【文章內容簡介】 .................. 錯誤 !未定義書簽。 VII 1 第 1 章 緒論 概述 互感器是電力系統(tǒng)中主要的保護和監(jiān)控設備之一，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，這就有力地推動了電子電流互感器 (ECT)的研究與應用。電子電流互感器是指利用備有電子器件的光學器件或空心線圈 (帶有或沒有內嵌積分器 )或是帶有集成負載的鐵心線圈的 ,獨立的或配有電子器件的電流一電壓轉換器。其中利用光學器件對電流傳感器的或傳輸信號的 ECT稱為光學電流互感器(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；按照傳感機理和傳感頭的具體結構 ,又可分為全光纖型 (FOCT),光學玻璃型 (BGOCT),混合型 (HOCT),磁場傳感器型和其他傳感機理型。隨著光電子和光纖通信的發(fā)展，有力的推動了新型光纖電流互感器的研究與應用。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：不含油 ,尺寸小 ,絕緣結構簡單 ,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 ,因此如何選擇和設計過程層 與間隔層保護測量二次設備之間的接口就成了要解決的關鍵問題。為此 ,2020年國際電工委員會第 38屆技術委員會 (IECTC38)專門負責制定了電子式電壓、電流互感器制造標準 IEC600447/8； 同時 ,自 2020年開始IECTC57又陸續(xù)推出了變電站通信體系和結構 IEC61850國際標準協(xié)議 ,該標準面向未來 ,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的自動化系統(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，從本身的設計原理來看： ，造價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，造成勵磁電流增大幾十倍至幾百倍，從而引起電流互感器二次側電流數(shù)值和波形嚴重失真，導致系統(tǒng)保護誤動作；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對 點的連接方式，傳送的是模擬量存在著二次接線復雜，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， 傳感技術和電子技術的發(fā)展 ， 光學電流互感器正逐漸成為研究的熱點。光學 電流互感器是運用了光纖傳感技術和電子技術對高壓電纜上的電流信號進行測量和傳輸?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)計量和繼電保護中的應用要求，具有廣闊的應用前景。 光學 電流互感器的優(yōu)點在于： ，高壓低壓隔離，絕緣結構簡單； ， 無磁飽和，鐵磁共振 和磁滯效應，暫態(tài)響應好，穩(wěn)定性好； ，低壓側無開路危險； ，測量精度高； 。頻率范圍受后面的信號處理電路的限制； ； ，微機化，自動化的發(fā)展潮流； 3 光學 電流互感器的基本裝置與電壓等級無關，應用于不同的電壓等級時只需改變設置參數(shù)和絕緣設施，電壓等級的提高不會帶來設備費 用的大幅增加?，F(xiàn)在隨著電子技術的發(fā)展，光纖電流互感器在整機性能 可靠性和使用壽命等多方面都已經超過了傳統(tǒng)的電流互感器。 雖然光學 電 流互感器 有很多優(yōu)點，但仍存在許多問題值得研究和改進，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角。增加傳感光纖圈數(shù)可以提高靈敏度，但同時也會增加 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， 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)定性的問題進行研究。 國內外光學 電流互感器的發(fā)展狀況 國外發(fā)展情況 國外對光學 電流 互感器的研究于 20世紀 60年代開始，到了 8090年代，已經進入實用化和產品化的階段，到目前大約有 2020多臺光纖電流互感器在掛網運運行。 在這方面技術的研究中美國比較領先。 美國五大電氣公司 各自在 1982年左右成立了光學 電流互感器專題研究小組在 19861988年實現(xiàn)了 161kV獨立式光纖電流互感器 ， 1987年 161kV的以繼電保護為主的以及 1989年 5月 1992年的 345kV,202020A,器的掛網運行成功 ,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 ,高電壓光學計量用的電流互感器 ,可靠運行兩年多后拆除 。 西州電力流域管理局 在 1987年第二次安裝的光學計量系統(tǒng)是在其所屬的 Moccassin電站完成的 ,與 1986年相比 ,擴展為三相計量 。 經過六個多月的測量千瓦小時 ,全光學計量系統(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以光學 電流互感器為基礎的繼電保護系統(tǒng) ,到1990年 9月報導之日為止 ,比較的結果是令人鼓舞的 。 僅在 1990年 7月 8日一天 ,光學 電流互感器系統(tǒng)就正確地響應了由于雷暴雨而引起的 6個故障 [17]。 1991年 6月 ,ABB電力 Tamp。