光纤电流互感器发展.doc

光纤电流互感器的发展 方志1,邱毓昌1,李双2 (1.西安交通大学,西安市,710049;2.江苏精科互感器公司,江苏省宿迁市,223800) 摘要随着现代电力系统的发展,传统的电磁式电流互感器暴露出越来越多的问题。而光纤电流互感器(OCT)的出现为这些问题的解决带来了答案。OCT有如下优点:不含油,尺寸小,绝缘结构简单,不会有安全隐患;不含铁心,不会有磁饱和现象;测量带宽和精度高;使用光纤传输信号,可以有效地防止电磁干扰;其输出可以方便地与计算机接口。光纤电流互感器的发展,必将大大加速电力设备向小型化、综合自动化和高可靠性方向的发展。 关键词光纤电流互感器全光式光电电流互感器混合式光电电流互感器 中图分类号:TM452文献标识码:B文章编号:1000-7229(2002)12-0042-03 TheDevelopmentofOpticalCurrentTransducers FangZhi1,QiuYuchang1,LiShuang2 (1.XianJiaotongUniversity,XianCity,710049;2.JiangsuJingkeInstrumentTransformerCo.,Ltd,SuqianCityJiangsuProvince,223800) AbstractWiththedevelopmentofmodernpowersystemthetraditionalelectromagneticcurrenttransformerhasrevealedmoreandmoreproblems.Whileoccurrenceofopticalcurrenttransducers(OCT)hasresolvedtheproblems.OCThasthefollowingadvantages:oilless,smallsize,simpleinsulationstructure,nohiddentroubleinsafety;nomagneticsaturationphenomenaduetonoironcore;widemeasuringrangeandhighaccuracy.Transmissionwithopticalfibercaneffectivelypreventfromelectromagneticinterferenceandeasilyinterfacewithcomputer.ThedevelopmentofOCTwillgreatlyspeedupthetrendofthepowerequipmentindirectionofsmallsize,comprehensiveautomationandhighreliability. Keywordsopticalcurrenttransducer;magneticopticaltransducer;hybridopticalcurrenttransducer 互感器是电力系统中主要的保护和监控设备之 一。随着电力系统向高电压、大容量发展,传统的基于电磁感应的原理制成的电磁式电流互感器暴露出越来越多的问题,主要问题有:含有铁心,易饱和,对高频信号响应性较差,对线路上的暂态信号不能响应;绝缘结构复杂,尺寸大,造价高,设备安装检修不方便;存在潜在危险,如果二次负载出现开路就会产生高电压,危害设备和人身的安全,含油的互感器还有爆炸的危险;另外,随着数字技术在电力系统中的广泛应用,为了使传统的互感器和数字设备接口,需要在两者之间加上电流变换器1。光电子和光纤通讯的发展,推动了新型光纤电流互感器(OCT)的研究与应用。和传统的电流互感器相比,OCT有如下优点:不含油,尺寸小,绝缘结构简单,不会有安全隐患;不含铁心,不会有磁饱和现象;测量带宽和精度高;使用光纤传输信号,可以有效地防止电磁干扰;其输出可以方便地与计算机接口。发达国家在60年代就开始了OCT的研究。到80年代末期和90年代初期已初具商品使用价值。ABB公司在这方面的研究取得了很大的进展。目前,ABB公司不仅有72.5800kV的交流数字光电式OCT,而且有直流数字光电式OCT,并在多个地区挂网运行。在我国,清华大学和华中理工大学研制的光电式电流互感器也分别于1991年和1993年挂网运行2。 1光纤电流互感器的分类 光纤电流互感器主要分为以下2类:(1)全光式光电电流互感器(MOCT)。因为MOCT在高压侧不需要电源供电,所以也称为无源型OCT。(2)混合式光电电流互感器(HOCT)。