光互感器在电力系统中的应用

光互感器在电力系统中的应用及制约因素,1引入,电力系统中安装有大量的电流、电压互感器，将高电压、大电流按比例变成低电压和小电流供给测量、继保装置以实现对一次侧的监视、测量、控制和保护。互感器的测量准确度及可靠性对电力系统的安全、稳定和经济地运行有着重要的影响。,传统电磁式互感器的固有缺点,目前：电磁式互感器已在电力系统中服务超过100年。但随着电力系统传输容量不断增加，电网运行电压等级越来越高，电磁式互感器逐渐暴露出一系列固有的缺点。（1）电压等级越高，铁磁线圈的绝缘结构越复杂、绝缘费用越高；（2）电磁互感器二次开路/短路产生高电压和大电流危险；（3）需要铁芯耦合磁路电流互感器：短路时严重饱和，二次电流数值和波形严重失真；电压互感器：铁磁谐振，损坏设备；,（4）抗电磁干扰能力差，引至二次设备的电缆是电磁干扰的重要耦合途径;（5）频带响应特性较差，频带窄，系统高频响应特性差，不能反映高次谐波和非周期分量。（6)输出为模拟量，不能直接与数字化二次设备直接相连，不利于电力系统的数字化进程。（7）采用油浸纸等绝缘材料，易燃易爆，不安全。,2光电式互感器,光电式互感器的基本结构,有源光电式互感器原理,交流（谐波）：罗柯夫斯基(Rogowski)线圈；罗氏线圈：空心螺线管,无铁芯。基于电磁感应原理，根据被测电流的变化感应小电压信号。直流：分流器分流器：能够通过极大电流的电阻，其直流电阻是严格调好的；串接在直流电路里，直流电流过分流器，分流器两端产生毫伏级直流电压信号，,有源电流互感器工作系统图,电容/电阻分压得到测量信号,一次侧测量原理,电压,电流,应用实例,南瑞继保的PCS-9250系列有源电子式电流电压组合互感器。,高压测量侧结构图,a:一次导杆；b：为SF6气体；c：电容分压器电极；d:罗氏空心线圈；e：接地外壳；f：数字变换器,PCS-9250-EACD型直流电子式互感器。利用分流器传直流电流，利用空芯线圈传输谐波电流。已在葛洲坝一南桥500kV直流输电线路上运行。,PCS-9250测量信号传输,光学（无源）电流互感器（OCT）原理,光电流互感器（OCT）属于无源型电子互感器，完全基于光学原理测量电流。其中：基于法拉第磁光效应的OCT一直是光学电流传感技术的主流。,法拉第磁光效应:当线偏振光在磁光材料介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转。,电流测量原理：线偏振光在电流产生的磁场作用下通过介质时，其偏振面旋转，偏转角度与磁场强度和光路穿越介质长度的乘积成正比：线偏振光偏振面的旋转角度（法拉第旋光角）V：称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。H：电流I在光路上产生的磁场强度。L：磁光材料中的通光路径所以通过测量通流导体周围线偏振光偏振面的旋转角度，便可间接地测量出导体中的电流值。法拉第磁光效应原理具有良好的测量线性度，可以测量变化的电流和稳恒电流，不存在测量频带问题。,磁光玻璃型光学电流互感器,控制室中光源经驱动电路把电信号转换成强度成比例的光信号。光信号经过光纤传到安装在高压区的光学传感器（磁光玻璃）中，在被测电流产生的磁场作用下，线偏振光的偏振面发生偏转。线偏振光经过检偏器转换成含有偏转角信号的光强信号，再经光纤传输到光信号接收部分，通过光电转换为电信号，再进行放大、滤波等运算后得到被测电流。,说明：由于目前无法实现高精度测量偏振面角度，通常将偏振面角度变化转化为光强变化，实现测量。,磁光玻璃型光电流互感器,全光纤光学电流互感器（FOCT）,工作过程：光源发出光信号进入光纤，经过起偏器成线偏振光，经过45熔接点和调制器后被分成两振动方向相垂直，相位互差90的线偏振光。两束偏振光进入传感光纤并经反射镜反射后返回。