電力系統中光電電流互感器研究

電力系統中光電電流測量技術(shù)是國內外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，光電電流互感器是未來(lái)電力工業(yè)電流測量發(fā)展的趨勢。文中基于傳統的電流互感器，利用數字調制和光功率推動(dòng)技術(shù)，對有源光電電流互感器進(jìn)行了研究；基于法拉第效應，利用相位補償和傳感頭組裝技術(shù)，研制了塊狀玻璃式無(wú)源光電電流互感器。同時(shí)還討論了幾種光電電流互感器的發(fā)展狀況。
關(guān)鍵詞：電力系統； 電流互感器； 測量
中圖分類(lèi)號：TM 452

STUDY ON OPTICAL CURRENT TRANSFORMER IN POWER SYSTEM

Wang Tingyun, Luo Chengmu, Tian Yuxin
(Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract：In recent years, considerable effort has been devoted to the optical current measurement technology, which is an attractive but difficult subject. The optical current transformer (OCT) will be used to replace the conventional current transformer in the future. Based on the conventional current transformer, the paper presents an active OCT by utilizing A/D data modulation and optical powered technology. Based on Faraday effect, a bulk-glass passive OCT is developed by using phase compensation and sensing head assembly technique. The development of the optical current transformers is also discussed.
　　This project is supported by National Natural Science Foundation of China (No.59377326) and Post-Doctoral Science Foundation of China.
Keywords：power systems; current transformer; measurement▲

0　引言

　　電流互感器是電力系統中進(jìn)行電能計量和繼電保護的重要設備，其精度及可靠性與電力系統的安全、可靠和經(jīng)濟運行密切相關(guān)。然而隨著(zhù)電力工業(yè)的發(fā)展，電力傳輸系統容量不斷增加，運行電壓等級也越來(lái)越高，目前我國電網(wǎng)的最高電壓等級已達500 kV,下一個(gè)電壓等級也許是750 kV或1　　000 kV。此時(shí)，傳統的電磁式電流互感器暴露出一系列嚴重的缺點(diǎn)：電流互感器的絕緣結構將非常復雜，造價(jià)也會(huì )急劇增加；由于電磁感應式電流互感器所固有的磁飽和、鐵磁諧振、動(dòng)態(tài)范圍小、頻帶窄以及有油易燃易爆等缺點(diǎn)，已難以滿(mǎn)足新一代電力系統在線(xiàn)檢測、高精度故障診斷、電力數字網(wǎng)等的發(fā)展需要。尋求更理想的新型電流互感器已勢在必行，目前注意力已集中到光學(xué)傳感技術(shù)，即用光電子學(xué)的方法來(lái)發(fā)展所謂的光電式電流互感器（optical current transformer,簡(jiǎn)稱(chēng)OCT）［1］。與傳統的電磁式電流互感器相比，光電式電流互感器具有抗電磁干擾、不飽和、測量范圍大、頻帶寬、數字信號傳輸、體積小 、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。光電式電流互感器從傳感頭有無(wú)電源供電的角度可分為有源OCT和無(wú)源OCT兩大類(lèi)。有源OCT又分為頻率調制式、脈沖調制式、數字調制式及強度調制式；無(wú)源OCT可分為全光纖式、光電混合式、塊狀玻璃式。盡管OCT已研究了20多年，經(jīng)過(guò)了大量的理論分析、實(shí)驗研究及掛網(wǎng)運行，但到目前為止還沒(méi)有一種大批量的商品化產(chǎn)品投放市場(chǎng)［2］。其根本原因在于：雖然原理、技術(shù)可行，但要在高電壓、高電磁干擾、高溫差變化等環(huán)境影響下長(cháng)期、穩定、可靠地運行還需付出更多的努力。
　　本文的目的就是針對以上存在的問(wèn)題，結合我國的國情，介紹作者在有源OCT和無(wú)源OCT方面做的一些研究，以利于加速我國在這方面的研究、開(kāi)發(fā)和實(shí)用化進(jìn)程。

