光学互感器和继电保护-1.doc

光学互感器和继电保护杨以涵（华北电力大学）摘要：互感器是继电保护和电网的接口，高性能的继电保护要求有高性能的互感器，反过来高性能的继电保护也必然促进继电保护原理和技术的进步。本文从继电保护的要求出发，谈谈如何利用和发展光学互感器，改造传统互感器，以及由此而引起继电保护的变化。一 引言 随着电力系统的发展，传统CT越来越难以满足需要，因此人们开始谋求新的电流测量方法。光学电流互感器以其无饱和、绝缘好、抗电磁干扰、安全性好、信号传输距离远等优点引起广泛的关注。美、日、英等发达国家都制定了各自的研究计划，并相继取得了可喜的研究成果。美国、日本等发达国家的许多光学电流互感器挂网试运行，获得了大量的运行经验和数据。美国田纳西州流域电力管理局先后安装了一台161KV单相计量用磁光块状材料型的光学电流互感器和一套三相计量和保护用磁光块状材料型的光学电流互感器，运行结果表明：能满足保护的要求，但计量精度难以达到要求。九十年代，光学电流互感器的研究呈现多类型、多用途的发展趋势。日本相继有带集磁环的混合式光学电流互感器研究成功的报道。随着特种光纤技术的发展、光纤传感新结构的研究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。闭合块状材料型光学电流互感器研究则继续围绕提高精度和运行稳定性的实用化问题。我国对光学电流互感器的研究起步较晚，但很受重视，被列为“七五”、“八五”重点研究项目。先后有清华大学、华中理工大学、哈尔滨工业大学和西安交通大学等多家科研院所相继从事过光学电流互感器方面的研究。其中，华中理工大学研制的计量用闭合块状材料型光学电流互感器于1993年在广东新会110KV电网试运行，尽管未达到计量目标，但标志着我国的光学电流互感器研究已向实用化迈进。尽管国内外对光学电流互感器的研究已取得很大进展，但光学电流互感器仍然没有在现场中使用，在一些资料中出现的“光学”或“光纤”电流测量装置并非真正的光学电流互感器。据资料显示，日前在建设中的天-广直流输电工程中安装了一种测量直流的装置混合光纤电流测量组件（Hybrid Optical Measuring）。它的基本原理是：通过分流器将高压直流大电流（几千安培）转换为毫伏信号，再经过模拟放大和模/数转换后通过光纤传输至低压端以供测量或保护使用；其中模拟放大和模/数转换电路的电源是经过电-光-电的转换过程通过光纤由低压端提供的。可以看出，这套混合光纤电流测量组件与我们所说的光学电流互感器是两种完全不同的装置，而且，混合光纤电流测量组件不能测量脉冲电流，对被测电流的频率也有所限制，动态测量范围很有限。国内外三十多年的研究结果表明：由于受环境因素影响，光学电流互感器的稳态精度难以和传统CT相媲美，与电力系统计量要求有相当的距离，因而阻碍了其实用化进程，使光学电流互感器的研究在近期内陷入了低谷。然而光学电流互感器的实用化研究不应该停留在消极等待光学材料和工艺方面的突破，应立足于现有技术，找到实用化的突破口。绝大多数光学电流互感器的研究者们孤立地研究光学电流互感器本体，致力于提高光学电流互感器精度，希望能够将光学电流互感器全面代替传统CT，因此受制于光学材料和工艺的进步。以往对光学电流互感器的研究多侧重于稳态特性，而忽视了暂态特性方面的研究，这就意味着忽视了那些需要光学电流互感器而对其精度又要求不高的应用场合，即忽视了实用化的突破口。光学电流互感器的最终目标是完全取代传统CT，但这不是短期内能够实现的，主要取决于光学材料的进步、制造工艺的进步以及结构的改进等。目前还看不到光学材料和制造工艺方面能在近期内取得突破的前景，所以完成最终目标还有待于将来。