HOCT在高压部分没有光学元件,只是采用了有源电子线路,利用光纤的耐高压特性,把光纤仅作为信号传输通道来研制光电式电流互感器。由于光纤的主要成分是二氧化硅(SiO2),它具有耐高压等特性,将光纤用于信号的传输,使得电流互感器无论从重量上还是从体积上都有很大的改善。由于HOCT在高压侧是需要电源供电的,所以也称为有源型OCT。 2MOCT 2.1MOCT的原理 MOCT的工作原理为普遍采用的法拉第磁光效应。当一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时,线偏振光的偏振面就会线性随着平行于光线方向的磁场的大小发生旋转。通过测量载流导体周围线性偏振光偏振面的旋转角度,就可间接地测量出导体中的电流值。如图1所示,为线偏振光偏振面的旋转角度, H为光路上的磁场强度,J、E为对应于各部分光的光强及其电矢量,磁光效应可表示为: =VHdl(1) 式中V磁光材料的Verdet常数; l磁光材料中的通光路径。 对闭环式MOCT,因光路闭合,有: =VHdl(2)由安培环路定律可得:=VI(3) 式中I载流导体中的电流。 设起偏器的输出光强为Ji,起偏器与检偏器的夹角为,检偏器的输出光强为J0,由马吕定律可得如下关系: J0=Jicos2(+)=Ji21+cos(2+2)=Ji21+cos2-Ji2sin(2)2+J0(4) 式中光路中的光强衰减系数; J02的高阶项。 设Jdc=Ji21+cos2Jac=-Ji2sin(2)2,其中Jac为交流分量,它包含了电流信息。为了消除光强大小的影响,将它除以直流分量Jdc得到:JacJdc=-tan2(5)当=45时,对应于(4)式对最灵敏,动态范围最大。对于闭环式MOCT,由(3)式和(5)式有:I=-Jac2JdcVtan(6) (6)式右边的Jac、Jdc可由光电转换测定,其他为常数。因此,只要测定Jac、Jdc就可测出载流导体中的电流。图2为ABB公司生产的MOCT的结构示意图。整个系统由3部分组成:光发射部分、光路部分和光接收部分。其工作原理是:LED发出的光信号经过光纤传送到高电位的光学传感器中,在导体被测电流产生的磁场作用下,使线性偏振光的偏振平面发生偏转,线性偏振光经过检偏器转换成含有偏转角度信息的光强度信号,再经过光纤传送到低电位的接收部分,通过光电转换变为电信号,再把这个电信号进行一定的处理,得到被测电流。 2.2MOCT的主要研究问题 虽然MOCT已经达到实用化的程度,但是要取代传统的CT它还存在一些问题。主要问题有以下 4个方面: (1)双折射效应的影响。双折射效应对MOCT的影响主要是使入射到磁光材料的线性偏振光变成椭圆偏振光,从而使检偏器的输出光强度变化不与被测电流成正比。这大大影响了MOCT的灵敏度和测量精度。目前,关于双折射问题的研究很多,但都是针对某一种类型的MOCT。对于通用的MOCT,至今还没有找到实用的解决方法,仍需继续进行研究。 (2)干扰问题。在测量的过程中,由于MOCT采用的是磁光效应的原理,因而它所测的导体就会受到导体周围的磁场的影响而产生干扰问题,进而造成一定的测量误差而影响测量结果。 (3)温度的影响。MOCT的重要部件是Farady晶体,而晶体的特性随温度的变化会有一些变化,从而给测量系统带来一定的误差。 (4)振动问题。当测量的光学系统受到干扰时,就会产生振动。振动产生的主要原因有电路的开关动作、环境或人为干扰等。 3HOCT 3.1HOCT的原理 HOCT是利用空心线圈或带铁芯的线圈采样电流信号,然后通过光纤把采样到的信号传送到低压侧的数据处理系统。由于带铁芯的线圈的固有缺点,所以现在通常采用空心Rogowski线圈作为电流采样线圈。由于没有铁芯,不存在铁磁饱和问题,测量范围几乎不受限制,这种传感器可达到0.1%的测量精度。 图3为Rogowski线圈的结构示意图,整个线圈均匀地绕在一个非磁性材料的骨架上,线圈的总匝数为N,线圈的横截面积为A,被测电流从线圈中心穿过,由电磁感应在二次线圈中得到电压信号。通过线圈的电流在线圈上感应的电动势和导体中流过电流的变化率成正比,即:E=Hdidt(7)式中,H=410-7NA为线圈的灵敏度。如果线圈的输出和一个积分器连接,则积分器的输出就和所要测量的电流成正比。理论证明:只要线圈绕制均匀,则无论母线位于环形线圈内任何位置,互感系数始终是一个常数,空心环形线圈的感应电动势反映穿心母线电流大小。