光學(xué)互感器原理講稿

1、光波的幾個(gè)特征參數(shù)：振幅、相位、偏振態(tài)、波光波的幾個(gè)特征參數(shù)：振幅、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)，實(shí)際便于測(cè)量的是光強(qiáng)。長(zhǎng)，實(shí)際便于測(cè)量的是光強(qiáng)。光波在光纖內(nèi)傳輸時(shí)，受到周?chē)蛩兀囟?，?yīng)光波在光纖內(nèi)傳輸時(shí)，受到周?chē)蛩兀囟?，?yīng)力，磁場(chǎng)、電場(chǎng)等）的作用，會(huì)引起光波特征參力，磁場(chǎng)、電場(chǎng)等）的作用，會(huì)引起光波特征參數(shù)的改變。數(shù)的改變。通過(guò)抑制非測(cè)量量的作用，根據(jù)輸出光波來(lái)反算通過(guò)抑制非測(cè)量量的作用，根據(jù)輸出光波來(lái)反算被測(cè)物理量的變化。被測(cè)物理量的變化。傳感型：敏感傳感型：敏感+ +傳光，全光纖電流傳感器傳光，全光纖電流傳感器傳光型：傳光型： 其它敏感元件測(cè)量，光纖數(shù)據(jù)傳輸。注其它敏感元件測(cè)量，光纖數(shù)據(jù)傳輸

2、。注意光通訊不屬于此類(lèi)。如磁光玻璃電流傳感器、意光通訊不屬于此類(lèi)。如磁光玻璃電流傳感器、電壓傳感器電壓傳感器以輸出方式定義：有合并單元，有數(shù)字光信以輸出方式定義：有合并單元，有數(shù)字光信號(hào)輸出，模擬量輸出可選。與敏感原理無(wú)關(guān)。號(hào)輸出，模擬量輸出可選。與敏感原理無(wú)關(guān)。 光學(xué)電流和電壓互感器也屬于電子式互感器，光學(xué)電流和電壓互感器也屬于電子式互感器，合并單元及其其后的應(yīng)用相同。合并單元及其其后的應(yīng)用相同。第一部分 OCT介紹1 1、概述、概述2 2、工作原理、工作原理3 3、特點(diǎn)、特點(diǎn)磁飽和導(dǎo)致暫態(tài)大電流無(wú)法測(cè)量磁飽和導(dǎo)致暫態(tài)大電流無(wú)法測(cè)量絕緣結(jié)構(gòu)在高電壓時(shí)體積大、成本高絕緣結(jié)構(gòu)在高電壓時(shí)體積大、成

3、本高油氣爆炸風(fēng)險(xiǎn)，二次開(kāi)路導(dǎo)致的高壓油氣爆炸風(fēng)險(xiǎn)，二次開(kāi)路導(dǎo)致的高壓二次負(fù)載對(duì)精度有影響，輸出沒(méi)有數(shù)字化二次負(fù)載對(duì)精度有影響，輸出沒(méi)有數(shù)字化OCT介紹概述OCT（光CT）即光學(xué)電流互感器。國(guó)內(nèi)對(duì)OCT的定義比較模糊只要用到光纖的CT都稱(chēng)為OCT，其實(shí)不然，只有通過(guò)法拉第磁光效應(yīng)對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量的才是真正的OCT。法拉第磁光法拉第磁光效應(yīng)（效應(yīng)（18461846提出）提出）法拉第電磁法拉第電磁感應(yīng)（感應(yīng)（18861886年專(zhuān)利）年專(zhuān)利）磁光玻璃式磁光玻璃式 全光纖式全光纖式鐵芯互感式鐵芯互感式低功率線(xiàn)圈式（低功率線(xiàn)圈式（LPCTLPCT）空心線(xiàn)圈式（空心線(xiàn)圈式（RCTRCT）(Rogowsgi(R

