光電式電流互感器的發(fā)展與應(yīng)用

為了提高電力網(wǎng)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，減小電力網(wǎng)變電站的占地面積和建筑空間，滿足“數(shù)字化、光纖化、智能化、一體化”的要求，新型的光電式電流互感器將取代傳統(tǒng)的電磁式電流互感器。該文闡述了光電式電流互感器的分類、特點(diǎn)和應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：光電式電流互感器；磁光效應(yīng)

隨著電力網(wǎng)電力系統(tǒng)的發(fā)展，電力網(wǎng)發(fā)電和輸電力網(wǎng)變電容量的不斷增加，為了提高電力系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，減小變電站的占地面積和建筑空間，現(xiàn)在設(shè)計(jì)的電流互感器必須滿足“數(shù)字化、光纖化、智能化、一體化”的要求。數(shù)字化是指要盡量淘汰傳統(tǒng)的模擬信號的指針式讀數(shù)盤，而采用數(shù)字式的儀表，減小測量中因讀數(shù)而引起的人為誤差。光纖化是指在測量系統(tǒng)中，大力提倡光纖的使用，減小電磁場對測量結(jié)果的影響。智能化是指加大微機(jī)和網(wǎng)絡(luò)在電氣測量中的運(yùn)用，賦予互感器一定的自我判斷和識別能力，這主要是在外圍的電路上作一些改進(jìn)及在軟件上的優(yōu)化。一體化是指將多相電流互感器甚至是多相電流互感器和電壓互感器做成成套設(shè)備，這樣可以節(jié)約大量的人力、物力。

針對電力網(wǎng)電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢可以預(yù)測，在不久的將來，傳統(tǒng)的電流互感器將逐步地淡出電力系統(tǒng)，新型實(shí)用的產(chǎn)品將取而代之，光電式電流互感器就是其中的代表，它完全可滿足上述的要求。

1 光電式電流互感器的分類

基于磁光效應(yīng)的光電式電流互感器發(fā)展到現(xiàn)在，按其原理與結(jié)構(gòu)可分為有源型、無源型及全光纖型三類。

1.1 有源型

有源型光電式電流互感器就是高壓側(cè)電流信號，通過采樣線圈將電信號傳遞給發(fā)光元件變成光信號，再通過光纖傳遞到低壓側(cè)，進(jìn)行逆變，變換成電信號后放大輸出。高壓側(cè)電子器件的電源來源于光供電方式、母線電流供電方式以及超聲電源供電方式。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。有源型是較早期的結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，可靠性高。其缺點(diǎn)是取樣信號頂部結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

圖1 有源型光電式電流互感器結(jié)構(gòu)
1.2 無源型

無源型光電式電流互感器的傳感頭不需要供電電源。傳感頭一般用法拉第磁光效應(yīng)原理制成，處于低電位的光源發(fā)出的偏振光經(jīng)光纖傳到高壓側(cè)，并通過處于被測電流產(chǎn)生的磁場中。偏振光的偏振面在磁光玻璃中發(fā)生旋轉(zhuǎn)，即電流信號偏振調(diào)制光波。帶電流信號的光波經(jīng)光纖傳到低電位側(cè)，經(jīng)光-電變換后放大輸出。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。無源結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，且完全不采用傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)元件，無飽和問題，充分發(fā)揮了光電式電流互感器的特點(diǎn)，尤其是高壓側(cè)無源電子器件，無溫度穩(wěn)定問題，互感器運(yùn)行壽命容易保證。其缺點(diǎn)是光學(xué)器件制造難度大，測量的高精度難以達(dá)到，且長期穩(wěn)定性不高。


圖2 無源型光電式電流互感器結(jié)構(gòu)
1.3 全光纖型

全光纖型光電式電流互感器實(shí)際上也是無源型，只是傳感頭是光纖本身制成，其余與無源型完全一樣。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。全光纖型光電式電流互感器的優(yōu)點(diǎn)是傳感頭結(jié)構(gòu)簡單，比無源型易于制造，精度、壽命與可靠性比無源型要高。缺點(diǎn)是這種互感器的光纖是保偏光纖，比有源型和無源型兩種互感器所采用的普通光纖品質(zhì)較高，要制造出高穩(wěn)定性的光纖很難，工藝要求高，且造價(jià)昂貴。


