【文章內(nèi)容簡介】 .................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 VII 1 第 1 章 緒論 概述 互感器是電力系統(tǒng)中主要的保護(hù)和監(jiān)控設(shè)備之一，隨著電力系統(tǒng)向高電壓、大容量發(fā)展，傳統(tǒng)的基于電磁感應(yīng)原理制成的電磁式電流互感器暴露出來越來越多的問題，這就有力地推動(dòng)了電子電流互感器 (ECT)的研究與應(yīng)用。電子電流互感器是指利用備有電子器件的光學(xué)器件或空心線圈 (帶有或沒有內(nèi)嵌積分器 )或是帶有集成負(fù)載的鐵心線圈的 ,獨(dú)立的或配有電子器件的電流一電壓轉(zhuǎn)換器。其中利用光學(xué)器件對電流傳感器的或傳輸信號的 ECT稱為光學(xué)電流互感器(OCT)。對 OCT可有不同的分類方法，按照高壓區(qū)分工作單元是否需要供電 ， 通?？煞譃橛性葱秃蜔o源型兩大類；按照傳感機(jī)理和傳感頭的具體結(jié)構(gòu) ,又可分為全光纖型 (FOCT),光學(xué)玻璃型 (BGOCT),混合型 (HOCT),磁場傳感器型和其他傳感機(jī)理型。隨著光電子和光纖通信的發(fā)展，有力的推動(dòng)了新型光纖電流互感器的研究與應(yīng)用。與傳統(tǒng)的電磁式電流互感 器相比 ,光纖電流互感器有如下優(yōu)點(diǎn)：不含油 ,尺寸小 ,絕緣結(jié)構(gòu)簡單 ,不會有安全隱患 [15]； 不含鐵芯 ,不會有磁飽和現(xiàn)象；測量帶寬和精度高；使用光纖傳輸信號 ,可以有效地防止電磁干擾；易于與數(shù)字設(shè)備連接等。 由于光纖電流互感器與傳統(tǒng)互感器的輸出形式有很大的 不同 ,因此如何選擇和設(shè)計(jì)過程層 與間隔層保護(hù)測量二次設(shè)備之間的接口就成了要解決的關(guān)鍵問題。為此 ,2020年國際電工委員會第 38屆技術(shù)委員會 (IECTC38)專門負(fù)責(zé)制定了電子式電壓、電流互感器制造標(biāo)準(zhǔn) IEC600447/8； 同時(shí) ,自 2020年開始IECTC57又陸續(xù)推出了變電站通信體系和結(jié)構(gòu) IEC61850國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議 ,該標(biāo)準(zhǔn)面向未來 ,覆蓋了變電站的所有接口 ,目的是有效地解決不同廠家生產(chǎn)的自動(dòng)化系統(tǒng)的互操作性和互換性問題。 2 背景及意義 隨著我國電網(wǎng)容量的不斷增大和電壓等級的不斷提高，傳統(tǒng)的電磁式電 流互感器暴露出了一系列的缺點(diǎn)，從本身的設(shè)計(jì)原理來看： ，造價(jià)隨著電壓等級的升高而成 指數(shù)增加； ，帶窄； ，易燃易爆； ，而且含有很大的非周期分量容易引起傳統(tǒng)電流互感器 鐵心過度飽和，造成勵(lì)磁電流增大幾十倍至幾百倍，從而引起電流互感器二次側(cè)電流數(shù)值和波形嚴(yán)重失真，導(dǎo)致系統(tǒng)保護(hù)誤動(dòng)作；另一方面從目前間隔層與過程層之間的通訊方式來看，傳統(tǒng)互感器采用的是電纜線點(diǎn)對 點(diǎn)的連接方式，傳送的是模擬量存在著二次接線復(fù)雜，維 修困難的狀況。 鑒于傳統(tǒng)互感器所面臨的種種問題，電力系統(tǒng)迫切需要能克服上述 缺點(diǎn)的新型電流互感器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁式互感器。隨著光纖技術(shù)， 傳感技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展 ， 光學(xué)電流互感器正逐漸成為研究的熱點(diǎn)。光學(xué) 電流互感器是運(yùn)用了光纖傳感技術(shù)和電子技術(shù)對高壓電纜上的電流信號進(jìn)行測量和傳輸?shù)男滦突ジ?器。