電力系統(tǒng)中光電電流互感器研究

電力系統(tǒng)中光電電流測(cè)量技術(shù)是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，光電電流互感器是未來電力工業(yè)電流測(cè)量發(fā)展的趨勢(shì)。文中基于傳統(tǒng)的電流互感器，利用數(shù)字調(diào)制和光功率推動(dòng)技術(shù)，對(duì)有源光電電流互感器進(jìn)行了研究；基于法拉第效應(yīng)，利用相位補(bǔ)償和傳感頭組裝技術(shù)，研制了塊狀玻璃式無源光電電流互感器。同時(shí)還討論了幾種光電電流互感器的發(fā)展?fàn)顩r。
關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)； 電流互感器； 測(cè)量
中圖分類號(hào)：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(tǒng)中進(jìn)行電能計(jì)量和繼電保護(hù)的重要設(shè)備，其精度及可靠性與電力系統(tǒng)的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行密切相關(guān)。然而隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力傳輸系統(tǒng)容量不斷增加，運(yùn)行電壓等級(jí)也越來越高，目前我國電網(wǎng)的最高電壓等級(jí)已達(dá)500 kV,下一個(gè)電壓等級(jí)也許是750 kV或1　　000 kV。此時(shí)，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器暴露出一系列嚴(yán)重的缺點(diǎn)：電流互感器的絕緣結(jié)構(gòu)將非常復(fù)雜，造價(jià)也會(huì)急劇增加；由于電磁感應(yīng)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)，已難以滿足新一代電力系統(tǒng)在線檢測(cè)、高精度故障診斷、電力數(shù)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(shì)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)的方法來發(fā)展所謂的光電式電流互感器（optical current transformer,簡稱OCT）［1］。與傳統(tǒng)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(cè)量范圍大、頻帶寬、數(shù)字信號(hào)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(diào)制式、脈沖調(diào)制式、數(shù)字調(diào)制式及強(qiáng)度調(diào)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(jīng)過了大量的理論分析、實(shí)驗(yàn)研究及掛網(wǎng)運(yùn)行，但到目前為止還沒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)境影響下長期、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行還需付出更多的努力。
　　本文的目的就是針對(duì)以上存在的問題，結(jié)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(fā)和實(shí)用化進(jìn)程。