有限目标是指在某些特殊场合取代传统CT，这个条件已经趋于成熟。研究有限目标的光学电流互感器不但是可能的，而且也是非常必要的。光学电流互感器实用化的主要障碍是其稳态精度不高，不能用于电能计量，这在短期内是难以解决的。由于稳态精度不高，就不能完全取代传统CT，但这并不能排除在一些特定目标下得到应用。光学电流互感器的优点很多，最主要的优点是：不饱和、信号传输距离远、抗干扰性能好。这几个优点决定它在很多方面能够发挥作用，大有用武之地。继电保护是光学电流互感器发挥作用的最主要的舞台。大机组、大电网和高电压电力系统给继电保护提出了许多难题，在大电网中发生短路时，非周期分量电流的持续时间长，造成传统CT因饱和而失效，使快速保护不能迅速动作；高电压变电站占用面积很大，传统CT因二次电缆过长而失效；高电压变电站处于强电磁场的环境下，变电站二次系统的干扰很难解决，采用光学电流互感器则这三个难题就会迎刃而解。高保真故障录波对电力系统的重要性已有共识，但传统CT因容易饱和使故障录波失真失效，改用光学电流互感器将彻底解决故障录波的失真问题，促进故障录波的更新换代。故障定位也受传统CT饱和的困扰。现有的母线或线路故障定位系统常常受到传统CT电磁饱和、二次线路长、电磁干扰严重等问题的困扰。采用光学电流互感器的新型故障定位系统则完全可以克服以上缺点，提高定位的准确性。高压直流输电在我国将有很大的发展，但传统CT不能用于测量直流。目前的有源直流传感器暂态特性很不理想，用光学电流互感器无疑是最理想的替代办法。使用光学电流互感器后电能计量怎么办。我们认为采用光学和电磁式组合型电流互感器是顺理成章的解决办法。测量仍采用传统CT，保护则采用光学电流互感器。事实上，过去的高压电流互感器大多也是多个CT的组合，保护用CT和测量用CT并不是共用的，只不过是采用同一原理的不同用法。现在的差别是采用不同原理，但是电流互感器的整体外形没有什么变化，都安装在同一外壳中，不影响变电站的布置，也不影响电流互感器的使用。我们提出的组合式电流互感器决不是两种互感器的简单组合，要通过合理的设计实现相互校正，提高互感器的整体性能。电流互感器的改变必然要引起继电保护原理的改变，不能完全照搬过去的保护原理，要充分发挥光学电流互感器的优良特性；反过来，光学电流互感器的研究也不能脱离保护的要求。要把光学电流互感器和与之相适应的保护结合起来进行研究，相互配合，相互促进。新原理电流互感器的出现必然带动保护新方法的出现。要把光学电流互感器与应用结合起来，作为统一的系统进行研究。光学电流互感器有限应用的成功将必然引起广泛的重视，带动广泛的研究，促进光学电流互感器全面应用的早日实现。二 基于法拉第磁光效应的光学电流互感器1 法拉第磁光效应原理光学电流互感器可以利用各种物理效应：法拉第磁光效应、磁致伸缩效应、压电效应、电光效应、热效应等，其中普遍采用法拉第磁光效应原理。法拉第磁光效应的实质是光在透明物质中传播时，光的偏振面在外磁场作用下发生旋转，旋转的角度与磁场强度的大小和在透明物质中光与磁场发生作用的长度及材料的性质有关。其原理图如图1所示。法拉第磁光效应可描述为: F=VBL=0VLHdL=0VKI (1)式中F为线偏振光的法拉第旋转角，V是费尔德常数，H为电流在光路上产生的磁场强度，L为磁光材料中通光路径，0为磁导率，K是只跟磁光材料中通光路径与通电导体的相对位置有关的常数，当光路为绕导体一周的闭合路径时K=1。由（1）式可看出：只要测定F 的大小，即可测出通电导体的电流，而F 的测量则由检偏器转化为光强信号，再由探测器将光信号变为电信号，然后经过放大处理，最终得出待测电流信息。