光纤测电流.doc

利用光纤技术测量电流作者：佚名文章来源：不详点击数： 84更新时间：2006-5-18 利用光纤技术测量电流 李芙英王凯摘要介绍了光纤电流互感器的特点，与传统的互感器相比它的测量准确度高、暂态性能好、绝缘结构简单、尺寸小、造价低、升级性好。光纤电流互感器可分为两大类，一类是光电式电流互感器；另一类则为磁光式电流互感器。分别介绍了这两种光纤电流互感器的原理及结构特点，认为将光纤技术与微机技术有机地结合起来，应用于电力系统，尤其是变电站综合自动化系统，前景广阔。关键词电流互感器电流测量光导纤维光电技术自动化分类号TM 452MEASUREMENT OF ELECTRICAL CURRENT WITH OPTIC FIBER TECHNOLOGYLi Fuying, Wang Kai(Tsinghua University, 100084, Beijing, China)AbstractThe characteristics of optic fiber current transducer are introduced. Compared with the traditional transducer, it has higher measuring precision, better transient characteristic, simpler insulation structure, smaller size, lower cost and better scalability. Optic fiber current transducers can be divided into two groups: opto-electronic current transducer (OECT) and magnetic optical current transducer (MOCT). The principles and structure characteristics of these two types of optic fiber current transducers are presented. It has broad prospects to apply the optic fiber technique integrated with computer technique in the power systems, in particular, in the integrated substation automation system. Keywordscurrent transformercurrent measurementoptical fiberphotoelectric techniqueautomation0引言随着电力系统向大容量、高电压的方向发展，对电力设备提出了小型化、自动化、高可靠性的要求。传统的电磁式电流互感器已经越来越不能适应这个发展趋势，因此有必要开发和研制新型的电网电流测量装置。特别对于35 kV以上的电力系统，研究新型的电流互感器已经成为迫切的需要。目前，利用光纤测量电流有了很大的进展。这种电流互感器按其类型分为两大类：一类是光电式电流互感器(opto-electronic current transducer，简称OECT)；另一类则为磁光式电流互感器(magnetic optical current transducer,简称为MOCT)。1电磁式电流互感器的缺陷a.绝缘结构复杂，尺寸大，造价高。随着电压等级的提高，采用了油纸绝缘和气体绝缘的方式，在超高压(UHV)下，电磁式电流互感器又采用了串级绝缘的方法。显然，电压等级越高，电磁式电流互感器的绝缘结构越来越复杂，制造上越来越不方便，造价也越来越高，价格几乎随电压等级作三次方上升。b.测量准确度无法满足。由于一、二次线圈一个与高压母线等电位，一个在低压侧与二次低压设备相连，这两者之间的线圈则靠铁心联系。随着电压等级的提高，高、低压之间的绝缘距离也相应地提高。这时只能依靠增大磁路的办法来加强一、二次线圈的联系。因为测量误差与互感器的平均磁路长度成正比，在增长磁路的同时，测量误差也随之增大。传统的电磁式电流互感器二次侧输出的功率较大，一般达到几瓦，而且由于一、二次侧还有直接的电磁联系，二次侧对一次侧也有影响，这些因素都会影响电流互感器的测量准确度。在电力系统中使用的测量用电流互感器的准确度大多限于0.3级。在暂态故障电流情况下，非周期分量电流使铁心饱和也会影响到测量准确度。c.设备安装、检修不方便。由于电磁式电流互感器的体积庞大，重量较重，运输安装极为不便，在正常运行时需要绝缘支架支撑，相应地给维修也带来了不方便。d.存在潜在的危险。电磁式电流互感器的一、二次之间是靠电磁变换原理实现能量的传递的，因此一、二次之间总是存在着电磁联系。如果二次侧线圈由于某种原因出现了开路，一次侧的大电流完全成为激磁电流，就会在二次线圈侧感应出高电压，危及人身、设备的安全。e.除此以外，传统的电磁式电流互感器还具有铁磁共振、磁滞效应等不利于测量的因素。2光纤是传播信号的良好介质1光纤作为信号传输介质具有以下优点：损耗低、频带宽；重量轻；无电磁感应；绝缘性能好；弯曲性好；价格便宜。由于光纤信号传输的无电磁感应性及其良好的绝缘特性，所以光纤是较好的连接高电压与低电压系统的介质。3光电式电流互感器(OECT)传统的电流互感器(TA)是将一次侧电流信号通过电磁感应传到二次侧，而OECT则利用光纤将一次侧的电流信号传输到低压侧的数据处理系统。OECT的具体测量原理如图1所示。对电流采样采用铁心线圈(或空心线圈2)，然后将采样来的电流信号进行电光转换，转换后的光信号通过光纤传输到低压侧数据处理系统，低压侧系统利用光电变换器再将光信号转换成相应的电信号，由微机进行处理。