它有效解決了傳統(tǒng)電流互感器中存在的問題 [16]，可滿足電力系統(tǒng)計(jì)量和繼電保護(hù)中的應(yīng)用要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。 光學(xué) 電流互感器的優(yōu)點(diǎn)在于： ，高壓低壓隔離，絕緣結(jié)構(gòu)簡單； ， 無磁飽和，鐵磁共振 和磁滯效應(yīng)，暫態(tài)響應(yīng)好，穩(wěn)定性好； ，低壓側(cè)無開路危險(xiǎn)； ，測量精度高； 。頻率范圍受后面的信號處理電路的限制； ； ，微機(jī)化，自動(dòng)化的發(fā)展潮流； 3 光學(xué) 電流互感器的基本裝置與電壓等級無關(guān)，應(yīng)用于不同的電壓等級時(shí)只需改變設(shè)置參數(shù)和絕緣設(shè)施，電壓等級的提高不會帶來設(shè)備費(fèi) 用的大幅增加。現(xiàn)在隨著電子技術(shù)的發(fā)展，光纖電流互感器在整機(jī)性能 可靠性和使用壽命等多方面都已經(jīng)超過了傳統(tǒng)的電流互感器。 雖然光學(xué) 電 流互感器 有很多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在許多問題值得研究和改進(jìn)，其中有全光纖型電流互感器的固有雙折射難以處理。普通硅光纖的維爾德常數(shù)較小，光線固有雙折射會傾向于淹沒法拉第旋轉(zhuǎn)角。增加傳感光纖圈數(shù)可以提高靈敏度，但同時(shí)也會增加 本征 雙折射和彎曲引起的線性雙折射，所以就起不到增加靈敏度的效果。光纖的固有雙折射和維爾德常數(shù)海域溫度有關(guān)， 這樣就更難于 控制互感器的精度。全光纖 互感器自被提出近 30年來，一直圍繞這固有雙折射和溫度穩(wěn)定性的問題進(jìn)行研究。 國內(nèi)外光學(xué) 電流互感器的發(fā)展?fàn)顩r 國外發(fā)展情況 國外對光學(xué) 電流 互感器的研究于 20世紀(jì) 60年代開始，到了 8090年代，已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化和產(chǎn)品化的階段，到目前大約有 2020多臺光纖電流互感器在掛網(wǎng)運(yùn)運(yùn)行。 在這方面技術(shù)的研究中美國比較領(lǐng)先。 美國五大電氣公司 各自在 1982年左右成立了光學(xué) 電流互感器專題研究小組在 19861988年實(shí)現(xiàn)了 161kV獨(dú)立式光纖電流互感器 ， 1987年 161kV的以繼電保護(hù)為主的以及 1989年 5月 1992年的 345kV,202020A,器的掛網(wǎng)運(yùn)行成功 ,其中最具代表性的是 ： 1986年美國的田納西州流域電力管理局在其所 屬的 Chkamauga水壩電力編組站安裝了第一臺單相 ,高電壓光學(xué)計(jì)量用的電流互感器 ,可靠運(yùn)行兩年多后拆除 。 西州電力流域管理局 在 1987年第二次安裝的光學(xué)計(jì)量系統(tǒng)是在其所屬的 Moccassin電站完成的 ,與 1986年相比 ,擴(kuò)展為三相計(jì)量 。 經(jīng)過六個(gè)多月的測量千瓦小時(shí) ,全光學(xué)計(jì)量系統(tǒng)和傳統(tǒng)互感器系統(tǒng)比 4 較 ,相差不到 1%。西州電力流域管理局 在它所屬的 Oglethorpe電站和 石化燃燒站之間的電力編組站安裝了第一個(gè)以光學(xué) 電流互感器為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)系統(tǒng) ,到1990年 9月報(bào)導(dǎo)之日為止 ,比較的結(jié)果是令人鼓舞的 。 僅在 1990年 7月 8日一天 ,光學(xué) 電流互感器系統(tǒng)就正確地響應(yīng)了由于雷暴雨而引起的 6個(gè)故障 [17]。 1991年 6月 ,ABB電力 Tamp。