光电电流、电压互感器及原理.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除光电电流、电压互感器的原理关键词： 光电电流互感器、 光电电压互感器、法拉第磁光效应、光的干涉、偏振光、 双折射、普克尔效应前言为适应输变电系统运行的可靠性、稳定性的需要及向大容量、数字化保护、控制的发展。国内外许多企业、高校、研究机构花费大量的资金、人力研究把光学技术应用于电力工业。自上世纪70年代日本、美国、法国、前苏联研究光电式互感器。光电式互感器的工作原理与传统的电磁式互感器是完全不同的。光电式互感器的动态测量范围广、体积小、重量轻，不存在饱和现象，绝缘结构简单，抗电磁干扰性能好.此外光电互感器的一个探头的信号通过信号处理可以得到测量与继电保护用的信号。测量用的信号要求高的准确度，继电保护用的信号要求高的频率响应，现在信号处理系统完全可以作到。（1）日本早在上世纪80年代已经用光电互感器解决三相一体化气体绝缘装置（GIS）的小型化问题。日本关西电力公司与电新电机公司在住友电气公司的协作下通过采用BSO元件（铋硅氧化物）在84kV气体绝缘开关装置（GIS）中采用了光电电流、电压互感器，进行长期的带电试验。 （2）在上世纪90年代美国的Tennessee Valley Authority 与West-inghouse Electric Corporation 在实际运行条件下成功地采用光电电流互感器进行高准确度测量及快速的继电保护任务。我国的清华大学、华中理工大学、上海科技大学也开展这个领域的研究工作。清华大学的光电电流互感器作为国家八五科技攻关项目得出阶段性的成果。华中理工大学研制的光电电流互感器已于1993年12月在广东新会市大泽变电所110kV 电网上试运行。虽然经过几十年的研究，但是光电式互感器的商品化程度不高。究其原因输变电设备的环境恶劣、环境的温度变化大，但是光电互感器的测量精度受环境温度的影响较大，为保证测量的准确、运行可靠需要采取各种措施减低温度变化对光电互感器性能的影响。有些方案在实验室中可行到现场实施有困难。此外，批量制造的工艺尚不成熟。随着光学技术、微电子技术、激光技术、光通讯技术的发展光电互感器的研究有较大的进展。目前我国有多条输电线路采用国外的光电互感器作为计量及继电保护的装置。 一、 光纤式电流互感器1、 工作原理原理图如图所示。是基于单模光纤的法拉第（Faraday）磁光效应。即偏振光通过位于磁场中的单模光纤时光的偏振面会发生旋转。其旋转角与磁场强度H、光在磁场中通过的路程L、磁场强度的方向与光传播的方向之间的夹角、光纤材料的费尔德常数(Verdet)。旋转角的计算公式： =VH dl .(1)L设被测的电流i通过被单模光纤缠绕的金属导体，单模光纤绕金属导体N匝。每匝光纤是封闭的回路，根据全电流定律有：=VH dl =VNii=/V/N由于V、N是常数电流i 与旋转角成线性关系，测出旋转角就可以计算被测电流 i .：2、 测量旋转角的原理如下:检测通过测试系统的线偏振光的光强的变化可以测出偏转角。图中，光源（激光器或LED）1发出光强稳定的单色非偏振光束。光束经过起偏器2后变成光强稳定的线偏振光。通过准直透镜3后，线偏振光导入光纤4。线偏振光通过处于磁场中的单模光纤后偏振面发生旋转（该磁场由被测电流 i 产生）,旋转角的大小为。由光纤出射的偏振光经过准直透镜 6后进入检偏器7，检偏器与起偏器之间的偏振之间的夹角为，由检偏器出射的光束被光电接收器接收，光束的光强转换成光电流。该光电流的信号包含旋转角的信息。光电接收器接收的光强为：J=J0COS（-）COS（-）设=/4J=J0（1+Sin 2）/2 因值很小所以可以认为Sin 22J=J0（1+ 2）/2考虑光学系统的光损耗： J=J0（1+ 2）/2J值由两部分组成： J0 ：是直流分量 2 J0 2 ：是交流分量 2 将光电探测器输出的光电流的交流分量除以直流分量即可计算出偏转角的值。J0 2 J0 =2 2 2 目前的电子技术是很容易处理上述信号，求出偏转角。3、 设计需要注意的问题 光源的光强要稳定，光强不应受环境的影响。光源发出的应是单色光，因为Verdet常数与光的波长有关。 单模光纤由于存在机械应力从而产生双折射，光纤的双折射将也会引起光束的偏振面的偏转。这种附加的偏转引起测量的误差。