4、ogowsgi線(xiàn)圈線(xiàn)圈)(1912)(1912年年) )OCT介紹工作原理磁光法拉第效應(yīng)磁光法拉第效應(yīng)1845年，法拉第發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一塊玻璃被置于強(qiáng)磁場(chǎng)中時(shí)，它會(huì)具有光學(xué)活性。當(dāng)一束線(xiàn)偏振光沿著與磁場(chǎng)平行的方向通過(guò)這塊玻璃時(shí)，線(xiàn)偏振光的振動(dòng)平面將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)F。OCT介紹工作原理安培環(huán)路定理安培環(huán)路定理如果敏感路徑是閉合環(huán)路，將遵守安培環(huán)路定律于是環(huán)路下的法拉第相角的大小VINIVNHdlVNVHdllNillNFilHdlIOCT介紹概述OCT的結(jié)構(gòu)形式OCT介紹工作原理磁光玻璃式磁光玻璃式OCT工作原理工作原理光源-偏振器，偏振器將光波轉(zhuǎn)化為線(xiàn)偏振光進(jìn)入磁光玻璃；在電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用下，線(xiàn)偏振光

5、的方位角會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在磁光玻璃的輸出端放置一個(gè)檢偏器，當(dāng)偏振光方位角發(fā)生改變時(shí)，透過(guò)檢偏器的光強(qiáng)隨之改變；輸出光經(jīng)過(guò)傳輸光纖到達(dá)低壓側(cè)的探測(cè)器，利用二次處理系統(tǒng)可以對(duì)探測(cè)器輸出進(jìn)行采集，從而得到對(duì)應(yīng)的電流值。OCT介紹工作原理優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，數(shù)字處理較為容易；缺點(diǎn)是它采用開(kāi)環(huán)工作模式，由于偏振光方位角與輸出光強(qiáng)對(duì)應(yīng)關(guān)系為正弦函數(shù)，隨著測(cè)量范圍的增加，非線(xiàn)性誤差增大。)cos1 (21P0PDOCT介紹工作原理全光纖式全光纖式OCT的敏感原理的敏感原理相比磁光玻璃式OCT來(lái)說(shuō)，全光纖式OCT的光路要復(fù)雜的多。敏感光路雖然也是利用磁光法拉第效應(yīng)，但不是簡(jiǎn)單地檢測(cè)一束線(xiàn)偏振光的偏轉(zhuǎn)角，而是通過(guò)檢測(cè)兩

6、束圓偏振光（一束左旋，一束右旋）的光程差來(lái)獲取磁場(chǎng)（或電流）大小的。1A電流引起的光程差為0.1nm，必須通過(guò)干涉的方法來(lái)測(cè)量。OCT介紹工作原理全光纖式全光纖式OCT工作原理工作原理光源-耦合器-偏振器，光波轉(zhuǎn)化為線(xiàn)偏振光，并45度進(jìn)入相位調(diào)制器，在相位調(diào)制器上施加調(diào)制，兩束受到調(diào)制的光波進(jìn)入了光纖線(xiàn)圈，在電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用下，兩束光波之間產(chǎn)生正比于載體電流的相位角，經(jīng)反射鏡反射后兩束光波返回到相位調(diào)制器、偏振器、耦合器，最后進(jìn)入光電探測(cè)器，輸出的電壓信號(hào)被信號(hào)處理電路接收并運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果通過(guò)數(shù)字接口輸出。OCT介紹工作原理全光纖全光纖OCT的閉環(huán)控制原理框圖的閉環(huán)控制原理框圖采用閉環(huán)控制