1　有源OCT

　　有源OCT就是基于傳統的電流互感器(TA)，利用有源器件調制技術(shù)，以光纖作為信號通道，把高壓側轉換的光信號傳到地面進(jìn)行信號處理，得到被測信號的裝置。這種互感器的特點(diǎn)是，既利用了光纖系統提供的高絕緣性的優(yōu)點(diǎn)，顯著(zhù)地降低了電流互感器的制造成本、體積和重量，又充分發(fā)揮了被電力工業(yè)界廣泛接受的常規TA測量裝置的優(yōu)勢，同時(shí)還避免了傳感頭光路的復雜性及全光纖傳感頭線(xiàn)性雙折射、塊狀玻璃全反射相位差等技術(shù)難點(diǎn)。
　　早在70年代清華大學(xué)電機系就從事過(guò)有源OCT的研究，它在傳統TA基礎上，使用光輻射內調制的方法實(shí)現OCT，光纖只用來(lái)傳遞被電流調制的光強信號，起電位隔離作用。在高壓母線(xiàn)上，串有2個(gè)TA，分別為供電TA和取樣TA，供電TA給處于高電位的傳感部分提供電源。由于這種方案在高壓母線(xiàn)上取供電電源，而母線(xiàn)電流變化很大，電源系統的可靠性較低；另外由于當時(shí)光電子器件可靠性低、體積大，所以試制的樣品體積也較大，并且不適合長(cháng)期的戶(hù)外運行。目前，我們在原來(lái)研究、實(shí)驗的基礎上，對幾種有源OCT 的調制方式進(jìn)行比較，采用了一種先進(jìn)、實(shí)用的方案，它利用光功率推動(dòng)原理給高壓供電，并在高壓側采用數字調制方式。利用地面的強激光源，將光能通過(guò)光纖傳至高電位處，再由光電池將光能轉換為電能，并用此電能給有關(guān)的功能電路部分供電。近年來(lái)由于光電子學(xué)的迅速發(fā)展，高功率的半導體激光器以及光電轉換的光電池都達到了很高的指標，給這種方案的實(shí)現帶來(lái)了很大的可能性。原理框圖如圖1所示。

圖1　有源OCT原理圖
Fig.1　Scheme diagram of active OCT

　　在此系統中，被測高壓電流信號經(jīng)一個(gè)特制的TA變換為適當的電信號；再把電信號輸入調制器，用調制器的輸出去驅動(dòng)光源，以便用數字方法調制作為載波的光波。在光源處實(shí)現電—光變換，把電信號變?yōu)閿y帶信息的光信號。光源采用發(fā)光二極管LED。光信號通過(guò)光纖傳到接收部分，在此，光纖作為傳輸媒介。在接收部分，先由光電探測器實(shí)現光—電轉換，把帶有信息的光信號變?yōu)殡娦盘?，光電探測器采用PIN光電二極管。然后把光電探測器輸出的信號經(jīng)放大后再進(jìn)行解調，以得到和原始信息相近的信號。圖中高壓側的供電電源由地面500 mW的半導體激光二極管LD用光纖把能量推動(dòng)到高壓側，經(jīng)過(guò)高轉換效率（40%左右）的光電池PPC把光能變?yōu)殡娔?，通過(guò)DC/DC變換電路處理、整定后，可得到穩定的約80 mW供電電源功率，傳感頭的后級電路都采用CMOS器件，以降低電路的功耗。經(jīng)過(guò)實(shí)驗測試，傳感頭部分的電路消耗功率約為50 mW。
　　在低壓區的接收部分是一個(gè)信號解調電路，它先將光信號轉換成電信號，經(jīng)過(guò)前級放大和解調后，一路送入D/A轉換器進(jìn)行模擬信號的還原，另一路直接送入計算機或數字信號處理器件進(jìn)行信號的處理和計算，并采用軟件方法對信號進(jìn)行誤差矯正。這樣，系統的不穩定性和誤差將大大減小。另外，隨著(zhù)近年來(lái)對繼電保護設備要求的不斷提高，提供數字化的電流信號已經(jīng)成為大勢所趨，接收部分的數字通道正是適應這種發(fā)展的產(chǎn)物。