光源光探测器法拉第材料起偏器检偏器光纤光纤图1 法拉第效应原理图2、 全光纤式OCT2 1 特点全光纤式OCT是将传感光纤缠绕在被测通电导体周围，利用光纤的偏振特性，通过测量光纤中的法拉第旋转角间接地测量电流。全光纤式光学电流互感器，传光与传感部分都用光纤，又称为功能型光学电流互感器。这种OCT结构简单、重量轻、形状随意、测量灵敏度可按光纤长度调节，但是，由于光纤内部存在线性双折射，从而影响测量精度和长期稳定性。考虑光纤内的线性双折射，法拉第旋转角F与输出信号S之间的关系可以描述为：S=KF （2）其中，为光纤中存在的线性双折射，包括光纤内部的固有线性双折射和受温度、压力或振动等外部环境因素影响引起的线性双折射的总和。K为与光电转换效率等有关的常数。2 2、 改进措施 为克服光纤内存在的线性双折射对全光纤式电流互感器性能的不良影响，自从20世纪70年代以来，许多研究者进行了大量有益的研究工作，提出许多改进措施。221 光纤新工艺和光纤新材料 有些文献提出用扭转光纤、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。实验表明采用新工艺使系统灵敏度与温度稳定性均得到明显改善。采用新光纤材料燧石玻璃光纤可以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。222 新传感结构 人们提出不同的新型光纤传感结构来克服线性双折射的影响，主要包括：用输入两种不同偏振态的方法分离法拉第旋转角和线性双折射；采用特殊的几何拓扑结构分离法拉第旋转角和线性双折射；全面分析输出偏振态法；用保偏光纤模式耦合法抑制线性双折射；干涉仪检测法；用Faraday反射镜消除光纤中线性双折射影响等方法。图2为串联式Sagnac干涉仪方案。两个互相正交的线偏光注入高双折射光纤的两个双折射轴后，每个线偏光在往返过程中分别利用了不同的两个光轴，致使二者总光程完全相同。经过1/4波片后线偏光成为圆偏光。若波片和反射镜之间存在Faraday 效应，则圆偏光将产生非倒易性相位差。于是经过一次往返后每个线偏光经历两次Faraday 效应，产生4F的相移。其中F=VNI为N圈光纤产生的法拉第旋转角。光纤中的线性双折射由于具有倒易性而在往返中抵消掉。该设计结合了偏振检测和Sagnac干涉仪的优点，其灵敏度比Sagnac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。反射镜待测电流I传感光纤1/4波片双折射相位调制器高双折射光纤起偏器保偏耦合器光源探测器低相干光源图2 串联式Sagnac干涉仪方案原理图23、 应用前景由于全光纤电流互感器存在线性双折射问题，虽然自1979年起英国、法国、日本和美国等国家都进行了一些实用化的尝试，但到目前为止还未有真正的商品化的产品问世。然而全光纤式是OCT的最终发展趋势，其自身所拥有的诸多优点仍激励着人们寻求实用化的途径。例如，1999年，Honeywell公司和Carmanah工程公司一起创办了Nxtphase公司，致力于NXCT的商品化工作。NXCT采用串联式Sagnac干涉仪方案，其温度特性为-40-+60之间不超过0.2%。另外，3M公司关于无偏光纤研制成功的声明也使人们看到了全光纤OCT实用化的曙光。3 块状光学材料型 OCT 这种传感器传光用光纤,传感用块状光学材料。与其它类型相比，该种传感器抗电磁干扰能力强、精度和稳定性较高，某些场合已达到实用化要求。但存在加工难度大、传感头易碎、成本高等缺点。与全光纤式相比，块状材料型OCT受线性双折射影响较小，但却引入了反射相移。