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是國內外研究的熱點和難點，光電電流互感器是未來電力工業電流測量發展的趨勢。文中基于傳統的電流互感器，利用數字調制和光功率推動技術，對有源光電電流互感器進行了研究；基于法拉第效應，利用相位補償和傳感頭組裝技術，研制了塊狀玻璃式無源光電電流互感器。同時還討論了幾種光電電流互感器的發展狀況。
關鍵詞：電力系統； 電流互感器； 測量
中圖分類號：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、可靠和經濟運行密切相關。然而隨著電力工業的發展，電力傳輸系統容量不斷增加，運行電壓等級也越來越高，目前我國電網的最高電壓等級已達500 kV,下一個電壓等級也許是750 kV或1　　000 kV。此時，傳統的電磁式電流互感器暴露出一系列嚴重的缺點：電流互感器的絕緣結構將非常復雜，造價也會急劇增加；由于電磁感應式電流互感器所固有的磁飽和、鐵磁諧振、動態范圍小、頻帶窄以及有油易燃易爆等缺點，已難以滿足新一代電力系統在線檢測、高精度故障診斷、電力數字網等的發展需要。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傳感技術，即用光電子學的方法來發展所謂的光電式電流互感器（optical current transformer,簡稱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 、重量輕等優點。光電式電流互感器從傳感頭有無電源供電的角度可分為有源OCT和無源OCT兩大類。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，經過了大量的理論分析、實驗研究及掛網運行，但到目前為止還沒有一種大批量的商品化產品投放市場［2］。其根本原因在于：雖然原理、技術可行，但要在高電壓、高電磁干擾、高溫差變化等環境影響下長期、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題，結合我國的國情，介紹作者在有源OCT和無源OCT方面做的一些研究，以利于加速我國在這方面的研究、開發和實用化進程。

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，以光纖作為信號通道，把高壓側轉換的光信號傳到地面進行信號處理，得到被測信號的裝置。這種互感器的特點是，既利用了光纖系統提供的高絕緣性的優點，顯著地降低了電流互感器的制造成本、體積和重量，又充分發揮了被電力工業界廣泛接受的常規TA測量裝置的優勢，同時還避免了傳感頭光路的復雜性及全光纖傳感頭線性雙折射、塊狀玻璃全反射相位差等技術難點。
　　早在70年代清華大學電機系就從事過有源OCT的研究，它在傳統TA基礎上，使用光輻射內調制的方法實現OCT，光纖只用來傳遞被電流調制的光強信號，起電位隔離作用。在高壓母線上，串有2個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上取供電電源，而母線電流變化很大，電源系統的可靠性較低；另外由于當時光電子器件可靠性低、體積大，所以試制的樣品體積也較大，并且不適合長期的戶外運行。目前，我們在原來研究、實驗的基礎上，對幾種有源OCT 的調制方式進行比較，采用了一種先進、實用的方案，它利用光功率推動原理給高壓供電，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，并用此電能給有關的功能電路部分供電。近年來由于光電子學的迅速發展，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，給這種方案的實現帶來了很大的可能性。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一個特制的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光源，以便用數字方法調制作為載波的光波。在光源處實現電—光變換，把電信號變為攜帶信息的光信號。光源采用發光二極管LED。光信號通過光纖傳到接收部分，在此，光纖作為傳輸媒介。在接收部分，先由光電探測器實現光—電轉換，把帶有信息的光信號變為電信號，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放大后再進行解調，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用光纖把能量推動到高壓側，經過高轉換效率（40%左右）的光電池PPC把光能變為電能，通過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。經過實驗測試，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信號解調電路，它先將光信號轉換成電信號，經過前級放大和解調后，一路送入D/A轉換器進行模擬信號的還原，另一路直接送入計算機或數字信號處理器件進行信號的處理和計算，并采用軟件方法對信號進行誤差矯正。這樣，系統的不穩定性和誤差將大大減小。另外，隨著近年來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成為大勢所趨，接收部分的數字通道正是適應這種發展的產物。