1　有源OCT

　　有源OCT就是基于傳統(tǒng)的電流互感器(TA)，利用有源器件調(diào)制技術(shù)，以光纖作為信號(hào)通道，把高壓側(cè)轉(zhuǎn)換的光信號(hào)傳到地面進(jìn)行信號(hào)處理，得到被測(cè)信號(hào)的裝置。這種互感器的特點(diǎn)是，既利用了光纖系統(tǒng)提供的高絕緣性的優(yōu)點(diǎn)，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(fā)揮了被電力工業(yè)界廣泛接受的常規(guī)TA測(cè)量裝置的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還避免了傳感頭光路的復(fù)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(shù)難點(diǎn)。
　　早在70年代清華大學(xué)電機(jī)系就從事過有源OCT的研究，它在傳統(tǒng)TA基礎(chǔ)上，使用光輻射內(nèi)調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)OCT，光纖只用來傳遞被電流調(diào)制的光強(qiáng)信號(hào)，起電位隔離作用。在高壓母線上，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上取供電電源，而母線電流變化很大，電源系統(tǒng)的可靠性較低；另外由于當(dāng)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，并且不適合長期的戶外運(yùn)行。目前，我們?cè)谠瓉硌芯?、?shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)幾種有源OCT 的調(diào)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(cè)采用數(shù)字調(diào)制方式。利用地面的強(qiáng)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(zhuǎn)換為電能，并用此電能給有關(guān)的功能電路部分供電。近年來由于光電子學(xué)的迅速發(fā)展，高功率的半導(dǎo)體激光器以及光電轉(zhuǎn)換的光電池都達(dá)到了很高的指標(biāo)，給這種方案的實(shí)現(xiàn)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(tǒng)中，被測(cè)高壓電流信號(hào)經(jīng)一個(gè)特制的TA變換為適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào)；再把電信號(hào)輸入調(diào)制器，用調(diào)制器的輸出去驅(qū)動(dòng)光源，以便用數(shù)字方法調(diào)制作為載波的光波。在光源處實(shí)現(xiàn)電—光變換，把電信號(hào)變?yōu)閿y帶信息的光信號(hào)。光源采用發(fā)光二極管LED。光信號(hào)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(cè)器實(shí)現(xiàn)光—電轉(zhuǎn)換，把帶有信息的光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，光電探測(cè)器采用PIN光電二極管。然后把光電探測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后再進(jìn)行解調(diào)，以得到和原始信息相近的信號(hào)。圖中高壓側(cè)的供電電源由地面500 mW的半導(dǎo)體激光二極管LD用光纖把能量推動(dòng)到高壓側(cè)，經(jīng)過高轉(zhuǎn)換效率（40%左右）的光電池PPC把光能變?yōu)殡娔埽ㄟ^DC/DC變換電路處理、整定后，可得到穩(wěn)定的約80 mW供電電源功率，傳感頭的后級(jí)電路都采用CMOS器件，以降低電路的功耗。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，傳感頭部分的電路消耗功率約為50 mW。
　　在低壓區(qū)的接收部分是一個(gè)信號(hào)解調(diào)電路，它先將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過前級(jí)放大和解調(diào)后，一路送入D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬信號(hào)的還原，另一路直接送入計(jì)算機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器件進(jìn)行信號(hào)的處理和計(jì)算，并采用軟件方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行誤差矯正。這樣，系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和誤差將大大減小。另外，隨著近年來對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備要求的不斷提高，提供數(shù)字化的電流信號(hào)已經(jīng)成為大勢(shì)所趨，接收部分的數(shù)字通道正是適應(yīng)這種發(fā)展的產(chǎn)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(cè)量裝置。無源OCT多采用法拉第磁光效應(yīng)和干涉原理，以前者為主。無源OCT的特點(diǎn)是：整個(gè)系統(tǒng)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(diǎn)是精度和穩(wěn)定性易受溫度、振動(dòng)的影響。利用法拉第磁光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(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源OCT，國外掛網(wǎng)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行也都是此類型，它是最有實(shí)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(yīng)進(jìn)行電流測(cè)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)生的非線性極化過程。當(dāng)一束線偏振光通過置于磁場(chǎng)中的磁光材料時(shí)，線偏振光的偏振面就會(huì)線性地隨著平行于光線方向的磁場(chǎng)大小發(fā)生旋轉(zhuǎn)；通過測(cè)量通流導(dǎo)體周圍線偏振光偏振面的變化，就可間接地測(cè)量出導(dǎo)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(zhuǎn)角度；V為磁光材料的Verdet常數(shù)；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(qiáng)度。
　　由于磁場(chǎng)強(qiáng)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(dǎo)體的相對(duì)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(dǎo)體的相對(duì)位置有關(guān)的常數(shù)，當(dāng)通光路徑為圍繞通流導(dǎo)體1周時(shí)，K=1，故只要測(cè)定θ的大小就可測(cè)出通流導(dǎo)體中的電流。
　　由于目前尚無高精確度測(cè)量偏振面旋轉(zhuǎn)的檢測(cè)器，通常將線偏振光的偏振面角度變化的信息轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)變化的信息，然后通過光電探測(cè)器將光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，并進(jìn)行放大、處理，以正確反映最初的電流信息。一般采用檢偏器來實(shí)現(xiàn)將角度信息轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)信息。
　　閉環(huán)式塊狀玻璃傳感頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。經(jīng)過對(duì)多種磁光材料的實(shí)驗(yàn)、分析比較［3］，最后選用溫度特性好、Verdet常數(shù)較高的ZF6重鉛玻璃作為傳感頭磁光材料。在傳感頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上主要考慮2個(gè)問題：一是線偏振光在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(cè)量精確度；二是溫度、應(yīng)力等環(huán)境因素對(duì)互感器的影響。對(duì)于第1個(gè)問題采用幾何相位補(bǔ)償法［4］，讓光在改變光路方向時(shí)經(jīng)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(gè)分量經(jīng)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(duì)于第2個(gè)問題采用下列措施解決：①用剛性的熱良導(dǎo)體材料封閉玻璃傳感頭，良導(dǎo)體對(duì)外界溫度的變化能起到均勻的作用；②在良導(dǎo)體殼體與塊狀玻璃頭之間采用與ZF6熱膨脹系數(shù)相近的材料作為過渡介質(zhì)，這樣既可避免外殼與玻璃傳感頭膨脹系數(shù)不一樣帶來的應(yīng)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(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)面，采用柔性的固定方法，消除固定形變應(yīng)力［5］。

