非常规互感器(共19页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上数字变电站中的非常规互感器1、非常规互感器的概述国际上将有别于传统的电磁型电压/电流互感器的新一代互感器统称为非常规互感器NCIT（Non Conventional Instrument Transformer），它克服了常规互感器工作时由于系统电压增高，从而使互感器的绝缘结构复杂、体积大、造价高、磁饱和、铁磁谐振、动态范围小等缺点23，具有绝缘性能和抗电磁干扰性能好、暂态响应好、体积小、造价低、频率响应范围宽、动态范围大等特点，受到普遍关注。1.1 非常规互感器的分类图1-1 非常规互感器的分类非常规互感器主要分为两类：无源光电互感器和有源电子式互感器。无源光电电流

2、互感器(POCT)依据法拉第磁光效应设计而成，具有输入与输出呈现严格的线性关系、无磁饱和现象、抗电磁干扰能力强、体积小、运输安装方便等优点，而且绝缘问题也容易解决，是目前国内外研究的热点。但由于存在光路较复杂、机械加工难度大、受环境温度影响等问题，有不少试验样机挂网运行，但达到实用化程度的还较少。无源光电电压互感器(POVT)依据Pockels电光效应设计而成，传感采用电光晶体，采用光纤传输。与传统的电磁式或电容分压式电压互感器相比具有以下优点：(1)动态范围大，频率响应宽，无饱和现象；(2)测量回路与被测高压之间通过光纤联接，做到了真正的电隔离，安全性好；(3)抗电磁干扰能力强；(4)体积小

3、，重量轻。目前无源光电电压互感器实用中遇到的最大问题是温度变化对测量精度的影响，但是由于实现难度大，成本优势不明显，尚无成熟产品。有源电子式电流互感器(AECT)一般采用线性化较好的罗氏线圈(Rogowski Coil)将一次侧电流信号通过电磁感应传到二次侧，然后对二次侧电信号进行采样并转换成光信号，通过光纤输出给保护、测控装置等变电站自动化设备。电子式电流互感器无铁芯、绝缘结构简单可靠、体积小、质量小、线性度好、无饱和现象。有源电子式电压互感器(AEVT)将一次电压通过电容或电阻分压后直接进行采样，再通过光纤传输测量信号给各种变电站自动化设备。EVT有以下特点：(1)高低电压之间实现了真正的

4、电隔离；(2)采用光纤传送信号，具有极强的抗干扰性，同时还降低了损耗。有源电子式电流电压互感器已经进入实用化阶段，在现场投入运行，其测量精度和长期运行稳定性满足要求，目前有多家制造商可以提供此类设备。无源电子式电流电压互感器虽实用化程度较小，但也慢慢发展起来了，在2004年，ABB、Nxtphase公司采用光纤熔接、数字处理、闭环控制技术，研制成功新型闭环光纤电流互感器，大大提高了互感器稳定性和可靠性，准确度达到0.2级。近几年，南瑞航天电气公司研制成功全光纤电子式电流互感器，通过武汉高压研究院的型式试验，准确度达到0.2级，已实现国内应用，挂网试运行一年，运行稳定可靠。1.2 非常规互感器与

5、常规互感器的应用区别图1-2 电磁式互感器&OET700类比常规互感器二次输出侧以1A、5A，或100V的信号形式与电能表计、控制保护等二次设备相连接，目前绝大多数二次设备厂商提供的产品也是按此匹配的。而电子式互感器的二次输出参数则完全不同，继电保护、计量仪表及测控装置等二次装置具适合数字化的特点，与电子式互感器的应用较为接近。因此，互感器的精度等级、二次侧输出参数和与之相连的二次设备匹配和无缝连接，是非常规互感器应用于工程的关键所在21。2 非常规互感器的基本原理 2.1无源光电电流互感器的基本原理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，这种OCT是通过测量由被测电流

6、引起的磁场强度的线积分来间接测量电流的11,12。根据法拉第磁光效应，线偏振光在与其传播方向平行的外界磁场的作用下通过介质（晶体或光学玻璃)时，其偏振面将发生偏转，如图2所示，偏转角可以表示为 (1)图2 法拉第磁光效应式中，为法拉第磁光材料的磁导率;V为磁光材料的Verdet常数，它与介质的特性、光源波长、外界温度等有关;H为作用于磁光材料的磁场强度;L为通过磁光材料的偏振光的光程长度。为了求出上述积分实现电流测量，可以使线偏振光围绕电流形成回路，根据安培环路定律可知: (2)其中，N为线偏振光围绕电流的环路数，为被测电流。由于偏振光的偏转角是不能够被直接测量的，因此，人们利用马吕斯定律将不

7、可测的偏转角信号转换为可测的偏振光的光强信号。马吕斯定律指出，自然光经过第一块偏振器(称为起偏器)时，出射的偏振光的光强为入射自然光强的二分之一，再经过第二块偏振器(称为检偏器)后，出射偏振光的电矢量平行于检偏器的透射方向，其光强为: (3)其中，为起偏器出射偏振光与检偏器出射偏振光之间的偏振夹角。将马吕斯定律应用于光学电流互感器中，此时式(3)中的就是法拉第旋转角和起、检偏器夹角之和。为了使检偏器出射偏振光的光强获得最大，通常将起、检偏器夹角设定为可，由于法拉第旋转角很小，只有几度，式(3)就变成以下形式: (4)其中，=，光源输出的恒定初始光强。在式(1-4)中，和均为未知量，为了从一个方

