或电场) 的大小。 基于光特性改变而传感的光纤电压传感器还有全光纤o p t ，它是由掺杂了特 殊元素的特殊光纤组成，利用石英晶体的逆压电效应来测量电压，光纤既起传感 作用，也起传光作用。其优点是结构简单，所需光学器件和接头较少，缺点是特 殊光纤难以制造，要求高；基于电光k e r r 效应的0 p t ，利用存在于某些光学各 向同性介质中的一种二次电光效应，将引起通过其中的光波偏振态的变化，由检 测光波偏振态可获知被测电场。k e r r 效应不仅存在于某些晶体中。而且存在于某 些液体介质中，因而可用于液体电场的传感。 4 有源型光纤电压传感器 与有源型光纤电流传感器类似，电压信号可以由互感器或者分压器取出，经 过滤波等信号处理环节，由光电转换环节变为光信号，由光纤传至低压端，再被 还原成数字电信号。其传感头可以是传统的电磁式互感器，也可以是电容、电阻 和组容分压器的形式。 对于光调制型的光纤电压互感器而言，光纤电压互感器虽然在理论和技术上 取得了很大的发展，但仍存在温度稳定性和长期运行的可靠性问题。影响光纤电 压互感器稳定性与可靠性的一个重要因素是运行环境温度的变化。光纤电压互感 器的温度稳定性主要取决于传感晶体和工作光源的温度特性以及传感头的加工和 传光光纤的振动。光学晶体是光纤电压互感器的核心敏感元件，其性能如何直接 关系到光纤电压互感器的性能，晶体的热应力效应及热光效应是影响光纤电压互 感器稳定性的两个主要因素：当温度变化时，由于传感头内晶体、胶和电极的热 膨胀系数不同，晶体内部将产生热应力，此应力将使晶体产生附加极化，而热光 效应则使晶体产生直接随温度变化的附加极化。采用双光路检测技术可以消除热 应力效应对光纤电压互感器的温度稳定性的影响，对于晶体的热光效应，一般选 用立方晶体的b g o 材料，具有无旋光性和无自然双折射，且稳定性好，b g o 晶 体的纯度越高，稳定性越好；光源发射的光波波长也受温度影响，它将导致电光 效应中相位延迟的变化及半波电压的变化，从而影响光纤电压互感器的稳定性： 光纤在受到振动和其它机械扰动时，将在光纤内产生内应力，从而产生线性双折 射，单模光纤中产生的噪声最严重，只有在满足使用低相干光源和线偏振光沿光 纤的偏振轴输入的条件下，才能得到抑制；多模光纤的输出偏振噪声与光源的相 干性、光纤的长度和芯径有关，所以光纤的芯径越大，噪声越小。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 3 光纤数字化技术在电力系统的应用现状及前景 随着光纤传感技术、光纤通信技术的迅速发展，光纤技术可以用于电站中的 测量、控制、保护和通信等各方面。目前光学电压互感器、光学电流互感器、光 纤分布式温度传感器、光纤电力故障测量仪以及光纤远距离继电保护等发展很 快，已经进入试运行阶段。将光纤传感、光纤监控、光纤通信和光纤保护连到一 起形成传感系统的网络化，必将对传统电力系统的技术改造起到巨大的推动作 用。目前，国际上已有许多工业化国家如美、英、日、韩、瑞典等国对采用光学 系统取代原来的电气系统来完成电站的监控、通讯和保护功能进行了系统的研 究。如日本在八十年代末将o c t 、o p t 己设计应用于g i s 中的电流和电压的 测量；美国在九十年代初利用o c t 实现了三相高压输电线的线路电流方向保 护，美国西屋电气公司早在八十年代初就用光纤通信实现了电流差动保护信号的 远距离传输；日本东京电力公司和东芝公司合作在1 9 8 7 年研制了一套采用光纤 局域网对电站进行数字保护和控制的系统，并在实际现场安全稳定地运行了一年 多；瑞典a b b 公司和国家电力公司在1 9 8 8 年研制了一套采用o c t 和光纤局 域网构成的系统，对超高压系统中的串联电容器组进行监控和保护，并与微机连 接，实现了人机对话式管理：1 9 9 1 年韩国汉城大学控制和仪器系，研制了一套 采用i e e e 8 0 2 4 标准通信协议将光纤局域网与计算机局部网络联接起来的模拟系 统，用在电站的维护和管理中，系统结构简单、费用降低并对光电传感器自身性 能的研究，还包括对变电站自动化系统的理解和认识，甚至是对变电站自动化系 统体系结构的改造和变革。由于光电传感器技术上的先进性和应用的巨大前景， 其商用化的应用研究成为近期及未来的一个研究热点和重点。目前我国的高校和 一些企业已经开始在样机的研制、实验室测试和试运行方面开展了很多工作。但 总的来说研究的重点还在传感器本身的性能特性的提高方面，对研究光电传感器 在变电站自动化中的应用几乎很少涉及，尤其是对光电传感器如何接入到现有系 统中，和保护、监控设备配合使用，真正达到光电传感器的实用化水平这方面的 研究更少见。