此外当环境的温度发生变化时，光纤的应力也会发生变化，导致双折射的变化、最终使得所测出的角与被测的电流之间产生误差。这是该系统存在的致命缺陷。为了改进需要采用双折射很小的保偏光纤、或高圆双折射、椭圆双折射光纤。这种光纤制作复杂、价格昂贵、稳定性差。 结构上要使起偏器与检偏器的偏振方向之间的夹角保持一致，夹角为45，使得系统的灵敏度最大（在同样匝数的光纤条件下）。 该系统的要求光电探测器工作在线性范围内即输出的光电流与输入的光强成线性关系。 由于项中提到的问题该方案只是在实验室中实现电流的测量，无法在户外挂网运行。 二、 封闭光学玻璃块型电流互感器利用封闭光学玻璃块围绕通电导体来测量电流的方案的测量原理与光纤电流互感器的原理是相同是利用法拉第磁光效应进行电流的测量。1、 测量原理图由光源1发出的单色光 经准直透镜2、起偏器3形成线偏振光后，进入光环的一臂4、到达4的端部后反射至另一臂5 ，光束如此传播经过臂6、臂7，由臂7出射后通过检偏器8、透镜9被光电探测器10 接收。由光电探测器输出光电流，通过信号处理单元可以测出光环所围绕的通电导体中通过的电流。 光环可由四块光学玻璃胶合成整体或整块光学玻璃加工而成。由全电流定律偏转角由以下公式计算：=VH dl =V i光电流信号的处理及被测电流i的计算方法同与全光纤的电流互感器。2、 传感头设计要考虑的问题光束经过光环传感头中间将存在6次反射。光在反射面（反射面两边的折射率不同）上反射后，电矢量的两个相互垂直的分量之间将产生相位差线偏振会变成椭圆偏振光将降低测量精度。需要对此相位差进行补偿。一般采用有几何补偿，即使得反射的次数为偶数。此外奇数次反射的电矢量中的平行于入射面的分量在偶数次反射时成为垂直于入射面的分量。奇数次反射的电矢量中的；垂直于入射面的分量在偶数次反射时成为平行于入射面的分量。相互垂直的两个分量经过偶次反射后相位差相同。从传感头输出的光束的这两个分量的相位差为零。玻璃的材料应选择双折射小、内应力小。全光纤电流互感器中温度对测量精度的影响在光环传感头中同样存在。但是，对玻璃材料而言温度变化引起的双折射较全光纤小，同时对晶体而言存在着一个特征方向，当光束沿该特征方向入射时 温度变化对光环传感头的双折射的影响大大减小。 选择Verdet常数较大的材料。当采用胶合的方法制造的光环传感头，光学胶的折射率应与光学材料接近，对光环传感头的密封性要好，以免湿气对光学胶的影响。光环传感头的加工要求很高使得成本大为提高。3、 光环传感头的样机尽管光环传感头的加工难度较大，但是在光学加工的工厂还是可以加工出来。另外其抗干扰性强、磁场利用率高、温度的影响较小，前期的光电电流互感器大多采用光环传感头式的电流互感器。我国华中理工大学在广东新会挂网的光电电流互感器采用该方案。1*三、 光纤干涉式光电电流互感器1、 光的干涉 依据光的波动理论，设两束振动方向相同、波长相同、频率相同的光波的振动方程为： S1=a1 sin(t+1)=a1 sin(t+2d1/) S2=a2 sin(t+2)=a2 sin(t+2d2/+0) 两束光相叠加形成同一周期的合振动：S=S1+S2=A sin(t+)tg=(a1sin1+ a2sin2)/ (a1cos1+ a2cos2)A*A=a1*a1+a2*a2+2a1a2cos(2-1) = a1*a1+a2*a2+2a1a2cos (d1-d2) 2/- 0如果振动的相位差2-1在整个时间内是恒定值，则合振动的总光强随相位差2-1或光程差d1-d2的变化而变化，合振动的光强由极小值（a1-a2）*（a1-a2）变到极大值（a1+a2）*（a1+a2）光波的这种性质称之为干涉。如果两束相干光的振幅相同即a1=a2=a A=2acos (d1-d2) /+ 0/2若0=0 A=2acos(d1-d2) /当(d1-d2)=m时合振动的光强为A*A=4a*a 得到光强的最大值，当(d1-d2)=（m+1/2）时合振动的光强为A*A=0得到光强的最小值，m为正整数干涉的图案为明暗相间的条纹，两个条纹之间的光程差（相位差）为光波的波长或相位差为。2、 光纤干涉电流测量原理测量原理如下：被测电流通过导体（母线），在导体外套有一个儒可夫斯基线圈，线圈的两出线端接于电致伸缩晶体，在晶体上绕有单模光纤。当电致伸缩晶体的轴向两端施加电压时晶体径向的尺寸将发生变化，径向的尺寸变化与所施加的电压大小成比例。