8、程求解两个量，通常采用两种方法:单光路AC/DC法和双光路法。从式(4)可知，共由两个量组成，其中第一项为直流量，第一项为交流量。单光路AC/DC法就是利用为直流量而为交流量的特点，将J1通过交直流分离后再进行除法消去公共项以得到。不过，这种方法不能够用于测量直流电流，故而又出现了双光路法。在光学电流互感器的结构中，由偏振分束器来作为检偏器，既能够实现偏振光的检偏，又将出射的偏振光分成两束，这两束偏振光相互正交，各自的光强分别为1: (5)利用方程组（5），可以求解未知量: (6)光学电流互感器的实现有多种形式，主要有全光纤式光学电流互感器、块状磁光材料式光电电流互感器18-19。2.1.1

9、全光纤式光学电流互感器全光纤式光学电流互感器是以法拉第磁光效应为基础，以光纤为介质的电流测量装置，即利用光导纤维中的磁光效应来测量电流，同时利用光纤传输光信号。测量电流时，光导纤维接受从物镜传来的偏振光后，从地面向高电位导体伸出，在通过被测电流的导体上绕几圈后，再返回地面，到Wollaston棱镜进行分析，经检测器，变换成电流输出。全光纤式光学电流互感器，传光与传感部分都用光纤，又称为功能型光学电流互感器16-17，19。图2-1-1 全光纤式光学电流互感器的构成注：1激光电源 2偏振器 3物镜 4耦合器 5光纤 6 输电线 7物镜 8偏振棱镜 9检测器 10放大镜 11输出全光纤式光学电流互

10、感器的构成如图2-1-1所示，激光器1发出的光束经偏振器2变为线偏振光，经显微物镜3、耦合器4到单模光纤5中，光纤绕在高压载流导体输电线6上，导体中流过电流I，光纤便产生磁光效应，使通过光纤的偏振光产生角度为的偏振面旋转，出射光由物镜7耦合到偏振棱镜8，把光束分成振动方向垂直的两束偏振光，分别送入检测器9和放大器lO，经处理后输出信号S。全光纤式光学电流互感器结构简单、重量轻、形状随意、测量灵敏度可按光纤环数调节，但是，由于光纤内部存在线性双折射，从而影响测量精度和长期稳定性。考虑光纤内的线性双折射，法拉第旋转角9与输出信号S之间的关系可以描述为：式中：为光纤中存在的线性双折射，包括光纤内部的

11、固有线性双折射和受温度、压力或振动等外部环境因素影响引起的线性双折射的总和。K为与光电转换效率等有关的常数。为克服光纤内存在的线性双折射对全光纤式电流互感器性能的不良影响，自从20世纪70年代以来，许多研究者进行了大量有益的研究工作，提出许多改进措施。如采用光纤新工艺，用扭转光纤、退火光纤或扭转和退火工艺相结合的方法制作电流传感头13。扭转光纤可显著减小由光纤中剩余应力及几何非对称性引起的内在线性双折射；退火工艺可明显降低光纤中存在的弯致线性双折射。实验表明采用新工艺使系统灵敏度与温度稳定性均得到明显改善。还可以采用新光纤材料燧石玻璃光纤克服线性双折射问题，燧石玻璃是一种具有极小光弹性系数的较

12、理想的玻璃材料，其内在双折射及弯致双折射均小到可忽略不计。人们还提出各种不同的新型光纤传感结构来克服线性双折射的影响。如：用输入两种不同偏振态的方法分离法拉第旋转角和线性双折射；采用特殊的几何拓扑结构分离法拉第旋转角和线性双折射；全面分析输出偏振态法：用保偏光纤模式耦合法抑制线性双折射；干涉仪检测法；用Faraday反射镜消除光纤中线性双折射影响等方法。图2-1-2为串联式Sagnac干涉仪方案。两个互相正交的线偏光注入高双折射光纤的两个双折射轴后，每个线偏光在往返过程中分别利用了不同的两个光轴，致使H者总光程完全相同。经过l/4波片后线偏光成为圆偏光。若波片和反射镜之间存在Faraday效应

13、，则回偏光将产生非倒易性相位差。于是经过一次往返后每个线偏光经历两次Faraday效应，产生4的相移。其中,为N圈光纤产生的法拉第旋转角。光纤中的线性双折射由于具有倒易性而在往返中抵消掉。该设计结合了偏振检测和Sagnac干涉仪的优点，其灵敏度比Sagnac干涉仪增加了1倍，是偏振检测方案的4倍，显著降低了传导光纤对振动与温度变化的敏感程度19。图2-1-2 串联式Sagnac干涉仪方案原理图2.1.2 块状磁光材料式光电电流互感器磁光材料式光电电流互感器是依据法拉第磁光效应，将线偏振光的偏振面角度变化的信息转变为光强变化的信息，然后通过光电探测器将光信号转变为电信号，井进行放大处理，以反应最