依传感头结构不同，又可分为闭合式和集磁环式两种。如图3所示。入射光出射光光学材料通电导体 图3 块状光学材料型 OCT闭合式块状光学材料型 OCT利用全反射使线性偏振光在光学材料内围绕穿过材料中心的通电导体闭合，测量线偏光的法拉第旋转角，从而间接地测量电流。传感头的结构有平面多边型、四角型、三角型、环型和开口型等多种。传感头的材料普遍采用温度系数小的逆磁性材料ZF7、ZF6，其缺点是费尔德常数较小，从而影响灵敏度。闭合式块状光学材料型 OCT的测量特性只和传感头的材料有关，影响因素较少，但光在反射过程中不可避免地引入反射相移，使两两正交的线偏光变成椭圆偏振光，从而影响系统的性能。当法拉第旋转角较小且载流导体位于闭合光路中心时，反射相移对灵敏度的影响可简单描述为： （1+cos+cos2+cos3）/4 （3）其中为每个反射面上线偏光的两个正交分量之间的反射相位差。为克服反射相移的影响，各国的研究者们提出了各种保偏方法，主要有：双正交反射保偏、反射面镀膜保偏和临界角反射保偏等。线性双折射对闭合式块状光学材料型 OCT的影响虽然比全光纤式小，却依然存在。美国E.A.Ulmer课题组提出一种特征方向理论，能有效消除温度引起的双折射影响。20世纪80年代以来，闭合式块状光学材料型OCT发展较快，实用化进程也较快。如美国自1986年起在单、三相计量与继电保护等方面连续三次挂网成功，其动态范围为20-4000A，精度达0.3%。我国华中理工大学研制的闭合式块状光学材料型 OCT也于1993年12月在广东新会110KV变电站投入运行。4、集磁环式块状光学材料型 OCT 集磁环式块状光学材料型 OCT通过测量集磁环气隙间的磁场而间接测量电流。其优点是：易于改型、方便灵活、光道短而简单，仅需要少量的光材料。其主要缺点是易受周围杂散磁场的影响、测量结果跟传感晶体的位置有关。由于有铁芯，存在故障电流下磁饱和现象及铁芯材料的非线性和温度效应，仍难以实现高精度测量，所以很少用于精度要求较高和大电流的测量场合。光学材料通电导体集磁环 图4 集磁环式块状光学材料型 OCT 集磁环气隙的设计需折衷两方面的因素：大气隙利于获得均匀磁场，从而减少晶体位置对于性能的影响；小气隙利于减少尺寸和系统总重量。 由于集磁环式OCT的灵敏度高但精度较差，通常用于小电流测量或故障诊断和故障定位。以日本研制和应用的集磁环式OCT为最多，其传感材料多用YIG晶体（钇铁柘榴石），该晶体的费尔德常数较大，温度系数较大。有文献提出了一种气隙间多次反射和干涉检测原理相结合的改进系统，有效地提高了灵敏度，其干涉灵敏度为5.310-6rad/A。 现有研制的集磁环式OCT室温下测量精度优于1%(范围50A-4KA)，在-20-+80范围内，温度变化率为0.02%/。有些文献提出的OCT室温下精度为0.3%，在0-+50范围内比差不超过0.5，能满足故障定位和诊断的特殊应用要求。从以上应用可知，尽管集磁环式OCT受精度限制难以用于计量，但却可以成功地应用于特殊场合。三 准光学电流互感器1 光学电流互感器有传感器和传感信号两个基本部件组成，若传感和传信号都基于光学原称之为不完全的光学CT，简称准光学CT。准光学CT的传感部件有：电磁式CT（见图5）、分流器（见图6）、电感线圈（见图7）等几种。