全光纖電子式電流互感器在智能變電站中的應用

1、全光纖電子式電流互感器在智能變電站中的應用深圳國電南瑞科技有限公司 。摘要：本文介紹了全光纖電子式電流互感器的工作原理和工作過程，詳細闡述了光纖電流互感器的技術優(yōu)勢，最后簡單介紹了光纖電流互感器在GIS中的集成方式。關鍵詞：FOCT，全光纖電流互感器，F(xiàn)araday磁旋光效應1 引言電流互感器是電力系統(tǒng)中的重要設備，目前國內廣泛使用的鐵磁線圈電流互感器,盡管穩(wěn)態(tài)測量精度能夠滿足0. 2級電能計量的要求, 但由于自身結構上的局限性。在短路故障時會存在磁路飽和現(xiàn)象,導致動態(tài)測量能力差,容易造成保護裝置誤動和拒動。隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)帶鐵心的電磁感應式互感器已經(jīng)越來越不能適應電力系統(tǒng)的要求。

2、電子式電流互感器是利用光學和電子學原理來實現(xiàn)電力系統(tǒng)電流測量的新型互感器。與傳統(tǒng)的電磁式電流互感器相比較，電子式電流互感器具有體積小、重量輕、頻帶響應寬、無飽和現(xiàn)象等諸多優(yōu)點，有望成為傳統(tǒng)電磁感應式互感器的理想替代品，已經(jīng)受到國內外研究人員的普遍重視。電子式電流互感器有兩種傳感原理:Faraday電磁感應原理和Faraday磁旋光效應原理。屬于Faraday電磁感應原理的有鐵心線圈和空心線圈兩種傳感結構,空心線圈結構的電流互感器又叫做Rogowski線圈電流互感器。屬于Faraday磁旋光效應原理的包括塊狀玻璃和光纖兩種傳感結構,這類電流互感器又叫做光學電流互感器。其中全光纖電子式電流互感器相

3、對于其他類型的電子式互感器具有測量精度高、動態(tài)范圍寬、抗環(huán)境電磁干擾能力強、敏感環(huán)安裝方式簡單靈活等優(yōu)點，下面詳細介紹一下全光纖電子式電流互感器（以下簡稱FOCT）。2 FOCT的工作原理全光纖電子式互感器利用了法拉第磁光效應原理。如圖1所示，F(xiàn)araday效應是指當一束線偏振光通過置于磁場中的磁光材料時，線偏振光的偏振面會線性地隨著平行于光學方向的磁場的大小發(fā)生旋轉，旋轉角為。圖1 Faraday效應原理在互感器中光纖形成閉合環(huán)路，還需遵守安培環(huán)路定理式中為磁光材料的費爾德（Verdet）常數(shù)；為光通過的路徑；為被測電流在光路上產(chǎn)生的磁場強度，為載流導體中流過的交流電流。3 FOCT的工作過

4、程圖2 FOCT工作過程FOCT基本的工作過程如下（參見圖2）：光源發(fā)出的光被分成兩束物理性能不同光，并沿光纜向上傳播（見紅、綠箭頭）；在匯流排處，兩光波經(jīng)反射鏡的反射并發(fā)生交換，最終回到光電探測器處并發(fā)生相干疊加；當通電導體中無電流時，兩光波的相對傳播速度保持不變，即物理學上所說的沒有出現(xiàn)相位差（圖3a）；而通上電流后，在通電導體周圍的磁場作用下，兩束光波的傳播速度發(fā)生相對變化，即出現(xiàn)了相位差（圖3b），最終表現(xiàn)的是探測器處疊加的光強發(fā)生了變化，通過測量光強的大小，即可測出對應的電流大小。a b圖3 兩偏振光相干疊加示意圖4 FOCT的優(yōu)勢在磁光法拉第效應的基礎上，F(xiàn)OCT綜合利用了光纖傳感