14、初的电流信息。这种互感器传光用光纤，传感用块状光学材料。与全光纤型相比，该种互感器精度和稳定性较高，某些场合已达到实用化要求。依传感头结构不同。又可分为闭合式和集磁环式两种10。其中闭合式块状光学材料型OCT精度高、实用化程度高。如图2-1-3所示，闭合式块状磁光材料型OCT利用全反射使线性偏振光在磁光材料内围绕穿过材料中心的通电导体闭合，当通电导体通过电流时，磁光材料即受到强磁场的作用。如图2-1-4所示，激光光源l发出的激光通过光纤从控制室传输到OCT安装地点高压区，经偏振器2后，输出的偏振光射向磁光材料3，经磁光材料反射后，偏振面己有所偏转的偏振光射入检偏器5，检偏器将角度信息转变为光强

15、信息，经光纤传输回控制室后，再由光电探测器6，将光信号转变为电信号，经放大器7放大后输出并滤波，经电子电路处理后得到被测电流值。专心-专注-专业图2-1-3 闭合式块状磁光材料型OCT传感原理图 图2-1-4 闭合式块状磁光材料型OCT传感结构图注：1激光电源 2偏振器 3块状磁光材料 4输电线 5检偏器 6光电探测器 7放大镜 8输出为了获取最大的磁光调制幅度，调整起偏器、检偏器的透光轴，使两者的夹角为。根据马吕斯定律，当很小时，由（4）式可知，被旋转角调制后的输出光强为：。其中，第一项为直流量，第一项为交流量，光电接收器将此信号转化为电信号。利用电子电路进行交流与直流信号分离： 其中, 、

16、为常数, 与光电接受器的光电转换效率及电路放大倍数有关。为了消除光源功率波动的影响, 用可得最终输出（）,这样得到与被测电流成正比的输出电压信号U从而可得到被测电流的大小。块状磁光材料传感头的结构有平面多边型、四角型、三角型、环型和开口型等多种。可用于制造传感头的材料包括抗磁性材料、顺磁性材料和铁磁性材料三种。曾遍采用属于抗磁性材料的重火石玻璃，理由为：(1)火石玻璃是抗磁性材料，其verdet常数在一个较大的温度范围内基本不变，同时在被测电流很大时，也不会发生信号饱和及波形畸变15。(2)某些火石玻璃的光弹性系数小，当传感头受到应力时，在传感材料内引起的线性折射很小，因而对测量的影响很小。(

17、3)由于它是一种玻璃材料，使其可以被加工成较大尺寸以及各种结构的传感头19。2.2 无源光电电压互感器无源光电电压互感器的测量原理大致可以分为基于Pokels效应和基于逆压电效应或电致伸缩效应两种，现在研究的光纤电压互感器大多数是基于Pokels效应的。如图3所示，LED发出的光经起偏器后为一线偏振光，在外加电压作用下，线偏振光经电光晶体(如BGO晶体)后发生双折射，双折射两光束的相位差与外加电压U有如下关系9，20,24： (7)式(7)中为BGO晶体的折射率，为BGO晶体的电光系数，为BGO中光路长度，d为施加电压方向的BGO厚度，为入射光波长，为晶体的半波电压。相位差与外加电压U成正比，

18、利用检偏器将相位差的变化转换为输出光强的变化，经光电变换及相应的信号处理便可求得被测电压。图4为基于Pokels效应的光传感式电压互感器。图3光学电压传感原理图 图4 基于Pokels效应的光传感式电压互感器222 无源光电电压互感器的类型和结构目前，国内外研究的光学电压互感器的类型可以分为有分压型和无分压型。有分压型多是采用电容分压器将高电压分成一个较低电压加在电光晶体上，降低作用在电光晶体上的电压有利于提高互感器的温度稳定特性，降低绝缘要求，但是，电容分压器长期运行带来了额外的测量误差。华中理工大学设计、在广东新会市某变电站挂网运行的110 kv光学电压互感器，东京电力公司和东芝公司联合开

19、发用于保护和控制的适用光学电流和电压互感器就是采用这种结构。无分压型是指高电压直接加在电光晶体上，没有分压器，提高了测量精度，同时适当的高电压可以提高互感器的灵敏度。但由于高电压直接加在晶体上，必须防止晶体被击穿，同时对传感头的绝缘要求更高了。华中理工大学研制了110KV无分压型光纤电压互感器，采用SF6做绝缘气体，高电压就是直接加在BGO晶体上。光学电压互感器的核心部件是电压传感头，基于Pokels效应的传感头主要有横向调制和纵向调制两种结构形式19,22，分别如图5、图6所示。 图5 横向调制结构图图 图6 纵向结构调制图横向调制就是外加电场方向和通光方向互相垂直，图5所示是双光路横向调制