2574控制或保护装置1、电磁式电流互感器2、信号调制及电光转换3、光纤传输部件4、光电转换、解调及信 号处理5、传感器的供电电源6、光纤7、光源63 图5 含有电磁式CT的准光学CT2574控制或保护装置1、分流器2、信号调制及电光转换3、光纤传输部件4、光电转换、解调及信 号处理5、传感器的供电电源6、光纤7、光源631 图6 含有分流器的准光学CT2574控制或保护装置1、罗科夫斯基线圈2、信号调制及电光转换3、光纤传输部件4、光电转换、解调及信 号处理5、传感器的供电电源6、光纤7、光源631 图7 含有电感线圈的准光学CT四、组合式光电CT 传统的电磁式CT的稳态精度高，工业应用已达0.2%级，满足了电能计量的要求，缺点是易饱和，当一次电流含非周期分量时，导致铁芯饱和，引起二次侧电流严重畸变，是多种继电保护的难题。在电磁感应原理的框架下找出路，虽能有些改善，但不能根本解决问题。 全光学CT的暂态特性好，没有铁芯饱和问题，其暂态精度已经能够满足各种保护的要求，但稳态精度不高，远不能满足电能计量（要求0.2%级的准确度）的要求，在法拉第旋光效应原理框架下找出路，也会逐渐有所改善，但想达到0.2%准确度的目标，尚有很长距离。 分析了两种CT的优势和不足，我们得出的结论是：把传统的电磁式CT与光学CT相结合，发挥优势互补，组成一种新型的组合式光电式CT，由传统电磁式CT向计量系统供电流信号，由OCT向保护系统供电流信号。 传统电磁式CT也是由多个铁芯套装在一起，组成一个单元，其中每个铁芯都是一个单独的CT，彼此互不影响。一般有一个铁芯CT供测量用，保证高稳态精度，其他几个铁芯CT都供保护用。考虑到传统电磁式CT也是由多个独立的铁芯CT组装在一起的，那么我们提出的由传统电磁式CT和OCT组装在一起的想法应该是可行的，这样做既不影响安装，又不影响使用，是一种理想的解决办法。我们还考虑了一种方案，把准光学CT与全光学CT组合在一起，充分发挥光学CT在绝缘方面的优势，使组合在一起的CT具有绝缘性能好，体积小，重量轻，同时满足计量和保护对CT 的精度的要求，也许是更为理想的解决办法。五、光学CT的改进OCT受环境因素的影响，精度难以达到计量系统提出的标准，但是不能因此就放松对提高其性能的研究工作。以下几个方面是当前研究的重点：（1） 采用新材料和新工艺（2） 研究一种无粘合、无反射块状结构（3） 在组合式光电CT中施行精度的反馈校正补偿控制方法这些方法都会明显提高OCT的性能和精度。六、光学CT在馈线自动化中的应用配电自动化是当前配电网改造的一个重点，其核心问题是实现馈线自动化。发生相间故障时，因短路电流大，馈线按段实现故障定位并不难，问题已经获得解决。配电网发生单相接地时，首先要在变电所选出接地故障选线，选出故障馈线后接着要进行馈线的接地故障选段，随后进行隔离和处理。我国配电网大多采用小电流接地方式，单相接地故障时接地电流很小，配电单相接地故障选线，有很大难度，馈线单相接地故障选段的难度就更大。配电单相接地故障选线的基本方法是比较各出线的接地电流的大小和相位。馈线分段以后，各测点只有一个电流，当地没有可比较的电流。唯一的办法就是同相邻的上游测点电流或同相邻的下游测点电流比较，这就要求实现远方信号传输，采用电磁式零序电流互感器时，不仅要安装普通信号线，同时还要在测点安装接口和电源。这些对于馈线来说，往往被认为是小题大做，技术上很麻烦，经济上耗费也很大，难以为用户所接受。光学CT的出现给馈线单相接地选段提供了新思路。如图8所示。 图8 基于光学CT的馈线单相接地选段系统结构图比较、和：若，则故障发生在第一段线路；若，则故障发生在第二段线路；以下类推。光学CT可以把电流信号传得很远，又不用在当地设置电源，在变电站设置电源和光源要好办得多，所以说光学CT的出现给馈线的单相接地故障选段带来了新的机会，值得做进一步的研究。七光学电流互感器在母线差动保护中的应用母线保护是确保电力系统安全运行的重要措施。传统的具有代表性的母差保护有低阻抗、中阻抗和高阻抗三种类型。