7、技術(shù)可以將測(cè)量范圍大大提高由于光通過(guò)傳感器部分只需要由于光通過(guò)傳感器部分只需要ss級(jí)時(shí)間，因而頻級(jí)時(shí)間，因而頻帶寬度完全由信號(hào)處理部分電子線(xiàn)路響應(yīng)速度決定；帶寬度完全由信號(hào)處理部分電子線(xiàn)路響應(yīng)速度決定；可達(dá)可達(dá)10kHz10kHz。 能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的暫態(tài)電流測(cè)量、電能質(zhì)量分析、能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的暫態(tài)電流測(cè)量、電能質(zhì)量分析、故障錄波等故障錄波等 一、二次側(cè)的信號(hào)傳遞依靠光纖，絕緣易于實(shí)現(xiàn)一、二次側(cè)的信號(hào)傳遞依靠光纖，絕緣易于實(shí)現(xiàn) 電壓等級(jí)越高，優(yōu)勢(shì)也越明顯電壓等級(jí)越高，優(yōu)勢(shì)也越明顯 無(wú)二次開(kāi)路危險(xiǎn)、無(wú)爆炸危險(xiǎn)無(wú)二次開(kāi)路危險(xiǎn)、無(wú)爆炸危險(xiǎn) 耗材少、運(yùn)輸成本低、占地面積少、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單耗材少、運(yùn)輸成本低、占

8、地面積少、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單敏感頭柔性設(shè)計(jì)，安裝方式靈活，可以輕松實(shí)現(xiàn)與隔敏感頭柔性設(shè)計(jì)，安裝方式靈活，可以輕松實(shí)現(xiàn)與隔離開(kāi)關(guān)、離開(kāi)關(guān)、GISGIS開(kāi)關(guān)、斷路器、變壓器等設(shè)備的集成安裝開(kāi)關(guān)、斷路器、變壓器等設(shè)備的集成安裝 無(wú)附加動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定問(wèn)題無(wú)附加動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定問(wèn)題OCT介紹應(yīng)用方式很容易與很容易與GIS等設(shè)備進(jìn)行集成，等設(shè)備進(jìn)行集成，F(xiàn)iber cableCurrentSF6gas Circuit breaker Sensor electronicsSensing fiber coilFiber cableCurrentSF6gas Circuit breaker Sensor electro

9、nicsSensing fiber coil 抗電磁干擾能力強(qiáng)抗電磁干擾能力強(qiáng) 其偏心安裝、套筒外安裝等方式均不影響使用精度其偏心安裝、套筒外安裝等方式均不影響使用精度 計(jì)量精度滿(mǎn)足計(jì)量精度滿(mǎn)足0.2S0.2S準(zhǔn)確級(jí)要求準(zhǔn)確級(jí)要求 保護(hù)精度遠(yuǎn)優(yōu)于保護(hù)精度遠(yuǎn)優(yōu)于5P5P 在在1%-200%1%-200%額定電流范圍內(nèi)滿(mǎn)足計(jì)量精度額定電流范圍內(nèi)滿(mǎn)足計(jì)量精度 在在200kA200kA范圍內(nèi)滿(mǎn)足保護(hù)精度要求范圍內(nèi)滿(mǎn)足保護(hù)精度要求采用閉環(huán)控制技術(shù)帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)采用閉環(huán)控制技術(shù)帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn) 抗可同時(shí)精確測(cè)量交、直流，滿(mǎn)足諧抗可同時(shí)精確測(cè)量交、直流，滿(mǎn)足諧波準(zhǔn)確度測(cè)量的要求；波準(zhǔn)確度測(cè)量的要求；光路全部采用光纖熔

10、接技術(shù)，工藝性好。光路全部采用光纖熔接技術(shù)，工藝性好。 磁光玻璃式磁光玻璃式OCTOCT，組合式，組合式磁光玻璃式磁光玻璃式OCTOCT， 全光纖電子式電流互感器全光纖電子式電流互感器 通過(guò)了型式試驗(yàn)，準(zhǔn)確度達(dá)到通過(guò)了型式試驗(yàn)，準(zhǔn)確度達(dá)到0.20.2級(jí)，級(jí)，0.2S0.2S，0.10.1級(jí)級(jí)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)110kV110kV整站的商用整站的商用OCT代表未來(lái)的發(fā)展方向OCT介紹問(wèn)題運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)少運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)少，長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性有待運(yùn)行考驗(yàn)，用戶(hù)的信心建立在產(chǎn)品的使用情況上。需要用戶(hù)與設(shè)備制造商一起努力來(lái)推動(dòng)新技術(shù)的發(fā)展。使用起點(diǎn)高，需要和配套的數(shù)字計(jì)量系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)配合使用才能發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。安裝和