2　無源OCT

　　無源OCT就是傳感頭部位沒有電源供電的光電電流測量裝置。無源OCT多采用法拉第磁光效應和干涉原理，以前者為主。無源OCT的特點是：整個系統的線性度比較好，靈敏度可以做得較高；絕緣性能好。它的難點是精度和穩定性易受溫度、振動的影響。利用法拉第磁光效應實現的無源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，結構比較簡單，但光纖線性雙折射的問題一直是困擾著它的主要難點；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源OCT，國外掛網實驗運行也都是此類型，它是最有實用化可能的類型之一，故而我們也采用此方案。
　　采用法拉第磁光效應進行電流測量的原理是磁光材料在外加磁場和光波電場共同作用下產生的非線性極化過程。當一束線偏振光通過置于磁場中的磁光材料時，線偏振光的偏振面就會線性地隨著平行于光線方向的磁場大小發生旋轉；通過測量通流導體周圍線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在光路上產生的磁場強度。
　　由于磁場強度H由電流I產生，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，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的常數，當通光路徑為圍繞通流導體1周時，K=1，故只要測定θ的大小就可測出通流導體中的電流。
　　由于目前尚無高精確度測量偏振面旋轉的檢測器，通常將線偏振光的偏振面角度變化的信息轉化為光強變化的信息，然后通過光電探測器將光信號變為電信號，并進行放大、處理，以正確反映最初的電流信息。一般采用檢偏器來實現將角度信息轉化為光強信息。
　　閉環式塊狀玻璃傳感頭結構如圖2所示。經過對多種磁光材料的實驗、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個問題：一是線偏振光在2種不同界面上發生全反射時，電矢量相互垂直的2個分量之間產生相位差，即所謂的“全反射相位差”，影響測量精確度；二是溫度、應力等環境因素對互感器的影響。對于第1個問題采用幾何相位補償法［4］，讓光在改變光路方向時經過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個分量經過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個問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渡介質，這樣既可避免外殼與玻璃傳感頭膨脹系數不一樣帶來的應力問題，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　磁光無源OCT傳感頭結構圖
Fig.2　Configuration of magnetooptic
non-active OCT sensing head

　　原理圖如圖3所示，實驗結果如圖4、圖5所示。圖中曲線是在額定電流為1200 A時與標準0.1級TA比較所得的比差和角差結果。電流在80 A～2　　300 A、額定電流為1200 A時，比差值在0.2級精度，電流小于80 A時比差變差。這主要是噪聲及互感器靈敏度所限。同時把傳感頭放在-20 ℃～70 ℃的溫度范圍內，它的比差變化均小于0.3%。無源磁光式OCT的優點是精度高、線性度好、測量范圍大、體積小、重量輕，在220 kV電壓下整個傳感器的重量約為20 kg。

圖3　磁光式無源OCT原理圖
Fig.3　Scheme diagram
of magnetooptic non-active OCT

圖4　磁光式無源OCT的比差
Fig.4　Ratio errors of magnetooptic non-active OCT

圖5　磁光式無源OCT相位差
Fig.5　Phase errors of magnetooptic non-active OCT

3　討論

　　經過20多年的努力,人們對全光纖OCT的優點及存在的問題已有了正確的認識，進行了較深入的研究，并嘗試了許多方法，解決光纖內雙折射給互感器帶來的不良影響。盡管3M公司聲稱已研制成功了無偏光纖，但到目前為止還沒有見到真正商品化的全光纖OCT。所以在這個問題沒有徹底解決以前，全光纖OCT還很難應用于實際工程。然而，全光纖OCT是光纖電流測量技術的最終發展趨勢。
　　塊狀玻璃OCT經過仔細設計和精密加工，用高Verdet常數、溫度特性良好的磁光材料，并利用幾何相位補償技術抵消全反射相位差，同時在光路結構上做進一步的改進，爭取使環境影響降為最低，從而具有體積小、重量輕、靈敏度高、價格低、性能穩定的特點，因此，它是全光學電流互感器實用化的首選產品。
　　有源OCT既利用了現有的實用技術，又利用了光纖的優點，因此它的實用化速度會更快。目前，需要解決的主要任務是：高壓側電子線路在戶外長期穩定運行及免維護問題。
　　電力系統的在線測量、數字化繼電保護、控制、故障診斷及電力系統光纖網的發展，需要OCT。傳統TA的頻帶窄、動態測量范圍小、故障飽和等缺點已不適應新一代電力系統的發展，這將更加激發人們加快OCT商品化生產的熱情。

4　結論

　　本文對電力系統中的光電電流測量技術進行了分析，討論了作者所從事的數字調制式有源OCT和閉環塊狀玻璃式無源OCT的工作原理、實驗情況及其主要特點。盡管在研究開發方面，取得了一些成果，但要真正實現實用化商品生產，還需要從原理、工藝、材料方法上做進一步的努力，光電電流互感器的時代一定會到來。