这三种保护都受电流互感器因短路电流中非周期分量引起的CT饱和的困扰，达不到十全十美的目标。低阻抗母线保护采用带速饱和变流器来防止CT饱和引起的保护误动，带来的副作用是动作速度慢，无法满足快速隔离故障的要求。中阻抗和高阻抗母线保护采用比率制动原理，在一定程度上缓和了CT饱和的影响，加快了动作速度，但却引起差动回路的过电压，且抗CT饱和也不完全彻底。总之，CT饱和是差动保护的共同障碍，不管采取什么原理，都不能彻底解决CT饱和带来的负面影响。近年来保护下放和微机化受到广泛的重视。保护下放到开关站，大大缩短了CT二次回路的长度，减轻了CT的负担，在很大程度上减小了CT饱和程度，从而减缓了CT饱和带来的负面影响。尽管如此，也不能说CT饱和的影响完全解决了，在微机母差保护中CT饱和的影响仍然是个关键问题，需要在微机母线差动保护中采取种种对策以减轻CT饱和的影响。如果CT不饱和，则微机母线差动保护将更加简化、有效。总之，不管是传统的母差保护也好，还是新型的微机母差保护也好，都不可能单靠保护算法完全彻底地克服CT饱和的负面影响，需要对症下药，用治本的办法代替治标的办法，用没有饱和现象的光学电流互感器取代电磁式CT，这才是从根本上解决问题的办法。 互感器的变化必将引起保护的相应变化。采用光学电流互感器以后就不应完全照搬过去的母差保护原理和方法。值得进一步深入考虑的问题有：（1） 光学电流互感器没有饱和问题，非周期电流分量也能高保真地传送到二次侧。根据基尔霍夫定律，非周期分量电流不但无害，反而有利。应该构造一种把非周期电流分量也考虑在内的瞬时值差动保护，以提高保护的性能。（2） 光学电流互感器的输出是模拟光强信号，其传输距离可近可远，不必过份强调保护下放，在一定条件下，保护的集中安装也可能是可取的。（3） 电磁式CT的二次电流传送几百米是困难的是旁路开关保护切换的难题。改用光学电流互感器后，光信号在变电站内传送很容易，解决了旁路母线保护切换的难题。八利用光学电压互感器可从根本上解决铁磁谐振问题过去，电网中因PT引起铁磁谐振问题经常发生，严重时导致PT爆炸造成母线短路，是一种恶性事故，被广为关注。PT引起的铁磁谐振吸引了一批学术界人士进行研究，弄清了铁磁谐振发生的机理，提出了种种办法，遏制了铁磁谐振的频繁发生。当前，由PT引起的铁磁谐振已经很少发生了，但并没有绝迹，全国每年仍有若干起铁磁谐振引起的PT爆炸事故，说明问题尚未彻底解决。光学互感器给我们带来了希望。由于光学电压互感器没有铁芯，可以从根本上杜绝铁磁谐振的发生。用光学互感器取代电磁式电压互感器实现小电流接地电网的单相接地故障检测是一种理想的解决方案。但是，采用光学电压互感器也带来了一个问题。和光学电流互感器一样，光学电压互感器的精度不高，不能满足计量的要求，怎么办？还是老办法，把光学电压互感器与电磁式电压互感器相结合起来，电磁式电压互感器采用V/V接线，如图9所示。V/V接线的电压互感器没有中性点，当然也就不存在中性点接地的问题，从理论上就不会引起铁磁谐振。V/V接线PT的精度很高，能够满足计量的要求，但却不能检测电网单相接点故障，不能给出故障报警。这个任务就留给光学电压互感器完成。图9 V/V接线电压互感器九、全光学保护的构想防电磁干扰一直是微机保护的核心技术，采用光学互感器从保护的上游遏止了电磁干扰的影响，但这是一个很大的技术进步。我们有理由设想，把保护也光学化，则更加彻底地解决电磁干扰问题。所谓全光学保护就是指CT、PT和保护全都光学化。以下几种技术可以认为是全光学保护的第一步：（1） 全光纤线路纵差保护如图10所示，用一根光纤实现电流传感和信号传输，起偏器和检偏器都放在始端，称这个系统为全光纤测量保护系统。当故障发