圖3 全光纖型電流互感器結(jié)構(gòu)
2 光電式電流互感器的優(yōu)點(diǎn)

光電式電流互感器不用鐵芯做磁耦合，因此消除了磁飽和及鐵磁諧振現(xiàn)象，互感器運(yùn)行暫態(tài)響應(yīng)好，穩(wěn)定性高，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的高可靠性。

電磁感應(yīng)式電流互感器二次回路不能開路，低壓側(cè)存在因開路而引起的高電壓隱患。光電式電流互感器的高壓和低壓之間只存在光纖聯(lián)系，而光纖具有良好的絕緣性能，因此可保證高壓回路與二次回路在電氣上完全隔離，低壓側(cè)不存在因開路而產(chǎn)生高壓的危險(xiǎn)。同時(shí)因沒有磁耦合，消除了電磁干擾對互感器性能的影響。

電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，電流互感器流過的電流并不大，但發(fā)生短路時(shí)，短路電流非常大。電磁式電流互感器因存在磁飽和問題，難以實(shí)現(xiàn)大范圍測量并在一個(gè)通道同時(shí)滿足高精度計(jì)算和繼電保護(hù)的需要。而光電式電流互感器有很寬的動(dòng)態(tài)范圍，過電流可達(dá)幾萬安培。

頻率響應(yīng)范圍寬。光電式電流互感器可以測量出高壓電力網(wǎng)">電力線路上的諧波，而電磁式電流互感器難以進(jìn)行這方面的工作。

不存在因充油而產(chǎn)生的易燃、易爆等危險(xiǎn)。

絕緣性能好，造價(jià)低。電磁式電流互感器絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電壓等級越高，造價(jià)越高。光電式電流互感器中采用由絕緣材料做成的玻璃光纖，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低。

體積小，重量輕，運(yùn)輸和安裝方便。

適應(yīng)了電力網(wǎng)">電力計(jì)量與保護(hù)數(shù)字化、微機(jī)化和自動(dòng)化的發(fā)展的潮流。

3 光電式電流互感器的應(yīng)用現(xiàn)狀

1994年ABB公司推出有源型光電式電流互感器，其電壓等級為72.5～765kV，額定電流為600～6000A。日本除研究500kV、1000kV高壓電網(wǎng)計(jì)量用的光電式電流互感器外，還進(jìn)行500kV以下直到6.6kV電壓等級的GIS用光電式電流互感器。我國在這方面也取得了一定進(jìn)展，特別是近幾年，在吸收國外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，已有部分廠家生產(chǎn)光電式電流互感器。

光電式電流互感器可以代替體積大而笨重的傳統(tǒng)型電流互感器，并與斷路器組合成一體，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化、一體化。

在高壓直流電力網(wǎng)">輸電方面，直流測量用光電式電流互感器較之傳統(tǒng)型的電流互感器有更大的優(yōu)勢，其重量僅為同等級的直流電流互感器的1/40，無電磁干擾和鐵磁損耗，并與電力網(wǎng)">電力自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)兼容。例如我國三峽至常州500kV直流輸電系統(tǒng)就使用了ABB公司的光電式電流互感器，用于線路的直流電流及諧波電流、交流側(cè)不平衡電流、橋臂電流等的測量。

除了在電網(wǎng)中使用外，光電式電流互感器還可做成類似鉗形表式的結(jié)構(gòu)，方便移動(dòng)，用于測量高壓電網(wǎng)中不同地點(diǎn)的電流。也可測量高頻電流。

4 結(jié)束語

目前國內(nèi)在光電式電流互感器的研究方面，特別是高電壓等級上還面臨一些問題，如溫度和應(yīng)力引起的雙折射現(xiàn)象及其降低方法，長期運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和精度方面還需要更進(jìn)一步的試驗(yàn)和現(xiàn)場考驗(yàn)。

綜上所述，光電式電流互感器有著傳統(tǒng)電磁式電流互感器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，是電磁式電流互感器理想的替代品，將會使互感器技術(shù)進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代。