在传感光纤中，由于磁光效应产生旋转角，两偏振光之间相位差会增大一定角度。返回光在起偏器相遇并产生干涉，输出干涉光强，光探测器将干涉光强信号转换为电压信号输出给信号处理电路，信号处理电路按“比例负反馈”输出反向电压信号至相位调制器，使调制输出刚好能抵消偏振光因电流引起的相移。此时电压调制量即是与电流对应成比例的测量量，实现“闭环测量”。,全光纤光路分光干涉闭环测量,全光纤电流互感器的优点：光信号全程在固定光纤中传输，稳定性和抗振动性好；光匝和安培环路重合，多圈式和反射式的结构可以成倍的提高旋光率，提高测量精度。闭环测控：信号检测和处理过程中，运用了负反馈平衡测量原理，可自动消去光路上的时漂、温漂及非线性对测量的影响。全光纤电流互感器的测量精度和长期稳定性都比比磁光玻璃式好,是OCT发展的主流方向。,光学电压互感器（OPT）原理,光学电压互感器一般基于各种电光效应和逆压电效应来实现，目前理论研究和示范应用均重点围绕波克尔斯（Pockels）电光效应开展。Pockels效应：某些透明的光学介质在外电场的作用下，其折射率会线性地随外加电场变化。,具体而言：晶体介质在没有外加电压作用时是各向同性的，而在外加电压作用下变为各项异性的双轴晶体，从而导致其折射率和通光偏振态发生变化，产生双折射。当一束线偏振光射入处于电场中的电光晶体时，一束光变成两束线偏振光，且出射的两束双折射光束间的相位差与外加电场的强度成正比。所以，通过测量出射光束的相位差就可以得到测量电压量。,应用：南瑞航天NAE系列光学互感器,NAEGL系列全光纤电流互感器采用闭环控制及干涉式互易性光路技术。已在江苏无锡220kV西泾变电站、上海110kV蒙自变电站等投入使用。NAE-GY系列光学电压互感器基于波克尔斯电光效应。已在江苏500kV常熟南变电站、安徽110kV桓谭变电站投入使用。,光学互感器相较有源式光电互感器的技术优势表现在以下两个方面:完全基于光学原理测量一次电压和电流，一次传感部分无需供电电源及光电转换电路，可靠性高；可直接用于高压直流量的测量。,3.光互感器的优点和电力系统中应用优势,（1）高低压侧之间通过光纤传输测量信号，完全隔离，不怕二次侧短路或开路；绝缘性能优异，安全性高。（2）不含铁芯，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。互感器运行暂态响应好、稳定性好，保证了系统运行的高可靠性。（3）没有磁耦合，通过光信号传递信息，消除了电磁干扰对互感器性能的影响。（4）频率响应范围大，实际能测量的频率范围取决于电子线路部分，其极限频带在几兆赫兹以上，能够很好地满足电力系统暂态、高频大电流与直流的测量。,光互感器较传统电磁式互感器有很多优点。,（5）可根据需要，输出低压模拟量或数字量。适应了电力计量与保护数字化、微机化和自动化发展的潮流。（6）安装方便，适用于传统的绝缘支柱式、悬挂式应用,还可组合到GIS、断路器高压设备中,共用支撑绝缘子,由此可减少变电站占地面积和工程费用。（7）不采用油绝缘，没有充油而产生的易燃、易爆炸等危险。（8）体积小、重量轻、无污染、无噪声,3.1在继电保护中的应用优势,光互感器解决了传统电磁式互感器的饱和以及暂态精度低等问题，简化保护算法中为此增加的大量附加判据；能真实、快速地反映故障过程中非周期和高次谐波等暂态分量。使基于暂态量的保护能在暂态过程尚未结束前就正确动作于跳闸，提高继电保护的快速性、灵敏度和可靠性。采用光纤传输保护信号，传输损耗小，不需要信号中继装置，可在较长的线路内实现保护。可直接输出数字信号给微机保护装置，简化保护装置中测量系统的硬件配置。,3.2在智能变电站中的应用优势,智能变电站的基本要求：全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化。