电致伸缩晶体径向的尺寸变化导致缠绕其上的光纤长度的变化，引起光纤中转播的光束的光程的变化。利用上述的变化关系可以测出通过导体的电流。 传感头的原理图如下： 激光器作为入射光的光源，其所发出的光是单色光。激光器发出的光经过单模光纤进入耦合器/分束器分别进入测试臂光纤绕组及参考臂光纤绕组，测试臂光纤绕组绕于圆柱形电致伸缩晶体上，圆柱形电致伸缩晶体的两个电极分别接于儒可夫斯基线圈的两输出端，儒可夫斯基线圈套于通电导体母线）外。当导体中通过电流时在儒可夫斯基线圈的输出端产生电势V，电势的大小比例于导体中通过的电流 i 。V i电势V 施加到圆柱形电致伸缩晶体的两个电极上引起圆柱形电致伸缩晶体径向尺寸的变化 D D VL的变化引起测试臂光纤的长度变化L，引起光程的变化 L D参考臂的光纤长度未发生变化，因此当测试臂光纤出射的光与参考臂出射的光通过耦合器/分束器8叠加时在8处产生干涉。产生干涉的光出射后被光电探测接收，经过信号处理单元处理后，可以计算出被测的电流i 。3、系统的优点 随着光通讯技术的发展，激光器、单模光纤、耦合器/分束器等光学元件的发展非常迅速，因此系统中用到的光学元件在市场上可以方便地买到。儒可夫斯基线圈是没有磁性材料，不存在磁饱和现象。儒可夫斯基线圈输出的电势与通过母线的电流成比例，线性度好。干涉图形是明暗相间的条纹，光强的变化是周期函数，信号处理方便。由于温度变化引起的的光程差的变化对于参考臂、测试臂是相同的，因此互相可以抵消。结构简单4、需要解决的问题 儒可夫斯基线圈输出的电势受到其几何尺寸的影响，而温度的变化将影响到儒可夫斯基线圈的几何尺寸。因此，要考虑温度的补偿问题。 测试臂上的光纤与圆柱形电致伸缩晶体热膨胀系数应接近以免由于热膨胀系数的不一致引起测量误差。四、 干涉法光电电压互感器 干涉法测量电流的方法同样可以用于测量电压。测量的原理图如下：设高压母线对地的被测电压为V。圆柱形电致伸缩晶体及其两个电极之间形成一电容，设其电容量为C1，圆柱形电致伸缩晶体的低压端与地之间串连一个电容（电容的电感应为0），电容量为C2。加在圆柱形电致伸缩晶体两极的电压为：V1=C2*V/（C1+C2）标定出C2/（C1+C2）测出V1可以计算出被测电压V值。V1值可以直接由测量的光程差中计算出。五、 利用普克尔效应的光电电压互感器1、 普克尔效应某些各向同性的晶体在电场的作用下会产生双折射现象，即沿晶体的不同晶轴的光的折射率产生差异。因而，使得光沿不同的晶轴传播的速度不同，产生光程差，而折射率之差与电场强度成正比。晶体的这种效应称之为普克尔效应。2、 光电电压互感器的工作原理光电电压互感器就是通过测量普克尔效应产生的双折射所造成的相位差，计算出电场强度即被测的电压值。其原理图如下：光源1发出一束光，经透镜2、起偏器3成为线偏振光，其偏振方向与普克尔晶体4的两个相互垂直的光轴X、Y成45。普克尔晶体元件的厚度为L，施加电压两面的距离为d。并施加电压为V，线偏振光通过上述普克尔晶体元件在X、Y轴上的分量产生相位差。=2*n0*n0*n0*22*L*V/d：X、Y轴上分量的相位差；n0：普克尔晶体元件的正常折射率22：普克尔晶体元件的普克尔系数（cm/V）：波长（cm）L：光通过普克尔晶体元件的几何路程（cm）d ：施加电压V两极板之间的距离（cm）V/d ：施加的电场强度（ V/cm） 由普克尔晶体元件出射光经过1/4波片5后相位差为+/2。由1/4波片出射的光经过振动方向与起偏器的振动方向垂直的检偏器6后被光电探测器8接收，把光信号转换成电信号，经过信号处理单元可以计算出通过普克尔晶体元件后的相位差，也同时计算出被施加的电压值即被测的电压值。 普克尔晶体可以采用LiNbO3(铌酸锂)晶体。3、 设计需要考虑的问题 温度对系统的影响 普克尔晶体的双折射同样要受到温度的变化的影响。当温度发生变化时晶体的内应力发生变化，从而产生非电场产生的双折射，影响了测量的准确度。为此，选择晶体时应使晶体的剩余内应力尽量的小。可以考虑采用温度的补偿的方法。普克尔晶体的耐压场强是有一定限度，因此在超高压测量时需要采用电容分压的方法，电容器的性能将影响测量准确度。六、 结束语 光电电流、电压互感器已经不是采用电磁学中的“互感”概念。此处的“互感器“名词已经是词不达意。应称为光电电流、电压测量传感器。由于这种测量装置体积小、重量轻、动态测量范围大、无磁饱和现象、频响应快等优点，在气体绝缘开关装置