畢業(yè)論文電力系統(tǒng)用電子式互感器技術(shù)進(jìn)展

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- PAGE II - PAGE III -電力系統(tǒng)用電子式互感器技術(shù)進(jìn)展摘要電力系統(tǒng)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，互感器是電力系統(tǒng)中為電能測(cè)量、監(jiān)控、保護(hù)等提供電流、電壓信號(hào)的重要設(shè)備，其精度、可靠性能及穩(wěn)定性與電力系統(tǒng)的安全、長(zhǎng)期、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行密切相關(guān)，是電力系統(tǒng)中不可或缺的電力設(shè)備之一6。但是，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，電力工業(yè)也得到了迅猛的發(fā)展，電力系統(tǒng)輸電容量不斷擴(kuò)大，遠(yuǎn)距離輸電不斷增加，電網(wǎng)電壓等級(jí)不斷上升，隨之對(duì)電力設(shè)備小型化、智能化、準(zhǔn)確化的要求也日益增加。目前系統(tǒng)中廣泛運(yùn)用的基于法拉第感應(yīng)原理的電磁式電流互感器、電磁式電壓互感器

2、因傳感機(jī)理已經(jīng)呈現(xiàn)出了無(wú)法克服的困難，比如說(shuō)絕緣、爆炸、磁干擾、磁飽和、鐵磁諧振、動(dòng)態(tài)范圍小、體積大、重量重等問(wèn)題。重要的是，電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是計(jì)算機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，這些都要求互感器輸出的數(shù)字化。在查了大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本文全面而詳盡地分析了電子式互感器的工作原理和特點(diǎn)，并與傳統(tǒng)電磁式互感器進(jìn)行比較，證明電子式互感器比傳統(tǒng)電磁式互感器具有多方面的優(yōu)勢(shì)，可以更好的滿(mǎn)足現(xiàn)代電力系統(tǒng)對(duì)互感器的需求，指出電子式互感器是電磁式互感器的理想替代品，為電力系統(tǒng)用互感器的研究指明了方向，達(dá)到了“研究規(guī)律、掌握規(guī)律、應(yīng)用規(guī)律”的目的。關(guān)鍵詞電力系統(tǒng)；電子式互感器；數(shù)字化；規(guī)律The development

3、 of electronic transducer which use in Electric power system AbstractElectric power is very important in our daily life as it is the lifeblood of national economy. Transformers working in power system are the indispensable electrical equipments in the power system and without transformers the measur

4、ement system, monitoring system and protection system cannot work. The accuracy, reliability and stability of the transformer will influence the security, stability and economic operation of the power system. But in the recent years the electric power industry developed rapidly with the continuous d

5、evelopment of Chinas economic construction. Along with the continuous rising voltage level, the expanding transmission capacity and the increasing long-distance transmission, the modern power system calls for small size, intelligence and high accuracy power equipments. Current transformer based on F

6、araday principle of electromagnetic induction possesses shortcomings like bulky, heavy, analog output, insulation difficult, magnetic saturation, small dynamic range, narrow band, flammable and so on. The more important is that the power system is tend to digital, networked and intelligent. In the b

7、asis of reading a large number of literature. This paper is devoted to the study the working principle and characteristics of the electronic transformers, and the investigated result shows that electronic transformers possess many advantages and can better meet the needs of the modern power system c

8、omparing with the traditional transformers. At the same time this paper tries to point out the direction of further development of the electronic transformers. Thus, this paper achieves the purpose of To research the law, to understand the law, to use the law .Keywords power system,；electronic trans

9、former；digital； regularPAGE II- - PAGE V -目錄摘要 = 1 * ROMAN IAbstract = 2 * ROMAN II TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc328037395 第1章 緒論 PAGEREF _Toc328037395 h 6 HYPERLINK l _Toc328037396 1.1 課題背景 PAGEREF _Toc328037396 h 6 HYPERLINK l _Toc328037397 1.2 互感器的簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc328037397 h 6 HYPERLINK l _Toc3