D有限公司公布了用于計量和繼電保護用的 345kV電站的光學 電流測量系統(tǒng) ,并在運行四個月之后 ,與標準 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 電流互感器理論 ,材料 ,性能等進行了研究。要求達到的 l級 , ,以組合式為主 ,獨立式為輔 ,現(xiàn)已基本達到研究目標。 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 ,英國利物浦大學電機系也在進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 ,英國利物浦大學電機系也在進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量和繼電保護用的 345kV電站的 OCT系統(tǒng) ,并在運行四個月后 ,與標準 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)也有較大進展。 1973年蘇聯(lián)直流科學研究院與列寧格勒電器制造聯(lián)合公司制造了 750kV的頻率脈沖調制式 OCT,其被測電流的額定值為 2020A,可提供一個測量儀表通道和三個繼電保護通道。 5 國內發(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 ,電力科學研究院 ,陜西電力局中心 試驗 所 ,上?；ジ衅鲝S ,北方交通大學 ,華中科技大學等 。 南開大學在利用 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， 燕山大學曾在國內首次提出利用差分式 Sagnac干涉原理測高壓母線電流，并在原機械工業(yè)部基金贊助下完成了樣機的試制。由于差分式 Sagnac干涉儀對由溫度產生 的熱應力和外界震動產生的干擾有自動補償功能，樣機 具有很高的穩(wěn)定性。后來又在河北省重點基金資助下，完成了有源式光學 電流互感器的研制。 最早的產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)局掛網試運行。 1991年清華大學和中國電力科學研究院共同研制的 110kV的 OCT通過國家鑒定并掛網試運行。 1993年華中理工大學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運行，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，并已進入實用化階段，將形成一個新的產業(yè) 。 6 第 2 章 光 學電流互感器傳感 部分 的設計 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換的振動形成的，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，用檢偏器去檢驗這種光，隨著檢偏器角度 的變化透射光的強度成交替性變化，最小透射強度不會為零，可以看作是偏振光與非偏振光的疊加。 假設光沿 X方向傳播，因為光波是橫波所以 Ez=0，偏振光電矢量的大小可用Y,Z軸上的兩個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 yE ， zE 的相位差為 0或者 π 時為線偏振光，當相位差為 π /2或 π /2且yE = zE 時為圓偏振光，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分量不相等的時候為橢圓偏振光，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 1845 年，法拉第發(fā)現(xiàn)磁場作用于玻璃時，當一束線偏振光沿磁場方向通過玻璃時，其偏振面發(fā)生了旋轉 [19]，法拉第效應告訴我們線偏光振動平面的旋轉角大小與磁場強度 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 — 透明介質的磁光旋轉率， F? — 偏振面旋轉的角度， L— 通過的路徑，H— 北側電流在 dl 產生的磁場。 安培定律講了電流與該電流產生的磁場的一圈環(huán)路積分之間的關系 di iNLH L I N I? ? ??? (24) 式中， iN 是導線的根數(shù)， I是每根導線通過的電流強度，假設只有一根導線，對于環(huán)繞 N 圈的光纖的閉合回路，法拉第效應表示為， 0 001ddNLF NV H L v H L? ?? ? ? ??? (25) 再結合安培定律有 0F NIV? ? (26) 由此可知，通過光纖的線偏光振動平面的偏轉角的大小，與光纖環(huán)路的匝數(shù)及通過導線的電流強度成正比。這就是法拉第效應光纖電流互感器的基本工作原理 ，法拉第磁光效應。 8 光學互感器 光路設計 傳感基本原理講完了，接下來是傳感光路的設計，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 制 器光 電 探 測 器信 號 處 理 器λ / 4 波 片反 光 鏡導線信 號 采 集傳 感 光 纖 圖 21 傳感部 分結構原理圖 反射結構的 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。在進入到傳感線圈前，由作為延遲器的光纖 λ /4波片轉變?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