电磁互感器明显不能满足这些要求。,智能变电站二次电缆用光纤代替，一次高压系统和二次系统从电气上完全隔离。真正实现独立的过程层。互感器提供标准的数字接口信号，使全站具有统一的数据通信平台，实现数据共享。,3.3在高压直流输电系统中的应用优势,高压直流输电作为一项成熟可靠的大容量、远距离输电技术，在我国跨省、区联网工程中发挥了重要作用。我国目前已顺利实施800kV直流输电工程，并向1000kV发展。直流互感器的技术比交流互感器复杂，制造难度大，国内用量少，且事故率很高，所以一直没有得到推广。但是高压直流输电系统建设必须配套可靠的直流互感器，以实现可靠的计量、监测、控制和保护。,光互感器在高压直流输电系统中应用优势：光学原理互感器的测量原理决定其可直接用于测量直流量；高低压侧通过光纤传输，从结构上保证了电绝缘性能，而且光纤本身绝缘性能好；所以光互感器非常适于高电压等级的系统尤其是超高压和特高压输电系统以提高设备安全性、降低成本并减少绝缘故障率。且电压等级越高，制造成本越占优势。,3.4在动态监测中的应用优势,“准确测量任何时刻的一次值”是互感器的理想测量品质。电磁式互感器的测量准确度等级一般只能满足稳态测量的要求，在短路等暂态过程中无法实现准确测量。光电式互感器无无饱和现象，动态响应性能优越，使其能精确地测量各种非周期分量及各种交流谐波分量,能很好的满足暂态过程测量和监测，故障录波、故障定位的需要。,近年来，为防止破坏性电力系统灾难发生，以相量测量单元PMU为基础，提供电网准确动态过程测量数据的广域测量系统将成为电网安全防御体系的基础测量系统o光互感器无论在稳态还是在暂态情况下，都能够真实反映一次值的频率、幅值和相位，将会促进电网安全防御和稳定控制系统的建设，并大幅度提高其准确性和稳定性。,4制约光互感器应用普及的因素,与传统互感器相比,光互感器在理论上存在着较大的优势,但在工程实际应用中面临诸多新问题,阻碍了光互感器的实用化进程。案例：某110kV数字化变电站110kV母联采用光电式电流互感器，2011年7月份，投入运行仅半个月后，A相CT数据混乱，飘忽不定，停电后由厂方技术人员配合检查发现，产生上述现象为传感部分的信号调理板与信号处理板之间的连接件松动所致。在某采用光互感器的高压直流输电系统换流站中，因为测量端子箱受潮，光纤通道干扰、故障等原因多次导致继电保护误动。,除光路，电路等硬件易坏，工作不可靠之外。从理论角度分析，光互感器在工程上存在的主要问题是：温度对测量精确度的影响以及长期运行的可靠性。温度对光互感器测量误差的影响，一直是人们讨论的热点。温度的变化会引起光路系统的变化，晶体除磁光/电光效应外的弹光效应、热光效应等干扰效应，导致绝缘子内光学传感器的工作稳定性减弱。除此之外，还有很多因素会造成光互感器在电力系统中的长期可靠运行。,振动等外部干扰的影响基于光学原理来测量和传输电压、电流信号，需要光学元件稳定可靠的工作以获得较高的测量精度。但是一般光学元件较为敏感，振动等外界干扰会直接影响偏振光在光学元件中的偏转角，导致测量误差。绝缘气体导致测量误差为了实现可靠的绝缘，光电互感器往往是置于一定气压的绝缘气体(如：SF6)中，气体气压变化会对光学晶体产生气压双折射，为测量结果带来影响。,AD转换的过程导致测量误差光互感器在AD转换的过程中存在较大的角度误差。在光互感器对采集到的模拟量转换为数字量的AD转换中，会带来较大的角度误差，从而对测量准确度带来了一定的影响。二次接口标准问题光互感器的一般输出都是驱动能力较小的小功率模拟信号或数字信号，与大部分现有的电力二次设备接口不统一，也是制约光电互感器广泛使用的一个重要因素。,系统组装过程中的测量误差采用光学晶体的互感器，在系统组装过程中偏振角度的对准、连接粘胶的长期稳定性和粘接的一致性等都会为光学互感器带来测量误