10、28037398 1.2.1 互感器的作用 PAGEREF _Toc328037398 h 6 HYPERLINK l _Toc328037399 1.2.2 互感器的分類(lèi) PAGEREF _Toc328037399 h 7 HYPERLINK l _Toc328037400 1.3 電子式互感器 PAGEREF _Toc328037400 h 8 HYPERLINK l _Toc328037401 1.3.1 電子式互感器的分類(lèi) PAGEREF _Toc328037401 h 8 HYPERLINK l _Toc328037402 1.3.2 電子式電流互感器的結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc

11、328037402 h 9 HYPERLINK l _Toc328037403 1.3.3 電子式電壓互感器的結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc328037403 h 11 HYPERLINK l _Toc328037404 1.4 電子式互感器與傳統(tǒng)互感器的比較 PAGEREF _Toc328037404 h 13 HYPERLINK l _Toc328037405 1.4.1 傳統(tǒng)式互感器的特點(diǎn) PAGEREF _Toc328037405 h 13 HYPERLINK l _Toc328037406 1.4.2 電子式互感器的特點(diǎn) PAGEREF _Toc328037406 h 13 HYPE

12、RLINK l _Toc328037407 第2章 電子式電流互感器 PAGEREF _Toc328037407 h 15 HYPERLINK l _Toc328037408 2.1 磁光電流互感器 PAGEREF _Toc328037408 h 15 HYPERLINK l _Toc328037409 2.1.1 磁光電流互感器的原理 PAGEREF _Toc328037409 h 15 HYPERLINK l _Toc328037410 2.1.2 磁光電流互感器的結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc328037410 h 16 HYPERLINK l _Toc328037411 2.1.3 磁

13、光電流互感器的穩(wěn)定性問(wèn)題 PAGEREF _Toc328037411 h 17 HYPERLINK l _Toc328037412 2.2 全光纖電流互感器 PAGEREF _Toc328037412 h 18 HYPERLINK l _Toc328037413 2.2.1 概述 PAGEREF _Toc328037413 h 18 HYPERLINK l _Toc328037414 2.2.2 基于偏振檢測(cè)方法的全光纖電流互感器 PAGEREF _Toc328037414 h 18 HYPERLINK l _Toc328037415 2.2.3 基于干涉檢測(cè)方法的全光纖電流互感器 PAGER

14、EF _Toc328037415 h 20 HYPERLINK l _Toc328037416 2.3 空心線(xiàn)圈電流互感器 PAGEREF _Toc328037416 h 21 HYPERLINK l _Toc328037417 2.3.1 空心線(xiàn)圈原理 PAGEREF _Toc328037417 h 21 HYPERLINK l _Toc328037418 2.3.2 空心線(xiàn)圈的類(lèi)型 PAGEREF _Toc328037418 h 23 HYPERLINK l _Toc328037419 2.3.3 空心線(xiàn)圈電流互感器性能分析 PAGEREF _Toc328037419 h 24 HYPER

15、LINK l _Toc328037420 2.4 補(bǔ)償式光學(xué)電流互感器 PAGEREF _Toc328037420 h 26 HYPERLINK l _Toc328037421 2.4.1 比較式光學(xué)電流互感器 PAGEREF _Toc328037421 h 26 HYPERLINK l _Toc328037422 2.4.2 自適應(yīng)式光學(xué)電流互感器 PAGEREF _Toc328037422 h 28 HYPERLINK l _Toc328037423 第3章 電子式電壓互感器 PAGEREF _Toc328037423 h 31 HYPERLINK l _Toc328037424 3.1