D有限公司公布了用于計(jì)量和繼電保護(hù)用的 345kV電站的光學(xué) 電流測量系統(tǒng) ,并在運(yùn)行四個(gè)月之后 ,與標(biāo)準(zhǔn) CT比較所展現(xiàn)出來的僅是 %的誤差 。 日本也早在 1981年起組織了五大電氣 公司對光學(xué) 電流互感器理論 ,材料 ,性能等進(jìn)行了研究。要求達(dá)到的 l級 , ,以組合式為主 ,獨(dú)立式為輔 ,現(xiàn)已基本達(dá)到研究目標(biāo)。 1996年 ,日本日立公司電力工業(yè)系統(tǒng)研究開發(fā)小組 ,使用了塊狀玻璃 OCS,用于 400MW抽 水蓄能電站 ,額定電流 8000A。 1997年 ,該公司成功地開發(fā)出 115kV、 550kV、 2020A組合式光電傳感器和 69kV、 765kV、 2020A組合式光電傳感器。如今 ,日本研制出了用于 OCS[18]。歐洲方面 ,英國利物浦大學(xué)電機(jī)系也在進(jìn)行混合式光電電流互感器的研究 ,德國著名的傳感器公司也在和德國大學(xué)聯(lián)合開發(fā)無源式和有源式光電電流互感器。 歐 洲方面 ,英國利物浦大學(xué)電機(jī)系也在進(jìn)行混合式光電電流互感器的研究 ,德國著名的傳感器公司也在和德國大學(xué)聯(lián)合開發(fā)無源式和有源式光電電流互感器。 1991年 6月 ABB電力 Tamp。D有限公司公布了用于計(jì)量和繼電保護(hù)用的 345kV電站的 OCT系統(tǒng) ,并在運(yùn)行四個(gè)月后 ,與標(biāo)準(zhǔn) CT相比較誤差僅為 ％。 1994年 ,ABB公司又推出了有源光電式電流互感器 ,電壓等級為 ,額定電流為6006000A。 3M公司在 1996年開發(fā)出用于 138kV的全光纖電流測量模塊 ,據(jù)稱可用于 500kV電壓等級 。 在光 CT的研究上前蘇聯(lián)也有較大進(jìn)展。 1973年蘇聯(lián)直流科學(xué)研究院與列寧格勒電器制造聯(lián)合公司制造了 750kV的頻率脈沖調(diào)制式 OCT,其被測電流的額定值為 2020A,可提供一個(gè)測量儀表通道和三個(gè)繼電保護(hù)通道。 5 國內(nèi)發(fā)展情況 我國 OCT,OVT的研究始于七十年代 ,以 1982年在上海召開的激光工業(yè)應(yīng)用座談會為起步 ,主要研究單位有電子部 26所和 34所 ,清華大學(xué) ,電力科學(xué)研究院 ,陜西電力局中心 試驗(yàn) 所 ,上?；ジ衅鲝S ,北方交通大學(xué) ,華中科技大學(xué)等 。 南開大學(xué)在利用 干涉原理測電壓和利用布拉格光柵測電流也做了深入研究， 燕山大學(xué)曾在國內(nèi)首次提出利用差分式 Sagnac干涉原理測高壓母線電流，并在原機(jī)械工業(yè)部基金贊助下完成了樣機(jī)的試制。由于差分式 Sagnac干涉儀對由溫度產(chǎn)生 的熱應(yīng)力和外界震動(dòng)產(chǎn)生的干擾有自動(dòng)補(bǔ)償功能，樣機(jī) 具有很高的穩(wěn)定性。后來又在河北省重點(diǎn)基金資助下，完成了有源式光學(xué) 電流互感器的研制。 最早的產(chǎn)品是沈陽變壓器廠和四平電業(yè)局共同研制的 110kV的 OCT，并于 80年代在四平電業(yè)局掛網(wǎng)試運(yùn)行。 1991年清華大學(xué)和中國電力科學(xué)研究院共同研制的 110kV的 OCT通過國家鑒定并掛網(wǎng)試運(yùn)行。 1993年華中理工大學(xué)與廣東新會供電局合作研制 110 kV的 OCT在廣東省新會供電局大澤變電站掛網(wǎng)運(yùn)行，并在1994年通過原電力部鑒定，額定電流為 100300A，精度為 ％。 現(xiàn)在 我國的電力行業(yè)和部分高校正在加快這方面的研究工作，并已進(jìn)入實(shí)用化階段，將形成一個(gè)新的產(chǎn)業(yè) 。 6 第 2 章 光 學(xué)電流互感器傳感 部分 的設(shè)計(jì) 傳感基本原理 光的偏振特性 光是由與傳播方向垂直的電場和磁場交替轉(zhuǎn)換的振動(dòng)形成的，光波為橫波，具有偏振特性，有偏振光，非偏振光，部分偏振光。