而国外已经有商用化的产品问世并开始在国内市场得到应用，所以 本文希望在传光有源型光电传感器的研究基础上探讨其在继电保护方面的应用。 东北大学硕士学位论丈 第二章有源型光电传感器的特性研究 第二章有源型光电传感器的特性研究 2 1 引言 目前在电力系统广泛使用的电流互感器是基于电磁感应式的，分为 干式和充油式两种，在高压系统中采用的多是充油式电流互感器。对于 电压互感器，广泛使用的电磁式互感器和电容式电压互感器( c v t ， c a p a c i t i v ev o l t a g et r a n s f o r m e r s ) ，在中低压等级的配电系统中，一般采 用电磁式电压互感器，在1 1 0 5 0 0 k v 的超高压电网中一般都选用c v t 。 而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服的问题：绝缘结构日趋复杂、体积大、造价 高；在故障情况下铁芯易饱和，使二次电流、电压信号的数值和波形失 真，产生不能容许的测量误差：充油易爆炸而导致突然失效；易受电磁 干扰等。对于电磁式互感器，形成误差的主要因素是铁芯的非线性励磁 特性及饱和。对于c v t ，由于其内含的中压变压器还是电磁式电压互感 器，所以仍然存在电磁式互感器的饱和、电磁谐振等问题。【4 3 】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。 有源型光电电流传感器主要是利用r o g o w s k i 线圈进行电流的变 换。r o g o w s k i 线圈是一种较成熟的测量元件，之前就被广泛地应用在电 力系统高电压领域。它实际上是一种特殊结构的空心线圈，可根据被测 电流的变化，感应出被测电流的变化信号，其特点在于被测电流几乎不 受限制，反映速度快，可以测量前沿上升时间为纳秒级的电流，且精确 度可高达0 1 。从测量大电流的观点来看，r o g o w s k i 线圈是一种较理 想的敏感元件，由于它不与被测电路真接接触，可以方便地对高压回路 进行隔离测量，因此可以将其作为传感元件，用于有源型光电电流互感 器。 有源型光电电压传感器主要是利用电容分压器进行电压的变换。电 容分压器的思想来自于c v t 中的电容分压器环节。c v t 以其绝缘可靠 性好、价格低并可兼作线路高频保护的耦合电容和载波通信用途等优点 在1 1 0 k v 以上超高压线路中得到广泛应用，但其暂态特性较差的缺陷使 其在快速继电保护应用中受到诸多限制。f 3 7 c v t 经过多年的发展和改 东北大学硕士学位论文第二章有源型光电传感器的特性研究 进，其分压器环节无论从技术上还是工艺上都是成熟和可靠的，暂态特 性不佳的根本原因是c v t 中间电压互感器及其后续谐振回路影响了 c v t 中储能元件的残余电压之衰减速度。c v t 中的电容分压器适合于 有源型光电电压互感器。 2 2 传统互感器暂态特性分析 电流互感器在一次系统短路后的暂态过程中能否真实地传变一次电 流，对继电保护和自动装置动作的准确性具有极为重要的作用。由于电 磁式电流互感器铁芯是非线性元件，一旦铁芯饱和，二次电流将严重失 真。而在超高压电力系统中，一次系统短路电流不仅数值很大，而且含 有大量非周期分量，特别是当非周期分量为最大值时情况最为严重。此 时铁芯过度饱和，励磁电流成几十倍甚至几百倍的增大，并且含有大量 非周期分量和高次谐波分量，从而引起电流互感器的二次电流数值和波 形的严重失真。因此，对电流互感器暂态过程的响应特性的分析，对于 确保继电保护装置的可靠动作异常重要。 2 2 1 铁芯未饱和时电流互感器的暂态过程分析 将电流互感器等效折算到其二次侧的等效电路如图2 1 所示。 图2 1电流互感器等值电路图 f i g 2 1 c u r r e n tt r a n s d u c e rc i r c u i td i a g r a mo fe q u i v a l e n c e 其中互为折算至二次侧的一次感抗；三。为折算至二次侧的励磁电 感；工，为二次回路电感，包括二次线圈漏电感和负载电感；只，为二次回 路电阻，包括二次线圈内阻和负载电阻；i 、f 0 分别为折算至二次侧的 一次电流和励磁电流。由图2 1 可得电压与电流的方程式为： 东北托学硕士学位论文 第二章百；| i 【型光电传恩器的特性研究 i i i i i i 卜鲁吗鲁“胄： 1 li 1 = i o + i 2 ( 2 1 ) 碍百d i o + 彘扣彘争击_ z ， 由于。 l ( 对于无气隙c t 若保证均匀绕制工艺，l 2 近乎为零) ， 设t = l 。r ：，则上式变为： 堕+ 立。i( 2 3 ) d ty2 l j 而电力系统一次侧短路电流最严重情况可用下式表示： - t i l = i m 8