16、光學(xué)電壓互感器 PAGEREF _Toc328037424 h 31 HYPERLINK l _Toc328037425 3.1.1 基于Pokels效應(yīng)的光學(xué)電壓互感器原理 PAGEREF _Toc328037425 h 31 HYPERLINK l _Toc328037426 3.1.2 Pockles效應(yīng)電場(chǎng)傳感頭的基本結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc328037426 h 32 HYPERLINK l _Toc328037427 3.2 阻容分壓型電壓互感器 PAGEREF _Toc328037427 h 34 HYPERLINK l _Toc328037428 3.2.1 電阻分壓型電

17、壓互感器 PAGEREF _Toc328037428 h 34 HYPERLINK l _Toc328037429 3.2.2 電容分壓型電壓互感器 PAGEREF _Toc328037429 h 36 HYPERLINK l _Toc328037430 第4章 組合式電子電流電壓互感器 PAGEREF _Toc328037430 h 38 HYPERLINK l _Toc328037431 4.1 組合式光學(xué)電子電流電壓互感器 PAGEREF _Toc328037431 h 38 HYPERLINK l _Toc328037432 4.1.1 組合式光學(xué)電子電流電壓互感器的構(gòu)成 PAGERE

18、F _Toc328037432 h 38 HYPERLINK l _Toc328037433 4.1.2 組合式光學(xué)電子電流電壓互感器的分類(lèi) PAGEREF _Toc328037433 h 39 HYPERLINK l _Toc328037434 4.1.3 組合式光學(xué)電子電流電壓互感器的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc328037434 h 40 HYPERLINK l _Toc328037435 4.2 GIS中電子電流電壓互感器 PAGEREF _Toc328037435 h 41 HYPERLINK l _Toc328037436 4.2.1 概述 PAGEREF _Toc328

19、037436 h 41 HYPERLINK l _Toc328037437 4.2.2 GIS中電子式電流電壓互感器的結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc328037437 h 41 HYPERLINK l _Toc328037438 第5章 全文總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc328037438 h 43 HYPERLINK l _Toc328037439 5.1 本文主要工作總結(jié) PAGEREF _Toc328037439 h 43 HYPERLINK l _Toc328037440 5.2 電子式互感器技術(shù)展望 PAGEREF _Toc328037440 h 43 HYPERLINK l

20、_Toc328037441 致謝 PAGEREF _Toc328037441 h 46 HYPERLINK l _Toc328037442 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc328037442 h 47 HYPERLINK l _Toc328037443 附錄 PAGEREF _Toc328037443 h 51- PAGE 10 - PAGE 62 -緒論課題背景目前電力系統(tǒng)大多采用的是傳統(tǒng)的電磁式電流互感器和電壓互感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流和電壓的測(cè)量。電磁式互感器經(jīng)歷了一百多年的發(fā)展，材料和制作工藝不斷改進(jìn)，為提高測(cè)量準(zhǔn)確度而采取了各種補(bǔ)償措施，電磁式互感器已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)相對(duì)比較成熟的階段。曾經(jīng)在

21、很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，電磁式互感器在電力系統(tǒng)中也具有測(cè)量準(zhǔn)確度高和制造工藝成熟的優(yōu)勢(shì)，適應(yīng)了電力系統(tǒng)的測(cè)量要求。但是，由于傳統(tǒng)的電磁式互感器存在的絕緣、爆炸、磁干擾、磁飽和、鐵磁諧振、動(dòng)態(tài)范圍小、體積大、重量重等問(wèn)題，使其已經(jīng)難以滿(mǎn)足當(dāng)今電力系統(tǒng)發(fā)展的要求，電子式互感器取代傳統(tǒng)式互感器已經(jīng)成為一種必然36。電子式互感器主要由傳感元件和數(shù)據(jù)處理單元組成，由于其傳感機(jī)理的先進(jìn)性，絕緣相對(duì)簡(jiǎn)單，不存在爆炸、磁飽和、磁干擾以及鐵磁諧振的問(wèn)題，動(dòng)態(tài)范圍大、頻率響應(yīng)寬，并且結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，適應(yīng)傳感準(zhǔn)確化、傳輸光纖化、輸出數(shù)字化的發(fā)展方向，使其必將成為傳統(tǒng)電磁式互感器的換代產(chǎn)品。數(shù)字化變電站作為當(dāng)今世界的熱門(mén)話(huà)