5、技術和閉環(huán)控制技術，很好的克服了其他電子式電流互感器的缺點，具體表現(xiàn)為：4.1閉環(huán)控制（負反饋）技術擴大了準確度下的動態(tài)范圍對于采用Rogowski線圈和磁光玻璃等電子式電流互感器而言，都是采用的開環(huán)控制技術，這在準確度和動態(tài)范圍的穩(wěn)定性方面從原理上來說就有一定的局限性，所以要達到高性能的要求還是需要進一步研究的。而FOCT采用的是基于全數(shù)字閉環(huán)控制技術，對各種可能出現(xiàn)的偏差進行校正，真正達到一個完善的自適應控制系統(tǒng)，從原理和實現(xiàn)的手段上保證了電子互感器的精度和動態(tài)范圍。4.2共光路、差動信號解調方式提高了抗干擾能力對于磁光玻璃式電子式電流互感器而言，光信號輸入端和輸出端不在同一點，走的路徑是

6、一個單向路徑，當受到來自外界的溫度變化，振動以及電磁場輻射等因素的干擾，單向路徑受干擾源的影響就可能會產(chǎn)生同向誤差，使得產(chǎn)品的精度出現(xiàn)不穩(wěn)定性，也影響了產(chǎn)品的實際使用效果。而對于FOCT而言，光信號輸入輸出端在同一點，采用同一個光路，即使來自外界的溫度變化，振動以及電磁場輻射等因素的干擾，同一光路路徑受干擾源的影響出現(xiàn)的誤差也會互相抵消，從而提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。4.3全光纖結構提高了系統(tǒng)的可靠性FOCT中敏感元件和傳輸元件都為光纖，可以熔融連接，不受外界環(huán)境溫度的影響，真正做到了敏感元件的長期穩(wěn)定性和免維護，提高了系統(tǒng)的可靠性。5 FOCT在GIS中的集成方式FOCT的敏感頭安裝在GIS氣室內

7、難度較大，一是SF6氣體在短流電流和高溫的影響下分解生成活性極強的氟粒子，對于光纖具有極大的腐蝕性。二是保偏光纖的材質很難與GIS的金屬殼體形成絕對的整體，影響GIS氣室的密閉性。GIS 兩個氣室之間連接的法蘭是比較好的安裝位置。由于法蘭中沒有SF6氣體，而且法蘭也處在零電位，只需要稍微增加法蘭的厚度，澆注法蘭時內壁為FOCT留出安裝空間，然后將FOCT固定在法蘭內即可。下圖是110kV三相共體GIS的安裝示意圖圖4 GIS應用三相一體式安裝方式 這種安裝方式中FOCT不需像傳統(tǒng)互感器一樣每相安裝磁屏蔽套筒，結構大大簡化。而且FOCT的敏感頭和電氣單元都處在零電位，絕緣問題由GIS廠家解決。由

8、于FOCT本身不包含載流體，因此FOCT廠家沒有動穩(wěn)定及熱穩(wěn)定的問題。FOCT關注的中心就是保證FOCT的性能。這種方式很好地解決了與GIS的配合問題，不但不影響GIS的氣室大小，甚至安裝傳統(tǒng)CT的GIS氣室還可以縮小。尤其對于將GIS的老站改造為智能變電站更加有利，它對于GIS的基礎結構影響不大，只需要將相關的GIS的法蘭更好為適于安裝FOCT的法蘭即可。這種方法已經(jīng)在貴陽的沙河變電站、山東濰坊的穆村變電站得到成功應用。5 結束語目前FOCT已在陜西750kV延安變、華東500kV蘇州東變、江蘇500kV常熟南變以及國內多個220kV、110kV變電站投入運行，運行至今情況穩(wěn)定。隨著電子式互感器技術的不斷發(fā)展，F(xiàn)OCT以其帶寬高、絕緣簡單、抗干擾能力強等優(yōu)點，必將成為新型電流互感器發(fā)展和應用的主流方向。參考文獻1 喬峨、安作平、羅承沐等，光電式電流互感器的開發(fā)與應用-21世紀互感器技術展望J，變壓器，2000，37(1)：40432 龍槐生，張仲先，談恒英光的偏振及其應用J機械工業(yè)出版社，19893 平紹勛，黃仁山光電式電流互感器的現(xiàn)狀和發(fā)展J高壓電器，2001，37(3)：43464 呂海寶，馮勤群，周衛(wèi)紅等強度型光纖傳感檢測中強度補償技術激光技術，l999，23(2)：95 李家澤，