对智能变电站光电互感器的探析

对智能变电站光电互感器的探析摘要：随着电力系统的发展，传统电磁式互感器越来越不能满足系统运行的要求，使电力系统更加安全、稳定、准确的运行。光电互感器是智能变电站建设的重要物理基础。本文从新型光电互感器与传统电磁互感器的对比入手，得出了光电互感器的优势与特点，分析了各种类型的光电互感器原理、特点，比较了优缺点和适用范围等。将光纤应用于光电互感器，使测量更精确、传输更高速。关键词：智能变电站光电互感器性能比较特点中图分类号：V351.31文献标识码：A文章编号：引言在非常规互感器诞生之前，电力系统中使用的电流互感器和电压互感器都属于传统的电磁式互感器。由于电磁互感器具有结构简单、可靠性高、维护方便等优点，因此在电力系统中一直得到占据主导地位。但是，电磁式互感器也存在着一些缺点，限制了互感器更好的发展和更广的应用：由于采用了电磁互感技术，当出现大电流情况时，电流互感器在会出现铁芯饱和现象，从而导致继电保护不能正确动作；电磁互感技术的暂态传变特性差，由于存在时间差，继电保护不能迅速使发生动作，然而提高该特性需要投入过高的成本，性价比不高；电流互感器二次侧输出对负载有严格要求，当开关场到控制室的距离过远时，难以保证传变精度；电流互感器二次不能开路，否则会产生数千伏的高压，危及人身和设备的安全；电压互感器二次不能短路，否则也将危及设备的安全；为解决绝缘和传变特性，当电压等级越高，短路电流越大时，必然将增大体积，使设备变得更加笨重，安装运输不方便25,26。1光电互感器概念光电互感器是指利用光电子技术和光纤传感技术来实现电力系统电压、电流测量的新型互感器，是光学电压互感器(OVT)、光学电流互感器(OCT)和组合式光学互感器的通称，包括有源和无源两种类型27。有源电子式互感器中，电流互感器主要以罗柯夫斯基(ROgowski)线圈为代表的互感器，电压互感器采用电阻或电容分压技术；无源电子式互感器中，电流互感器主要指基于法拉第效应光学测量原理的互感器，电压互感器采取普克尔效应和逆压电效应，又称为光电式电压/电流互感器(OVT/OCT)；由于其实现原理、构成、关键技术有较大的差异，因此，在一些应用特征上也体现了一定的差别28。2光电互感器类型光电互感器主要包括两大类型：有源光电互感器和无源光电互感器，其本质区别在于是否需要供电。其中无源光电互感器还分为无源型和全光纤型，两者区别在于传感头不同。2.1有源光电互感器有源光电互感器的线圈以罗柯夫斯基(ROgowski)线圈为主，其工作原理是高压侧利用激光向电子模块供电，该电子模块输出的电流信号经过A/D转换后变为数字信号，再经过LED电路转化为光信号，由光纤传递至低压侧转化为电信号向继电保护装置进行供电。由于该类型光电互感器的传感头需要激光进行供电，因此称为有源型光电互感器，这也是有源光电互感器和无源光电互感器的本质区别。有源光电互感器的优点在于结构简单，对环境因素的抗干扰能力强，能够长期稳定的工作，采样精度大大提高。但是缺点在于制造工艺复杂，成本较高，维修困难。2.2无源光电互感器传感头不需要进行供电的光电互感器称为无源型光电互感器，一般利用磁光晶体作为传感头。无源型光学电流互感器主要利用法拉第（Faraday）磁光效应，传感头检测到被检测信号，并将信号通过光纤进行传输。无源型光学电压互感器的传感头则是主要利用普克尔（Pockels）电光效应。无源光电互感器不需要激光对传感头进行供电，因此高压测的结构比较简单，保证了长期安全使用，消除了磁饱和现象，同时可以利用同一个采集部分对三项电压、电流进行采集28。