22、題之一，引起了各界認(rèn)識(shí)的廣泛關(guān)注， 隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，互感器也為了適應(yīng)其而不斷被開(kāi)發(fā)和研究，早在20世紀(jì)50年代，國(guó)外一些公司相繼開(kāi)始了對(duì)新型互感器的研究，并在90年代將電子式互感器應(yīng)用到電力系統(tǒng)中。越來(lái)越多的國(guó)家把目光投向新型電子式互感器的研發(fā)，國(guó)際電工委員會(huì)也頒布了電子式互感器（IEC60044-8）的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，國(guó)內(nèi)也已經(jīng)將此標(biāo)準(zhǔn)等同采用并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的國(guó)標(biāo)：電子式電壓互感器（GB20840.7-2007）和電子式電流互感器（GB20840.8-2007），為電子式互感器的技術(shù)發(fā)展奠定了一定參考基礎(chǔ)8?；ジ衅鞯暮?jiǎn)介互感器的作用互感器是為電力系統(tǒng)中電能的計(jì)量、測(cè)量、監(jiān)控、保護(hù)等提供電流或者

23、電壓信號(hào)的重要電力設(shè)備1。為保證電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)安全的運(yùn)行，就要求被測(cè)信號(hào)能夠準(zhǔn)確的被反映出來(lái)，從而做出相關(guān)動(dòng)作39?；ジ衅魇请娏鬏斚到y(tǒng)中連接一次和二次之間的紐帶，它由一個(gè)或者多個(gè)電流或電壓傳感器組成，用于產(chǎn)生能夠正確反映被測(cè)信號(hào)的量，供給其他測(cè)量?jī)x器或者設(shè)備15?；ジ衅鞯闹饕饔每蓺w納如下：（1）將電力系統(tǒng)一次側(cè)的電流或者電壓信號(hào)傳遞到二次側(cè)，供給其他測(cè)量?jī)x表和計(jì)量裝置，從而正確反映一次側(cè)電流和電壓的運(yùn)行情況。（2）當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，互感器能快速感應(yīng)，并且正確反映出故障狀態(tài)下的電流或者電壓波形，與繼電保護(hù)和其他裝置配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)故障情況下的監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)。（3）互感器實(shí)現(xiàn)了一次高壓

24、側(cè)和二次設(shè)備側(cè)的電氣隔離，從而保證了二次設(shè)備和工作人員的安全，并且將一次側(cè)的高電壓、大電流轉(zhuǎn)換為二次側(cè)的低電壓、小電流，使測(cè)量更標(biāo)準(zhǔn)化?；ジ衅鞯姆诸?lèi)1.按原理分（1）電磁式互感器。是按比例變換電壓或者電流的設(shè)備，它是為測(cè)量?jī)x器、儀表等提供信號(hào)的變壓器。（2）電子式互感器。由連接到傳輸系統(tǒng)和二次轉(zhuǎn)換器的一個(gè)或多個(gè)電流或電壓傳感器組成，采用光電子器件用于傳輸正比于被測(cè)量的量，供給測(cè)量?jī)x器、儀表和繼電保護(hù)或控制設(shè)備的一種裝置。在數(shù)字接口的情況下，一組電子式互感器共用一臺(tái)合并單元完成此功能。2.按用途分（1）測(cè)量用互感器。主要是在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，將大電流變成小電流，高電壓變?yōu)榈碗妷海缓笈c測(cè)量?jī)x表