20、结构图。这种结构经常用在有分压器的光学电压互感器中。调节电极间的距离以降低电场强度的大小实现对高电压的测量，这时也可以不需要分压器，高低压电极之间用绝缘材料连接起来。电光晶体处在电场中，受该电场作用。横向调制结构简单、造价低，但是电极间的距离受温度的影响而变化，引起电场强度的改变，从而影响互感器的稳定性；外电场和极间电场分布对互感器也有影响，因此应该采取措施加以克服。纵向调制就是通光方向与外加电场方向一致，如图6所示。沿两极间的电场积分与路径无关，即以与路径无关，所以这种结构的半波电压与晶体的外观尺寸无关，外电场的干扰和极间电场分布的不均匀都不会对电压测量造成影响，传感头的设计相对比较容易。设

21、计中应注意内部晶体绝缘和传感头内外绝缘。2.3 有源式电子式电流互感器作为从电磁式电流互感器向光纤电流互感器的过渡产物的有源电子式电流互感器目前己进入实用化阶段。该型互感器的传感头不是光学元件，而采用了传统的空心互感器(即Rogowski线圈)14,25。Rogowski线圈实际上是一种具有特殊结构的空心线圈，也是一种较理想的敏感元件，它将测量导线均匀地密绕在截面均匀的非磁性材料的骨架上，消除了磁饱和现象，线性度好，测量频带宽，提高了电磁式电流互感器的动态响应范围。它根据被测电流的变化，感应出被测电流变化的信号，反应速度快，可以测量前沿上升时间为纳秒级的电流，且精度可高达0.1%。它不与被测电

22、路直接接触，可方便地对高压回路进行隔离测量。如图7所示，若线圈的匝数密度n及截面积s均匀，Rogowski线圈输出的信号与被测电流有如下关系： （8）如图8，式中e(t)经积分变换及AD变换后由LED转换为数字光信号输出，控制室的PIN及信号处理电路对其进行光电变换及相应的信号处理便可输出供微机保护和计量用的电信号20。（OET700系列数字式电流传感器如图8）。 图7 Rogowski线圈 图8 有源电子式电流互感器结构示意图Faraday电磁感应原理是Rogowski线圈电流互感器的传感基础，这在基本原理上决定了Rogowski线圈电流互感器不能用于测量稳恒直流。对于变化比较缓慢的非周期分

23、量的测量也有一定局限性，即基于Rogowski线圈原理的电流互感器存在测量信号频带的限制。2.4 有源式电子式电压互感器目前，基于电阻分压器的电压互感器最高只做到132 kV电压在超高压交流电网中使用还将会受电阻功率和准确度的限制，实际使用不多。从测量原理上分析,基于电容分压的交流高电压测量系统优点十分明显,但是现在普遍采用的电容分压型EVT在一次传感结构和电磁屏蔽方面均存在较为严重的缺陷,其应用尚需要积累工程经验。有源电子式电压互感器多采用电容式分压器26，原理图如图9。图9 电容式分压器等效电路图 图10 有源电子式电压互感器的结构示意图电压传感器的工作基于电容分压器，电容分压器的中间电极

24、与一次导杆形成的高压电容C由下式确定： （9）式（9）中b是中间电极的长度，D是中间电极的内径，d是高压一次导杆的直径。C是压缩气体介质电容，其稳定性较好。中间电极与接地外壳形成电容分压器的另一电容，是固体介质电容，其温度稳定性和时间稳定性均不能满足高精度测量的要求。为了提高电压测量的精度，在两端并联一个精密取样电阻R，如图9所示。电压传感器的输出与被测电压的关系式为： （10）若,为被测电压的角频率，则(2-5)式可简化为： （11）上式表明，若，则电压传感器的输出与被测电压的微分成正比，利用电子电路对进行积分变换便可求得被测电压。图10所示为有源电子式电压互感器的结构示意图。被测高压经电容

25、分压器分压后，经信号预处理、A/D变换及LED电光转换，以数字光信号的形式送至控制室，控制室的P1N及信号处理电路对其进行光电变换及相应的信号处理，便可输出供微机保护和计量用的电信号。（OET700系列数字式电压传感器）有源电子式ECT、EVT的一次高压侧有电子电路，其电源的供给方式主要有两类，一类是光供电，即控制室内LD发出的光由光纤送至高压侧,再经光电变换转换为电能供电路工作;另一类是利用一小CT从高压线路上获取电能供电路工作20。目前有源式ECT、EVT的已进入实用化的阶段。在光学互感器稳定性、测量精度没解决之前，这是另一条发展数字化的道路，无源光电互感器可能更适合超高压电网。3 非常规

26、互感器存在的问题3.1 有源型式互感器存在的问题有源型式互感器工作时需要工作电源，利用激光供电技术对高压侧电子模块进行供电，激光供电的合并单元与有源互感器之间的物理距离受到一定限制，激光供电器件的稳定性直接影响互感器的使用效果。另外，Rogowski线圈易受电磁干扰，其输出的信号与其结构有很强的相关性，易受温度变化，影响电子线路测量准确度，因此在运行中应严格屏蔽传感线圈。主要研制难点有以下几方面18：(1)传感头电源的供应问题和电子线路功耗问题；(2)传感头的抗干扰问题；(3)信号的传送和接收等。3.2 无源型式互感器存在的问题无源型互感器存在测量精度不稳定且有偏差的问题，这是由于线性双折射现