但是，不需要供电的传感头制造困难，成本高，对于高精度测量实现难度大，因此，无源光电互感器目前在工程中尚未得到广泛应用，需要进一步进行完善。图2-1无源电流互感器系统图图2-2光电流互感器结构图2-3光电压互感器结构2.2.1全光纤型电流互感器全光纤型电流互感器利用光纤作为传感头，这是和普通无源光电互感器的区别。由于传感头与传递信号的光纤合为一体，结构简单，因此制造比普通无源光电互感器小，实现的测量精度高，同时具备较高的可靠性。但是由于传感器为特殊的光纤，制造难度大，成本很高。2.3性能比较基于不同原理所制造的光电传感器在整体上都具备光电传感器相对于传统传感器的优势，但是它们的性能依然存在一定的差异性。表2-1无源和有源光学电流互感器性能比较表2-1无源和有源光学电流互感器性能比较续表2-2无源和有源光学电压互感器性能比较由上述比较不难看出，有源型光电互感器结构简单，制造成本低，各项性能较优越，应用成熟，因此成为光电互感器中的主流选择。3光电互感器的特点从20世纪90年代开始，世界多个国家的专家学者就致力于光电互感器的研究与实验，研究方向主要包括有源型、无源型和全光纤型光电互感器。随着研究的不断深入、经验的不断积累，光电互感器的发展取得了重大突破，技术越来越先进，效果越来越明显，光电互感器体积小、成本低、无磁饱和现象等优势得到了充分肯定。3.1光电互感器与电磁式互感器相比，具有鲜明的特点：（1）光电互感器没有铁芯，因此不存在磁饱和和谐振，具有良好的暂态特性。（2）具有良好的频率响应特性，实现了高精度的测量，较电磁式互感器而言，测量范围更广，精度更高，响应更快。（3）具有良好的绝缘性，利用光纤代替了传统的耦合线圈，解决了互感器的绝缘问题。（4）安全性高，传统电流互感器二次不得开路、电压互感器二次侧不得短路，光电互感器利用光纤传递信号，有效了避免这些安全隐患；同时避免了由于电磁式互感器的绝缘介质油所造成的安全隐患。（5）光电互感器结构简单，体积小，制造成本低，便于大规模推广。（6）无污染，损耗小。（7）抗干扰能力强。（8）具有很高的自我检测能力。（9）具有快速、准确的决策能力。（10）满足电力系统数字化、智能化和网络化的发展需要，与其它设备兼容性高，大力推动了智能变电站的发展。3.2由于传统电磁互感器使用铁芯、线圈通过电磁感应进行工作，存在磁饱和、磁滞等问题，使电磁互感器体积大、测量精度有限、绝缘性和安全性差等缺点，促使了光电互感器的研究和发展得到了快速发展。基于法拉第效应、罗氏线圈、普克尔效应、电阻/电容分压等技术所制造的多种有源、无源光电互感器应运而生，在理论研究和实习试用中不断总结经验、改进，光电互感器不断完善。新型光电互感器利用光纤传递信号代替了传统的铁芯，不仅具有传统电池互感器的功能，并且具有显著的优势：结构简单，体积不断减小，维修难度小，制造成本降低，具有更广的应用范围和更高的测量精度，具有很高的兼容性，充分满足了智能电网和智能变电站的要求，为智能变电站的发展奠定了良好的设备基础。3.3虽然光电互感器具有显著的优势，但是仍然有待进一步改进完善，在更多的试运行中总结经验，更加充分的发挥光电互感器的作用。尤其是无源型光电互感器，由于采用特殊的光纤作为传感头，对光纤的制造工艺提高了很高的要求，无源光电互感器的稳定运行更是亟需解决重要问题。如何克服无源光电互感器的问题，充分发挥其优势，更快得将无源光电互感器从实验室研究应用到实际电网中，促进智能的发展，是当前重点的研究方向。4结语不同于传统电磁式互感器NCIT(Non