25、配合，對(duì)電路的電壓、電流、電能等進(jìn)行監(jiān)視、測(cè)量和記錄。（2）保護(hù)用互感器。主要在電力系統(tǒng)非正常運(yùn)行或者故障運(yùn)行條件下，將相應(yīng)的信號(hào)供給繼電保護(hù)或者其他設(shè)備，以便設(shè)備做出相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)非正常運(yùn)行或者故障運(yùn)行的監(jiān)視、記錄和校正。3.按對(duì)象分（1）電流互感器。是利用電磁感應(yīng)原理改變電流量值的一種器件。它的一次繞組串聯(lián)在電路中，并且匝數(shù)很少，因此，一次繞組中的電流完全取決于被測(cè)電路的一次負(fù)荷大小而與二次電流無(wú)關(guān)。而二次繞組與測(cè)量?jī)x表、繼電器等的電流線(xiàn)圈串聯(lián)，由于測(cè)量?jī)x表和繼電器等的電流線(xiàn)圈阻抗都很少，電流互感器的正常工作方式接近于短路狀態(tài)。并且在運(yùn)行中不允許電流互感器二次側(cè)開(kāi)路。如果二次側(cè)開(kāi)路，二次

26、電流為零，這時(shí)電流互感器的一次電流全部用來(lái)勵(lì)磁，鐵芯中的磁通密度劇烈增加，引起鐵芯中有功損耗增大，使鐵芯過(guò)熱，導(dǎo)致互感器損壞。電流互感器又可分為：電磁式電流互感器。是一種正常條件下其二次電流與一次電流成正比，且在連接方法正確時(shí)相位差接近于零的互感器。電子式電流互感器。是一種在正常使用條件下，其二次轉(zhuǎn)換器的輸出正比于一次電流，且相位差在連接方向正確時(shí)接近于已知相位角的互感器。（2）電壓互感器。是利用電磁感應(yīng)原理改變交流電壓量值的一種器件。它的一次側(cè)的電壓不受二次側(cè)負(fù)荷的影響，并且在大多數(shù)情況下，二次側(cè)負(fù)荷是恒定的，且二次側(cè)所接的負(fù)荷是測(cè)量?jī)x表和繼電器的電壓線(xiàn)圈，它們的阻抗很大，因此，電壓互感器的

27、正常工作方式接近于空載狀態(tài)，必須指出，電壓互感器二次側(cè)不允許短路，因?yàn)槎搪冯娏骱艽螅瑫?huì)燒壞電壓互感器。電壓互感器又可分為：電磁式電壓互感器。是一種通過(guò)電磁感應(yīng)將一次電壓按比例變換成二次電壓的電壓互感器，這種互感器不附加其他改變一次電壓的電氣元件。電子式電壓互感器。是一種在正常使用條件下，其二次電壓正比于一次電壓，且相位差在連接方向正確時(shí)接近于已知相位角的互感器。電容式電壓互感器。主要是由電容分壓器和電磁單元組成，其二次電壓正比于一次電壓，且相位差在連接方向正確時(shí)幾乎接近于零。（3）組合互感器。是由電流互感器和電壓互感器組成并裝在同一外殼內(nèi)的互感器。這種互感器同時(shí)具有電流互感器、電壓互感器的功能

28、，也可分為電磁式組合互感器和電子式組合互感器。電子式互感器電子式互感器標(biāo)準(zhǔn)首先定義了電子式互感器及其各部分的組成，其中包括一次傳感器、一次轉(zhuǎn)換器、傳輸系統(tǒng)、二次轉(zhuǎn)換器、合并單元、一次電源以及二次電源。采用光電子器件用于傳輸信號(hào)，供給測(cè)量?jī)x器、儀表和繼電保護(hù)或控制設(shè)備，其輸出信號(hào)一般為正比于被測(cè)量的電壓或者電流信號(hào)。在數(shù)字接口的情況下，一組電子式互感器共用一臺(tái)合并單元。以下將分別對(duì)電子式電流互感器和電子式電壓互感器的分類(lèi)和結(jié)構(gòu)做出詳細(xì)的介紹11。電子式互感器的分類(lèi)1.電子式電流互感器（1）按原理分光學(xué)電流互感器。是利用法拉第磁光效應(yīng)原理，采用光學(xué)原理、器件做電流傳感器的一種互感器。光學(xué)器件主要由