27、象及发光源（LED)器件发光强度下降、光传输环节引起偏振角变化和不同材料的维尔德常数受外界温度的影响也不同等因素造成的。基于法拉第磁光效应的光学电流互感器的研究已经取得了许多可喜的成果。然而，目前光学电流互感器还是难以实用化，存在着许多难题问题没有解决，如温度和双折射引起的精度问题等;从光学电流互感器的外特性来看，光学电流互感器实用化的难点主要是:（1）测量精度受到运行环境温度的影响，达不到计量的要求;（2）运行稳定性差，无法在现场长期使用。 基于Pockels电光效应的光学电压互感器(OVT)测量品质优良，不存在运行安全性问题，长期受到世界电力系统界的关注。由于存在测量精度的温度漂移问题和运

28、行可靠性问题，目前还达不到工业化应用的程度，离实际应用还有一段距离，还有很多问题需要解决，这些问题主要有22：（1）光源光学电压互感器用的光源多是LED，它具有较长的使用寿命、可靠性高。试验研究表明，随着环境温度的变化，LED的中心波长会发生漂移，温度变化的LED，中心波长受工作电流的影响也较大，波长的变化会引起相位延迟的变化。同时，光强与激励电流成正比，光强变化会影响测量的精度，因此有必要保持LED装置的恒温和激励电流的恒定。（2）光电检测光电转换中的响应电流十分微弱。信号处理电路应该严格限制温漂的影响和外界电磁场的干扰。故需要采取有效的屏蔽措施，同时设计合理的电路也是减少噪声、提高信噪比的

29、方法。光源和光电检测可以先调制好。然后放在一个恒温的装置里，由于这些设备都是在控制室里。所以温度的恒定是可以做到的。（3）传感头目前，所用的电光晶体中多数是BGO晶体。实际的BGO晶体存在两种典型缺陷：沉淀和黄颜色。沉淀物会引起双折射，带来附加的相位延迟。同时，晶体还存在弹光效应、热光效应、吸收和色散、旋光性的影响，晶体的折射率都会发生变化。因此，要求使用纯净且经多次提拉的BGO晶体；改善加工和生长工艺，降低内部残余应力和不均匀性；减少温度变化以提高传感器的精度。在光学电压互感器中较多的采用了14波片，它受温度变化的影响较大，应加以重视，通过适当的改进可以减少甚至消除它的影响。光学材料的温度稳

30、定性是一个重要的内容，应选择受温度影响小的材料以降低温度对测量结果的影响。因为传感头置于室外，受环境影响较大，必须采取措施加以克服。（4）光纤光纤传输信号过程中存在模式噪声，它是一种乘性噪声，如果光源的相干性强，光纤的模间色散小，各模间可产生干涉；接头工艺的限制，只有部分光功率(或光斑)通过接头；光源频率的微小漂移或光纤的微弱振动会使光功率发生变化。模式噪声的存在影响测量精度。由于光纤长度一般不长，可以采用半导体发光二极管LED，发射的是非相干的光，能与多模光纤配合使用，而且相干性较差的LED，可减小模式噪声。同时，应尽量改善光纤接头性能，避免光纤扰动22。4 制约光学电流互感器实用化的原因及

31、相应解决方法 基于Faraday磁光效应的OCT是一种开环的测量结构，光路的任何环节出现的误差，都会直接影响最终的测量结果。导致OCT测量精度不高的外因是环境温度，内因则是OCT自身的开环机理，环境温度的外因也只是由于OCT开环机理的内因才能起作用。为了解决OCT的温漂问题，与其等待遥遥无期的小温漂Faraday磁光材料的诞生，不如寻求一种可以自动剔除干扰，包括温漂干扰的光学电流测量新原理。光学电流互感器有块状玻璃传感和光纤传感两种结构。对于光纤传感结构，由于温度对线性双折射的影响更为严重，所以研究工作主要集中在块状玻璃结构上，并趋向采用双层光路的传感结构。这样做的最重要理由是：按照安培环路定

32、律，块状玻璃的双层闭合光路被认为是理想的抗电磁干扰的光学传感结构。然而，这种结构的光路结构复杂光程长、环节多，光路的转向靠全反射实现，而反射面长期暴露在空气中，非常容易着灰或受到腐蚀，使全反射条件遭到破坏，光强产生很大损失。这些因素的综合，使得光学电流互感器的运行稳定性大大降低，最终导致OCT失去了测量电流的功能。OCT的长期运行稳定性成为了阻碍OCT实用化的主要原因之一。4.1、自适应光学电流互感器4.1.1光学电流互感器的开环机理（1）Faraday磁光效应数学模型一束沿着外磁场方向在磁光材料中传播的线偏振光的偏振面在外磁场作用下发生旋转，旋转角度与磁场强度和在磁光材料中与磁场发生作用的长