偏振光是指光波電矢量方向按一定的規(guī)律變化，矢量端點(diǎn)在空間有規(guī)則的軌跡的光。非偏振光是光波的電矢量方向在空間沒有規(guī)則的軌跡不顯示任何方向的光。部分偏振光世介于兩者之間的光，用檢偏器去檢驗(yàn)這種光，隨著檢偏器角度 的變化透射光的強(qiáng)度成交替性變化，最小透射強(qiáng)度不會為零，可以看作是偏振光與非偏振光的疊加。 假設(shè)光沿 X方向傳播，因?yàn)楣獠ㄊ菣M波所以 Ez=0，偏振光電矢量的大小可用Y,Z軸上的兩個(gè)分量來表示的合成來表示。 yzE E i E j?? (21) 式2c os2c osy y max yz zmax zE E t zE E t z??????????? ? ???????? ? ????? （ 22） 式中，ω — 光的角頻率；λ — 光波長； ymaxE ， zmaxE 分別為 Y， Z方向上的最大振幅； y? ， z? 分別為 X,Y分量的相位。 當(dāng) yE ， zE 的相位差為 0或者 π 時(shí)為線偏振光，當(dāng)相位差為 π /2或 π /2且yE = zE 時(shí)為圓偏振光，如果 zE 比 yE 引前稱為左圓偏振光，反之稱為右圓偏振 7 光，相位差為任意值并且兩個(gè)分量不相等的時(shí)候?yàn)闄E圓偏振光，橢圓偏振光的參數(shù)包括橢圓度，方位角和旋向。 法拉第效應(yīng) 1845 年，法拉第發(fā)現(xiàn)磁場作用于玻璃時(shí)，當(dāng)一束線偏振光沿磁場方向通過玻璃時(shí)，其偏振面發(fā)生了旋轉(zhuǎn) [19]，法拉第效應(yīng)告訴我們線偏光振動(dòng)平面的旋轉(zhuǎn)角大小與磁場強(qiáng)度 及光與磁場相互作用的距離成正比。即 0 0 dLF V H L? ??? (23) 式中， 0V — 透明介質(zhì)的磁光旋轉(zhuǎn)率， F? — 偏振面旋轉(zhuǎn)的角度， L— 通過的路徑，H— 北側(cè)電流在 dl 產(chǎn)生的磁場。 安培定律講了電流與該電流產(chǎn)生的磁場的一圈環(huán)路積分之間的關(guān)系 di iNLH L I N I? ? ??? (24) 式中， iN 是導(dǎo)線的根數(shù)， I是每根導(dǎo)線通過的電流強(qiáng)度，假設(shè)只有一根導(dǎo)線，對于環(huán)繞 N 圈的光纖的閉合回路，法拉第效應(yīng)表示為， 0 001ddNLF NV H L v H L? ?? ? ? ??? (25) 再結(jié)合安培定律有 0F NIV? ? (26) 由此可知，通過光纖的線偏光振動(dòng)平面的偏轉(zhuǎn)角的大小，與光纖環(huán)路的匝數(shù)及通過導(dǎo)線的電流強(qiáng)度成正比。這就是法拉第效應(yīng)光纖電流互感器的基本工作原理 ，法拉第磁光效應(yīng)。 8 光學(xué)互感器 光路設(shè)計(jì) 傳感基本原理講完了，接下來是傳感光路的設(shè)計(jì)，圖 21為傳感光路的示意圖。 光 源隔離器耦 合 器起 偏器相 位調(diào) 制 器光 電 探 測 器信 號 處 理 器λ / 4 波 片反 光 鏡導(dǎo)線信 號 采 集傳 感 光 纖 圖 21 傳感部 分結(jié)構(gòu)原理圖 反射結(jié)構(gòu)的 全光纖電流互感器。起偏器的方向相對于雙折射光纖的雙折射軸 x和 y成 45度角。因此，兩束正交的線偏振光傳向傳感線圈。在進(jìn)入到傳感線圈前，由作為延遲器的光纖 λ /4波片轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮陀倚膱A偏振光。在線圈尾端，圓偏振光被反射后第二次通過線圈。通過反射，偏振方向轉(zhuǎn)換，例如左旋變右旋反之亦然。 λ /4波片延遲器再將返回的光轉(zhuǎn)變?yōu)檎痪€偏振光。相比于傳過來了線偏振光，新的偏振方向也交 換了，例如沿著 X和 Y軸的前向偏振變?yōu)檠刂?X和 Y的反向偏振。最終，兩束正交光在光纖偏振