另外,Rogowski线圈是靠电磁感应原理来测量电流的,较强的外磁场将对其二次绕组和测量回路产生干扰,故需屏蔽Ro-gowski线圈,以减小测量误差。图4为一种采用Rogowski线圈作为传感头来取电流信号的HOCT的结构示意图。其测量原理为:当被测电流i通过Rogowski线圈时,在线圈出线端感应出电势e,e与初级电流i的变化率di/dt 成比例。该信号经积分器得到一个与i成比例的电压信号;接着在高压端把这个信号通过发射电路把这个电压信号变成频率调制光脉冲信号。再把这个光脉冲信号通过光纤传到低电位,在低电位端,经接收电路变换把光信号解调为电信号,对信号进行处理,还原成所测量的电流信号。 3.2HOCT的主要研究问题 HOCT的技术难点之一是传感头取信号绕组(即采样绕组)的制作。采样绕组可以用传统的电流互感器,但用传统互感器仍然存在磁饱和问题。由于传感头信号电源输出容量很小,所以Rogowski线圈已能满足要求。因此,如何设计低功率输出、结构简单、线性度良好的Rogowski线圈在这种互感器的研究和设计中就显得尤为重要。另外,由于Rogowski线圈输出的为电流信号,而后边的电子电路处理的是电压信号,所以在这种互感器中通常需要一个积分器把电流信号变换为电压信号,因此如何选择合适的积分器也是这种互感器设计时应该考虑的一个主要问题。HOCT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HOCT的一个难点。目前解决电源问题的方法有以2.5振打力应均布无论采用何种振打机构及在选择振击点时,都应使整个电极板面上各点的振打加速度分布均匀,既不至于过大,同时板面上的最小振打加速度处也应有清灰所需要的振打力。在这方面,声波清灰器优于机械振打装置。 2.6设备的使用寿命及维修 增效型、低噪音、多用途声波清灰器无机械传动机构,在冷、热状态下运行都不会出现机械故障。低频、高能声波对极板、极线表面和电除尘器内壁没有任何机械损伤和腐蚀。这种声波清灰器耗气量低、有效作用范围广、性能稳定、免维修,是良好的节能、环保产品,是先进、可靠的声波清灰器。电除尘器内部,如气流均布板、内壁、管撑、拉杆、瓷套和内部宽、窄走道等构件,与阳极板同等电位(即正极),用声波清灰器经常清理这些构件的表面,起到增大阳极参与收尘面积的作用。机械振打装置在电除尘器内运行较长时间后,除尘效率将下降。最主要的原因是由于振打清灰效果不佳,使电极表面“日积月累”,沉积一层永久性的灰膜。作为导电载体的Na、Li等碱金属离子逐渐被消耗,使板面尘层的比电阻增大,造成电晕封闭,运行状况恶化,必须对电极表面进行人工清理或高压水冲洗。若用人工清理,只有等到停炉后,工人进入除尘器内进行;这里工作条件极差,工人劳动强度大,并且因设备内空间太大,构件又排布紧凑而难以彻底清理;若用高压水冲洗,冲洗后必须马上烘干,否则内部构件将很快锈蚀;并且高压水冲洗必须等到停炉后,待电场慢慢冷却后才能进行(防止骤冷使极板变形),且极板中部高压水冲洗效果差;在运行期间出现电晕封闭时,不能用高压水冲洗。 3声波清灰器与机械振打装置的配置 研究和实验的结果表明:电除尘器在保留原机械振打的情况下,在一电场多装声波清灰器,可减少机械振打的时间和次数;二电场少装声波清灰器,可适当减少机械振打的时间和次数;三、四电场少装或不装声波清灰器,原机械振打时间和次数不变。声波清灰器和原机械振打装置分区、间隔清灰,能取得令人满意的效果。 传统的机械振打存在一些弊病,这些弊病可用声波清灰器克服。如将声波清灰器与机械振打装置的优点结合起来,让两者各自的优势互补,可取得最佳效果。 4结束语 用声波清灰方式可替代高压水冲洗,可避免极板、极线及其他构件的锈蚀,提高设备的使用寿命。用声波清灰器清灰无需进入电场内部清理,可大大减轻工人的劳动强度,提高生产效率。采用声波清灰与原有机械振打相结合的清灰方式能使电除尘设备提高除尘效率和延长高效投入的时间,提高设备使用寿命,能充分发挥它的社会效益、环保效益和经济效益。 5参考文献 1张茂军.振片式声波清灰器在窑尾电除尘器上的应用.水泥,2001 (11) 2张茂军,臧念思,等.声波清灰器在电除尘器上的应用.电力建设, 2002(8) 电磁感应产生(见图4);(2)由低压侧将电能转换成光能,然后通过光纤将能量传输到高压侧;(3)在高压侧用电池解决电源问题。 4结论 目前,不论是MOCT还是HOCT的发展,都已经从原理性阶段过渡到与电力系统相结合的阶段,有许多国家和地区已经到了挂网运行的阶段。预计在未来的几年内,光纤电流互感器将在电力