11、使用盡管簡(jiǎn)單，但工作人員更熟悉運(yùn)行了幾十年的傳統(tǒng)設(shè)備，配套運(yùn)行規(guī)程需調(diào)整。OCT介紹特點(diǎn)有待各方共同的工作解決有待各方共同的工作解決配套的檢定方法配套的檢定方法配套的標(biāo)準(zhǔn)配套的標(biāo)準(zhǔn)配套的設(shè)計(jì)等規(guī)程配套的設(shè)計(jì)等規(guī)程第二部分 OPT介紹1 1、概述、概述2 2、工作原理、工作原理3 3、特點(diǎn)、特點(diǎn)OVT介紹概述OVT也稱(chēng)為OPT（光PT），利用光學(xué)的方法來(lái)測(cè)量電場(chǎng)，間接達(dá)到測(cè)量電壓信號(hào)。近十幾年來(lái)，有許多國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)紛紛加入了OVT的研究開(kāi)發(fā)行列。目前，只有Nxtphase、ABB有相關(guān)產(chǎn)品化的報(bào)道。難度要比OCT大。OVT介紹概述OVT的分類(lèi)的分類(lèi)國(guó)內(nèi)外關(guān)于OVT的主流方案主有兩種。逆壓電效應(yīng)

12、型逆壓電效應(yīng)型泡克爾斯（泡克爾斯（Pockers）效應(yīng)型）效應(yīng)型OVT介紹概述ABB重點(diǎn)研究逆壓電效應(yīng)型OVTNxtPhase重點(diǎn)研究泡克爾斯效應(yīng)型OVTOVT介紹概述從國(guó)外公司研究的產(chǎn)品化進(jìn)程來(lái)看，泡克爾斯OVT比逆壓電效應(yīng)OVT更加有優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)有少數(shù)幾家高校對(duì)兩種效應(yīng)的OVT進(jìn)行了一些探索性研究，并取得了一些研究成果。但是，在產(chǎn)品的工程化方面還存在很大的差距，迫切需要由工程單位進(jìn)行有效的產(chǎn)品化研究。OVT介紹工作原理逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)當(dāng)壓電晶體受到外加電場(chǎng)作用時(shí)，晶體除了產(chǎn)生極化現(xiàn)象以外，同時(shí)形狀也將產(chǎn)生微小變化，即產(chǎn)生應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。若將逆壓電效應(yīng)引起的晶體形變轉(zhuǎn)化為光信

13、號(hào)的調(diào)制并檢測(cè)光信號(hào)，則可實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)(或電壓)的光學(xué)傳感。電壓引起的相位差： KNUOVT介紹工作原理泡克爾斯（泡克爾斯（Pockels）效應(yīng)）效應(yīng)當(dāng)光波通過(guò)晶體時(shí)，在兩個(gè)軸上光波之間的相位差會(huì)隨著電壓（或電場(chǎng)）改變。干涉后的合成波偏振態(tài)會(huì)發(fā)生變化，無(wú)電壓時(shí)為圓偏振，有電壓時(shí)為橢圓偏振，偏振度大小與兩束光的相位差有關(guān)。通過(guò)檢測(cè)相位差 就可以得到被測(cè)電壓，但是直接測(cè)量相位是很困難的，必須通過(guò)干涉后檢測(cè)功率變化來(lái)計(jì)算相位差，從而計(jì)算得出電壓。相位差與施加電壓的關(guān)系如下：OVT介紹特點(diǎn)OVT的優(yōu)點(diǎn)：的優(yōu)點(diǎn)：1）絕緣性能好，用來(lái)做傳感材料的磁光玻璃（或光纖）、傳輸信號(hào)的光纖都是良好的絕緣材料；2）測(cè)量頻帶寬，可以達(dá)到1kHz以上；3）不存在鐵磁諧振等問(wèn)題；4）體積小，重量輕，節(jié)能環(huán)保，無(wú)需充油；5）適應(yīng)了電力保護(hù)和計(jì)量的數(shù)字化