29、光學(xué)玻璃、光纖等組成，其輸出電壓大小正比于被測(cè)電流大小?？招木€(xiàn)圈電流互感器，又稱(chēng)為Rogowski線(xiàn)圈式電流互感器。它是有源電子式互感器，主要由Rogowski線(xiàn)圈和數(shù)字變換器組成。空心線(xiàn)圈一般由漆包線(xiàn)均勻繞制在環(huán)形骨架上，其相對(duì)磁導(dǎo)率與空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率相同，這也是空心線(xiàn)圈電流互感器區(qū)別于其它帶鐵心的電流互感器的一個(gè)顯著特征。空心線(xiàn)圈電流互感器在原理和結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的電流互感器有很大的不同，其性能會(huì)受到溫度及外界磁場(chǎng)等因素的影響。鐵心線(xiàn)圈式低功率電流互感器。它是在傳統(tǒng)式電流互感器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，在一次側(cè)高電流的情況下，其飽和性能得到改善，并且測(cè)量范圍相對(duì)較廣，其輸出為電壓信號(hào)。（2）按用途分

30、測(cè)量用電子式電流互感器。是一種用于測(cè)量的電流互感器，其輸出信號(hào)傳輸至有關(guān)儀器儀表。保護(hù)用電子式電流互感器。是一種用于保護(hù)的電流互感器，其輸出信號(hào)傳輸至繼電保護(hù)和控制裝置。2.電子式電壓互感器（1）按原理分光學(xué)電壓互感器。由光學(xué)材料做敏感原件，利用光纖傳輸信號(hào)，被測(cè)電壓直接加在敏感元件上，且輸出電壓正比于被測(cè)電壓，是一種傳感型電子式電壓互感器。阻容分壓型電壓互感器。是針對(duì)電容分壓型電壓傳感元件的暫態(tài)響應(yīng)不佳問(wèn)題而提出的，被測(cè)電壓由電阻器、電容器或者阻容器分壓后，變?yōu)楣庑盘?hào)通過(guò)光纖傳輸至二次轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過(guò)處理得到被測(cè)電壓。（2）按用途分測(cè)量用電子式電壓互感器。是一種用于測(cè)量的電壓互感器，其輸出信號(hào)傳

31、輸至有關(guān)儀器儀表。保護(hù)用電子式電壓互感器。是一種用于保護(hù)的電壓互感器，其輸出信號(hào)傳輸至繼電保護(hù)和控制裝置。電子式電流互感器的結(jié)構(gòu)為了規(guī)范和推動(dòng)互感器行業(yè)的快速健康發(fā)展，我國(guó)于2007年1月頒布了電子式電流互感器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T20840.8-2007，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電子式互感器數(shù)字量的輸出做了一些規(guī)定7。圖1-1是電子式光學(xué)電流互感器在變電站中運(yùn)行的一般模式，光源發(fā)出的光通過(guò)光纜傳輸至位于絕緣套管高壓區(qū)的傳感頭，經(jīng)處理后，光信號(hào)又通過(guò)光纜從高壓區(qū)傳至低壓區(qū)二次轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，信號(hào)再經(jīng)過(guò)處理后進(jìn)入合并單元，合并單元的同步高速數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)各路模擬量進(jìn)行采集，并將所采集的數(shù)據(jù)以串行的方式輸?shù)蕉?/p>