圖2　磁光無源OCT傳感頭結(jié)構(gòu)圖
Fig.2　Configuration of magnetooptic
non-active OCT sensing head

　　原理圖如圖3所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。圖中曲線是在額定電流為1200 A時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)0.1級(jí)TA比較所得的比差和角差結(jié)果。電流在80 A～2　　300 A、額定電流為1200 A時(shí)，比差值在0.2級(jí)精度，電流小于80 A時(shí)比差變差。這主要是噪聲及互感器靈敏度所限。同時(shí)把傳感頭放在-20 ℃～70 ℃的溫度范圍內(nèi)，它的比差變化均小于0.3%。無源磁光式OCT的優(yōu)點(diǎn)是精度高、線性度好、測(cè)量范圍大、體積小、重量輕，在220 kV電壓下整個(gè)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(jīng)過20多年的努力,人們對(duì)全光纖OCT的優(yōu)點(diǎn)及存在的問題已有了正確的認(rèn)識(shí)，進(jìn)行了較深入的研究，并嘗試了許多方法，解決光纖內(nèi)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(gè)問題沒有徹底解決以前，全光纖OCT還很難應(yīng)用于實(shí)際工程。然而，全光纖OCT是光纖電流測(cè)量技術(shù)的最終發(fā)展趨勢(shì)。
　　塊狀玻璃OCT經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計(jì)和精密加工，用高Verdet常數(shù)、溫度特性良好的磁光材料，并利用幾何相位補(bǔ)償技術(shù)抵消全反射相位差，同時(shí)在光路結(jié)構(gòu)上做進(jìn)一步的改進(jìn)，爭取使環(huán)境影響降為最低，從而具有體積小、重量輕、靈敏度高、價(jià)格低、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，因此，它是全光學(xué)電流互感器實(shí)用化的首選產(chǎn)品。
　　有源OCT既利用了現(xiàn)有的實(shí)用技術(shù)，又利用了光纖的優(yōu)點(diǎn)，因此它的實(shí)用化速度會(huì)更快。目前，需要解決的主要任務(wù)是：高壓側(cè)電子線路在戶外長期穩(wěn)定運(yùn)行及免維護(hù)問題。
　　電力系統(tǒng)的在線測(cè)量、數(shù)字化繼電保護(hù)、控制、故障診斷及電力系統(tǒng)光纖網(wǎng)的發(fā)展，需要OCT。傳統(tǒng)TA的頻帶窄、動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍小、故障飽和等缺點(diǎn)已不適應(yīng)新一代電力系統(tǒng)的發(fā)展，這將更加激發(fā)人們加快OCT商品化生產(chǎn)的熱情。

4　結(jié)論

　　本文對(duì)電力系統(tǒng)中的光電電流測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了分析，討論了作者所從事的數(shù)字調(diào)制式有源OCT和閉環(huán)塊狀玻璃式無源OCT的工作原理、實(shí)驗(yàn)情況及其主要特點(diǎn)。盡管在研究開發(fā)方面，取得了一些成果，但要真正實(shí)現(xiàn)實(shí)用化商品生產(chǎn)，還需要從原理、工藝、材料方法上做進(jìn)一步的努力，光電電流互感器的時(shí)代一定會(huì)到來。