2　無(wú)源OCT

　　無(wú)源OCT就是傳感頭部位沒(méi)有電源供電的光電電流測量裝置。無(wú)源OCT多采用法拉第磁光效應和干涉原理，以前者為主。無(wú)源OCT的特點(diǎn)是：整個(gè)系統的線(xiàn)性度比較好，靈敏度可以做得較高；絕緣性能好。它的難點(diǎn)是精度和穩定性易受溫度、振動(dòng)的影響。利用法拉第磁光效應實(shí)現的無(wú)源OCT有全光纖式、光電混合式和塊狀玻璃式。全光纖式的OCT，光纖本身就是傳感元件，結構比較簡(jiǎn)單，但光纖線(xiàn)性雙折射的問(wèn)題一直是困擾著(zhù)它的主要難點(diǎn)；光電混合式的精度受到一定的限制。目前使用最為普遍的是塊狀玻璃式無(wú)源OCT，國外掛網(wǎng)實(shí)驗運行也都是此類(lèi)型，它是最有實(shí)用化可能的類(lèi)型之一，故而我們也采用此方案。
　　采用法拉第磁光效應進(jìn)行電流測量的原理是磁光材料在外加磁場(chǎng)和光波電場(chǎng)共同作用下產(chǎn)生的非線(xiàn)性極化過(guò)程。當一束線(xiàn)偏振光通過(guò)置于磁場(chǎng)中的磁光材料時(shí)，線(xiàn)偏振光的偏振面就會(huì )線(xiàn)性地隨著(zhù)平行于光線(xiàn)方向的磁場(chǎng)大小發(fā)生旋轉；通過(guò)測量通流導體周?chē)€(xiàn)偏振光偏振面的變化，就可間接地測量出導體中的電流值。用算式表示為：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)

式中　θ為線(xiàn)偏振光偏振面的旋轉角度；V為磁光材料的Verdet常數；l為磁光材料中的通光路徑；H為電流I在光路上產(chǎn)生的磁場(chǎng)強度。
　　由于磁場(chǎng)強度H由電流I產(chǎn)生，式(1)右邊的積分只跟電流I及磁光材料中的通光路徑與通流導體的相對位置有關(guān)，故式(1)可表示為：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　θ=VKI　　　　　　　　　　　　　　(2)

式中　K為只跟磁光材料中的通光路徑和通流導體的相對位置有關(guān)的常數，當通光路徑為圍繞通流導體1周時(shí)，K=1，故只要測定θ的大小就可測出通流導體中的電流。
　　由于目前尚無(wú)高精確度測量偏振面旋轉的檢測器，通常將線(xiàn)偏振光的偏振面角度變化的信息轉化為光強變化的信息，然后通過(guò)光電探測器將光信號變?yōu)殡娦盘?，并進(jìn)行放大、處理，以正確反映最初的電流信息。一般采用檢偏器來(lái)實(shí)現將角度信息轉化為光強信息。
　　閉環(huán)式塊狀玻璃傳感頭結構如圖2所示。經(jīng)過(guò)對多種磁光材料的實(shí)驗、分析比較［3］，最后選用溫度特性好、Verdet常數較高的ZF6重鉛玻璃作為傳感頭磁光材料。在傳感頭結構設計上主要考慮2個(gè)問(wèn)題：一是線(xiàn)偏振光在2種不同界面上發(fā)生全反射時(shí)，電矢量相互垂直的2個(gè)分量之間產(chǎn)生相位差，即所謂的“全反射相位差”，影響測量精確度；二是溫度、應力等環(huán)境因素對互感器的影響。對于第1個(gè)問(wèn)題采用幾何相位補償法［4］，讓光在改變光路方向時(shí)經(jīng)過(guò)2次全反射，前后2次全反射的入射面相互垂直，使相互垂直的2個(gè)分量經(jīng)過(guò)2次全反射后相移的大小相同，而總的相位差恰巧被抵消為零。對于第2個(gè)問(wèn)題采用下列措施解決：①用剛性的熱良導體材料封閉玻璃傳感頭，良導體對外界溫度的變化能起到均勻的作用；②在良導體殼體與塊狀玻璃頭之間采用與ZF6熱膨脹系數相近的材料作為過(guò)渡介質(zhì)，這樣既可避免外殼與玻璃傳感頭膨脹系數不一樣帶來(lái)的應力問(wèn)題，又可降低傳感頭與外界的熱量交換速度；③選擇適當的基準面，采用柔性的固定方法，消除固定形變應力［5］。

圖2　磁光無(wú)源OCT傳感頭結構圖
Fig.2　Configuration of magnetooptic
non-active OCT sensing head