33、度以及磁光材料的性质有关，这种现象称为Faraday磁光效应。线偏振光可以分解为两个相反转动的左、右圆偏振分量，这两个分量无相互作用地以不同速度、以进行传播。出射后的两个分量之间仅存在相位差，合成后光仍为线偏振光，但其偏振面向对于入射光旋转了一个角度 (法拉第旋转角)： （12）式（12）中和分别为左、右旋圆偏振光的折射率，它们是有效场的函数，有效场包括外磁场和温度作用场，L为传播距离。光电转换器对于法拉第旋转角并不响应，为此，须应用马吕斯定律，将不可测的偏转角转化为可测的偏振光的光强信号。由光源发出的自然光经过起偏器后成为线偏振光，入射到有外磁场作用下的磁光材料中，经过偏振分束器分成两束光，

34、分别入射到两只光电转换器中。两只光电转换器所接收的光强分别为式（5）法拉第旋转角以通过对的运算得到，如式（6）。（2）线性双折射的数学模型温度变化对光学电流互感器的影响不仅引起了磁光材料Verdat常数的变化，而且在磁光材料中产生了线性双折射，使得原来的线偏振光转变为椭圆偏振光，从而产生了误差，反映在两只光电转换器所接收的光强由式(14)转变为 （14）其中，为线性双折射。（3）光电转换的数学模型光电转换器将携带有被测电流信息的光信号转换为计算机可测的电信号。根据光电转换器的特性，其输出方程可以用式(15)表示 （15）式（15）中为输出电流；为照射到光电转换器上的光通量；为光电转换器两端的电

35、压；表示光电探测器输出端短路时，单位光通量变化所产生的光电流变化量，称为光电探测器的灵敏度；表示光通量为常量是光电探测器的电导参量。（4） 光学电流互感器的开环机理分析由以上数学模型构成了光学电流互感器的系统特性框图，如图11所示。从图中可以看出，在输入量、和与输出量之间只有正向作用而没有反馈作用，由控制论可知，OCT的特性就是开环特性。实际上，OCT测量值是对被测电流和温度等因素的综合反映；OCT的总体测量精度取决于各个部分的精度，只有当各个部分的精度远高于总体精度，这样OCT的测量精度才可能满足实际需要。事实上，这样的要求对于OCT而言是无法满足的。图11 光学电流互感器的系统特性框图1在

36、图11中，虚线框1描述的是法拉第磁光效应，虚线框2描述的是线性双折射和OCT的直接时域调制;虚线框3描述的是OCT的光电转换系统;虚线框4所描述的是将OCT光电转换后的电压信号经过一个可以整定的比例系数K后输出到计量仪表或继电保护装置中。 从图11可以看出，在输入量,T 和与输出量之间只有正向作用而没有反馈作用。由控制论可知，光学电流互感器的系统特性就是开环控制特性。对于光学电流互感器而言，每一个输入量就对应于一个相应的工作状态和输出量，光学电流互感器的测量值实际上是对被测电流和温度等因素的综合反映。光学电流互感器的总体测量精度取决于各个部分的精度，只有当各个部分的扰动很小(要远小于其总体精度

37、的要求)，而且温度对光学电流互感器测量精度的影响也很小(也要远小于其总体精度的要求)，这样光学电流互感器的测量精度才可能满足实际需要。事实上，这样的要求对于目前的光学电流互感器而言是无法满足的。温度作用于光学传感过程后产生了双折射，导致在原法拉第旋转角上乘以一个系数，这个系数无法直接测量且随温度的变化而变化。由于光电转换系统是电子器件，其输入输出之间的比例关系并不是恒定的，它会随温度的变化而波动的。在常温的实验室中，由于温度恒定使得光学电流互感器各个部分的系数变化都微小，这些系数的波动不足以影响光学电流互感器的整体测量精度，通过整定合适的比例系数K，光学电流互感器就可以输出高精度的二次电压信号

38、。但是，在实际的运行环境中，变化的温度在有些时间内梯度很大，使得远大于，此时光学电流互感器的精度就根本不可能满足测量的要求了。导致OCT测量精度不高的外因是环境温度，内因则是OCT自身的开环机理，环境温度的外因也只是由于OCT开环机理的内因才能起作用。如果OCT具有了闭环系统特性，那么环境温度对OCT测量性能也就不具有决定作用了，即OCT的开环机理才是它在实际应用中测量精度难以满足要求的根本原因。OCT在本质上是开环系统，若要实现OCT的高精度测量，就必须从外部为OCT引入新的独立变量，构成自适应光学电流传感原理1-8，才能彻底解决OCT测量温漂的难题，从而实现OCT的实用化。4.1.2 自适

39、应光学电流互感器解决测量精度的温漂问题考虑到OCT 自身所特有的开环特性，若想实现高精度测量，就必须从外部为OCT 构成闭环系统。现场实际运行证明了通过测量环境温度来对OCT 进行补偿以实现闭环系统的方法是不可取的。为了能够综合提高对电力系统稳态和暂态电流的测量准确度，文献2提出了一种新型的自适应光学电流互感器（Adaptive Optical Current Transducer简称AOCT），如图12所示。图12 自适应光学电流互感器的系统结构图在AOCT 中，稳态电流参考模型和OCT 的一次线圈相串联来测量同一电流，其中稳态电流参考模型的作用是提供高准确度（0.2 级）的稳态电流测量值。