光纤在这里既起到高、低压侧的通信联系作用，又起到高、低压侧的隔离作用。这一对矛盾的统一使得其性能优于传统的电磁式电流互感器。 图1光电式电流互感器(OECT)结构图Fig.1Structure of opto-electroniccurrent transducer (OECT)光电式电流互感器高压侧的电子电路需要有电源供应才能够正常运行，由于高压侧和低压侧没有电磁联系，因此如何解决高压侧的电源问题是OECT的一个难点。目前解决电源的方法有以下几种：由母线上电流产生的电磁场感应而产生；由低压侧将电能转换为光能，然后通过光纤将能量传输到高压侧；在高压侧用电池解决电源问题。这几种方法各有优缺点，从经济上和系统的易操作性上考虑，应用于测量和保护，第1种方案较佳。4磁光式电流互感器(MOCT)3磁光式电流互感器(MOCT)完全有别于传统的电磁式电流互感器，它的基本原理是法拉第磁光效应。光纤在这里既起到高、低压侧的绝缘隔离作用，又起到对电流采样的作用。法拉第效应是指当强电磁场加在某一种材料(例如：玻璃)上时，这种材料会变得具有光学能动性。材料的光学能动性是指当一束偏振光以平行于磁场的方向通过材料时，材料可以将此偏振光偏振平面的方向旋转。自从法拉第发现这个现象以来，很多固态、气态、液态材料都被发现具有法拉第效应。经过实验还发现，偏振光偏振面所旋转的角度同磁场的强度和光在材料中通过的距离有关。偏振光通过磁场后旋转的角度正比于磁场强度H和光在磁场中传播的长度l：=VH.dl(1)式中V为比例常数，称为费尔德(Verdet)常数，它与光的波长有关，而且受温度的影响非常大；为相对导磁率(relative permeability)，与法拉第传感器的材料有关。测得测量光通过磁场前后的角度差，便可以求出母线电流。其测量的具体原理如图2所示。 图2磁光式电流互感器(MOCT)结构图Fig.2Structure of magnetic opticalcurrent transducer(MOCT)5光纤电流互感器的优点不论是光电式电流互感器还是磁光式电流互感器，其性能均优于传统的电磁式电流互感器。具体表现在以下几个方面：a.绝缘结构简单，尺寸小，造价低。由于光纤具有良好的绝缘特性，高、低压之间的绝缘通过光纤再加上绝缘套管来完成，从而使电流互感器的绝缘结构大为简化。虽然OECT仍然具有铁心(或空心)线圈，但是由于线圈的一、二次均处于高压侧，一、二次之间电位差比较小，故而不需要高压绝缘隔离，因此磁路短，尺寸小。电压等级的提高也不会使绝缘结构有大的变化，因此极为适合应用于超高压的电力系统中。 b.测量准确度高。MOCT利用光的磁光效应测量电流，彻底抛弃了电磁式铁心绕组结构，没有故障电流下的饱和漏电，测量也无磁滞效应，同时具有较强的抗电磁干扰能力及较高的灵敏度、准确度。OECT中由于一、二次之间的绝缘要求不如传统的电磁式电流互感器高，因此其采样电流的铁心线圈可以采用准确度较高的电流互感器，或者采用带气隙的铁心线圈，以获得较好的暂态性能。二次侧所带的负荷一般为电子线路组成的电路，负载恒定，因此不要求二次线圈提供较大的功率，这样也有利于测量准确度的提高。c.设备安装、检修方便。MOCT和OECT的体积均较小，所需的绝缘结构也简单，这给安装带来很大的方便。同时，OECT采用结构化的形式，可以分为若干个部分，诸如采样部分、传输部分、信号处理部分等，这样给维修带来很大的方便。当设备发生故障时，仅需将发生故障的部分替换掉即可，而不必像传统的TA那样，设备发生故障则必须替换整个设备。另外，更重要的一点，随着电压等级的提高，只要更换采样电流的线圈的规格以适应相应的电压等级，其他部件基本上无需作太大的改动，具有良好的升级性。d.运行安全。由于MOCT或OECT使用光纤作为隔离高、低压的元件，光纤良好的绝缘特性使得高、低压之间完全做到了电气隔离，从而不会出现像传统的TA那样二次侧开路产生高电压的现象，以保证人身及设备的安全。而35 kV以上的传统电流互感器通常采用油浸式绝缘结构，当互感器内部发生闪络时，容易发生爆裂，爆裂会扩大故障并危害人身安全，渗漏的油也会造成环境污染。MOCT或OECT就不会有这些问题。e.有利于变电站综合自动化水平的提高。MOCT或OECT传输到低压侧的信号都有数字接口，由数据采集系统进行数据处理，从而得到系统的运行情况，直接可以供测量或保护使用，因此可以大大提高变电站的自动化水平。MOCT或OECT提供的数字接口还可以直接与现有的数字式继电保护装置连接。MOCT或OECT都可以接数/模转换放大器，将输出的信号放大，这样可以直接驱动现在已经广泛应用的二次侧额定电流为5 A的继电保护设备。MOCT或OECT还提供了与远程计算机的通信接口，通过这个接口，MOCT或OECT可以将采样来的数据传送到计算机中作更精密、更复杂的数据计算，同时计算机还可以远程遥控MOCT或OECT。f. MOCT或OECT的测量动态范围宽、灵敏度高。6结语近年来，国际上光纤传感器这一高技术领域十分活跃，光纤技术应用于电网电流的测量也日趋成熟。不论是OECT还是MOCT的研制，都已经从实验室的原理性实验过渡到结合电力工程的实际，有些已经到了现场挂网试验运行的阶段。目前日本、美国、瑞典等国都已将光纤传感器应用于不同等级的变电站，光电式电流互感器的研究以瑞典ABB公司最为突出，他们研制的设备已经用于电站的电流检测与保护；国内光纤电流传感器正处于研制和试用阶段，效果良好。将光纤技术与微机有机地结合起来，应用于电力系统，并展开变电站光电式综合自动化系统的研究，对提高我国电力系统的科技水平，与世界先进科技接轨，实现电力设备小型化、综合自动化和高可靠性具有很重要的现实意义。作者简介：李芙英，女，1943年生，副教授，现从事微机教学与控制、光电互感器的研究。作者单位：清华大学电机系100084北京参考文献1顾婉仪，李国瑞.光纤通信系统.