40、在电力系统稳态时，根据稳态电流参考模型的测量值，应用Kalman 滤波3和自适应技术1对OCT 进行校正消除外界因素对OCT 准确度的影响，并且计算得到自适应校正系数，通过横向滤波器组来应用所得到的自适应校正系数，使得AOCT的准确度达到参考模型的稳态测量准确度。当电力系统出现故障时，立即停止计算新的校正参数，采用故障前一时刻稳态所计算出的自适应校正系数，通过横向滤波器组直接输出。由于外界因素对OCT的影响在暂态过程中是不变的,在故障前后的自适应校正系数也就不变,因而在故障后自适应OCT的准确度就达到了参考模型稳态准确度的水平 由于故障后的校正参数并不是以故障后参考模型的输出为基础计算出的,因

41、此故障后由饱和等原因引起的参考模型的输出误差就不会对OCT的暂态准确度产生影响。电力系统由稳态向暂态转变瞬间会在被测电流中出现奇异点,应用实时小波分析1就可以检测出转变时刻,以闭锁计算校正参数的自适应滤波。文献3将具有递推持性的Kalman滤波理论引入到自适应滤波中，针对Kalman自适应滤波可能出现的由于计算舍入误差所引起的发散和时变噪声统计问题，提出了具有时变噪声统计的平方根Kalman自适应滤波。4.2 螺线管聚磁光学传感技术 4.2.1 螺线管聚磁光学传感原理从光学电流互感器的原理可以知道，光学电流互感器实际上是测量平行于偏振光传播方向的通电导体所形成的磁场，因此，为了能够通过光学系统

42、测量电流，必须满足偏振光与电流所形成磁场之间的关系，同时，在光学系统的光路结构上也必须满足偏振光学原理。目前人们所研究的光学传感头均以偏振光围绕通电导体旋转的双层光路传感原理的结构形式，如图13所示，在这两种光学传感头的结构中，偏振光的光路与电流方向是满足正交关系的。图13(a)为单光路传感头结构，是一种应用比较普遍的光学传感头结构，它包括4块条状光学玻璃和6块直角棱镜，两个条状玻璃的端面分别为入射面和出射面，直角棱镜斜面为传感头的反射面;通过六个反射面偏振光进行了六次全反射而围绕通电导体旋转一周。图13(b)为多光路传感头结构，它由4块矩形棱镜、一块小的直角棱镜构成。通过改变入射光处的小玻璃

43、棱镜以调节光的入射点位置，可以改变闭合光路的圈数，使得光路多次环绕载流导体。图13 偏振光路围绕通电导体旋转的双层光路以上两种结构的光学传感头之所以能够测量电流，就是使偏振光与电流所形成磁场之间满足电磁场的安培环路定律。这种传感系统就是通过双层光路结构使偏振光围绕着无限长通电导旋转来测量电流的，我们形象地称之为“光绕电”光学传感原理。在这里，不考虑安培环路定理中的电流和磁场的具体承载形式，将无限长载流直导体抽象为无限长直线型电流，将磁场抽象为以直线为圆心以同一长度为半径的无限多圆磁场。理想螺线管是由不计线条直径的密绕无限长螺线管。根据理想螺线管的定义，以直线为圆心以同一长度为半径的无限多圆磁场

44、就是理想螺线管型磁场，以直线为圆心以同一长度为半径的无限多圆电流也就是理想螺线管型电流；同时，定义“无限长直线型”电流为通过无限长载流直导体的电流，“无限长直线型”磁场是在空间中沿着某一无限长直线方向的磁场。那末，无限长直线型电流会产生理想螺线管型磁场，如果若干个无限长直线型电流平行排列，则任一直线型电流的磁场环流仅与本身的电流有关，与其他直线型电流是无关的。考虑这样的问题:将无限长直线型电流和以理想螺线管型磁场的形态互为交换，也就是，以理想螺线管型电流产生无限长直线型磁场，在这样的情形下是否存在对偶性规律呢?文献1通过一系列推导得出了三个重要的结论：结论一：理想螺线管型电流的管外磁场在螺线管

45、轴线方向上的分量为零，如果若干个理想螺线管型电流平行排列，当各个螺线管型电流之间相互不重叠，则各个螺线管型电流内部的磁场仅与该电流有关，与其他螺线管型电流无关。理想螺线管型电流所产生的磁场： （16）结论二:当无限长直线型电流和理想螺线管型电流相当时，位于管外的无限长直线型电流对于理想螺线管型电流的轴线磁场的影响可以忽略。结论三：当理想螺线管型电流与管外电流相当时，理想螺线管型电流的轴线磁场仅与自身的电流有关，与管外电流无关。在实际应用中，理想螺线管并不存在，螺线管上的导体并不能密绕，也就是出现了非密绕螺线管，尽管非密绕螺线管的轴线上的磁场不仅在轴线上有分量，在其他方向上也有分量，但是，在轴线

46、上的磁场与理想螺线管的磁场是一致的，这样，关于理想螺线管所得出的三个结论在非密绕螺线管的情形下也是成立的1。将被测电流绕制成非密绕螺线管的型式，光学传感系统制成直线型光路，位于非密绕螺线管的轴线上，偏振光通过螺线管的轴向方向测量电流，这样构成的新型光学电流测量系统与图13中的光学电流互感器在光学测量上是一致的。与“光绕电”的光学传感原理相对偶，这种“偏振光通过螺线管的轴向方向测量电流”的传感原理实际上就是“电绕光”光学传感原理。由于采用了螺线管方式使得偏振光光路上的磁场聚集且均匀，因此，我们将“偏振光通过螺线管的轴向方向测量电流”称为螺线管聚磁光学传感原理。根据法拉第磁光效应的计算公式，并将螺

47、线管轴向磁场分量代入，可得经过螺线管磁场后偏振光的法拉第偏转角为: （17）其中，V是磁光材料的Verdet常数，L为偏振光的光路长度，为真空磁导率，n为螺线管轴向单位长度内包含的线圈数，I为通过螺线管的电流。从公式(17)可以看出，V, L，和n在实际运行中均为常数，因此，法拉第偏转角与电流成线性关系。对比式和式(17)，除了比例系数不同以外，“光绕电” 和“电绕光”两种光学传感原理在光学传感测量电流的意义上是等价的。在电力系统的常规应用中，光学电流互感器分别被安装在线路的A,B,C三相上，同一条线路的三相一定是平行布置的，在相邻相线路上的螺线管及其两端的平行导线中的电流对本线路上的光学电流

48、互感器不会产生影响。当然，相邻相线路的导线不能完全平行，其所承载的电流对本线路产生了一定的影响，不过，线路相间和线路间为了满足高压绝缘的要求必须要保持足够距离的安全净距，在螺线管中的直线型光学传感系统的长度相比之下非常小，邻相线路在不完全平行时其电流对本线路产生的影响非常小，可以忽略不计。同样，在互感器安装位置附近相邻线路通常也是平行布置的，在螺线管中的直线型光学传感系统的长度与线路间的安全净距之比也是非常小，相邻线路的电流对本线路的直线型光学传感系统的影响也就可以忽略不计。这样，结合电力系统的实际情况，螺线管聚磁光学传感系统也具有抗相间和线路间的电磁干扰能力，能够满足电力系统的实际需要。4.

49、2.2 螺线管聚磁光学传感技术-解决长期运行稳定性的问题我们知道，“光绕电”的光学传感原理的一个重要优点是抗电磁干扰，这是由安培环路定律所决定的，不过，闭合光路的光学传感头具有理想的抗电磁干扰能力的充分必要条件是:偏振光在光学传感头内的传感部分必须严格保偏，也就是要求各个反射棱镜均无相移。通常采用光学胶将自聚焦透镜粘结于光学传感头上，在实际运行中由于温度的变化会使光学胶发生形变，从而使经过自聚焦透镜的光学传感头的入射光的入射方位发生变化，从而使保偏棱镜并不能完全保偏。另外，尽管在理论上应用双正交全反射法可以使保偏棱镜严格保偏，偏振光围绕通电导体旋转一周后可以测量导体中的电流，而且具有抗电磁干扰

50、能力，但是，在实践中由于光学胶合的存在出现了反射光相位差，不仅降低了光学传感头的灵敏度，还影响了光学传感头的抗电磁干扰能力。另外，根据菲涅尔(Snell) 定律，若要使入射光在媒介1和媒介2(两个媒介的折射率分别为和)界面发生全反射，就必须满足公式（18）:, (18)在实际运行中由于温度、湿度等环境因素促使媒介2的性质发生部分改变，导致在界面处的折射率变小，最终不能（平行于入射面分量的反射光(P光)的反射前后的相位差），此时，入射的线偏振光在经过界面后不仅不能保偏，而且会出现透射光，将入射光的能量大部分或几乎全部透射出去，最终达到光学传感头的光输出末端时就几乎没有光能量(基本光强为零)，对应

51、于光学传感系统而言就是静态工作点为零，光学传感头当然也就无法工作了。入射光需要通过起偏器、三个保偏棱镜、四个光学传感元件和检偏器后才能围绕通电导体旋转一周，这其中的任何一个元件出现问题都会影响到光学传感头的工作。从系统稳定性的角度上讲，若要提高系统的整体稳定性，需尽量减少入射光所经过的元件。在光学传感头中，起偏器和检偏器是系统所必需的，不能被省略：光学传感元件也是必需的，但数量可以尽量少；保偏棱镜是为了使偏振光的传播方向发生改变，如果偏振光不需要改变传播方向，保偏棱镜就可以被省略。根据“螺线管聚磁传感原理”，“光绕电”和“电绕光”两种光学传感原理在光学传感测量电流的意义上是等价的。采用“电绕光”光学传感原理：被测电流通过螺线管后产生聚磁作用，将磁场聚集于螺线管的轴线方向，并作用于偏振光的光路上，偏振光经过的光路是一条直线，不需要保偏棱镜，而且光学传感元件也只需要一个，这样光学