32、設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的計(jì)量、監(jiān)控以及保護(hù)。圖1-1 電子式光學(xué)電流互感器在變電站運(yùn)行的一般模式電子式電流互感器的通用框圖如圖1-2、圖1-3所示，是國(guó)標(biāo)GB/T 20840.72008提供的，本圖是依據(jù)所采用的技術(shù)確定電子式電流互感器所需要的部件，并非所有列出的部件都是必須的。圖1-2 單相電子式電流互感器的通用框圖圖1-2中各部分的解釋如下：一次電流傳感器是指電氣、電子、光學(xué)或者其他裝置，由通過(guò)一次端子的電流產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，再經(jīng)過(guò)一次轉(zhuǎn)換器傳送給二次轉(zhuǎn)換器；一次轉(zhuǎn)換器是將來(lái)自電流傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于傳輸系統(tǒng)的信號(hào)；傳輸系統(tǒng)是一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)之間傳輸信號(hào)的紐帶，可實(shí)現(xiàn)短距離和長(zhǎng)距離的傳輸；一

33、次電源是為一次電流傳感器或者一次轉(zhuǎn)換器提供電源使用的；二次轉(zhuǎn)換器是將一次系統(tǒng)傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成為可供給其他測(cè)量?jī)x器儀表和繼電保護(hù)裝置的信號(hào)，該信號(hào)與一次側(cè)電流成正比；二次電源是二次轉(zhuǎn)換器的電源，為二次系統(tǒng)提供所需要的電能9。圖1-3是數(shù)字輸出型電子式電流互感器的通用框圖1。每個(gè)數(shù)據(jù)通道承載著一臺(tái)電子式電流互感器或者一臺(tái)電子式電壓互感器，采樣到的數(shù)據(jù)通過(guò)單一數(shù)據(jù)線(xiàn)傳輸?shù)胶喜卧?，合并單元匯集多達(dá)12個(gè)二次轉(zhuǎn)換器數(shù)字通道。如果是在多相的情況下，多個(gè)數(shù)據(jù)可以通過(guò)同一個(gè)接口傳輸?shù)篮喜卧?。圖1-3 數(shù)字接口框圖示例EVTa的SC為a相電子式電壓互感器的熱刺轉(zhuǎn)換器（見(jiàn)GB/T 20840.7），

34、ECTa的SC為a相電子式電流互感器的二次轉(zhuǎn)換器，可能有其他數(shù)據(jù)通道映射（見(jiàn)GB/T 20840.8 6.2.6）電子式電壓互感器的結(jié)構(gòu)電壓互感器的作用主要是將一次側(cè)高電壓轉(zhuǎn)換成適合于二次側(cè)繼電保護(hù)和測(cè)量的低電壓，要求一次和二次系統(tǒng)必須進(jìn)行電氣隔離。電子式電壓互感器是一個(gè)依賴(lài)電子元件取樣、處理以及輸出信號(hào)的電壓互感器。電子式電壓互感器的通用框圖如圖1-4、圖1-5所示，依據(jù)所采用的技術(shù)確定電子式電壓互感器所需器件，并非所有列出的部件都是必須的。電子式電壓互感器的測(cè)量準(zhǔn)確化、傳輸光纖化和輸出數(shù)字化能滿(mǎn)足未來(lái)電力發(fā)展需要。隨著加工工藝和材料工藝的提高，微電子技術(shù)、微機(jī)技術(shù)和光子技術(shù)的發(fā)展，更基于自

35、身原理上的優(yōu)勢(shì)，電子式電壓互感器必將在電力系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用，并最終取代傳統(tǒng)的電壓互感器，成為最為可取的下一代互感器。圖1-4 單相電子式接地電壓互感器通用框圖圖1-5 三相電子式電壓互感器通用框圖圖1-4和圖1-5中各部分解釋如下：一次電壓端子是指將一次電壓施加到電子式電壓互感器上的端子；一次電壓傳感器是指電氣、電子、光學(xué)或者其他裝置，由通過(guò)一次端子的電壓產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，再經(jīng)過(guò)一次轉(zhuǎn)換器傳送給二次轉(zhuǎn)換設(shè)備；一次轉(zhuǎn)換器是將來(lái)自電壓傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于傳輸系統(tǒng)的信號(hào)；傳輸系統(tǒng)是一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)之間傳輸信號(hào)的紐帶，可實(shí)現(xiàn)短距離和長(zhǎng)距離的傳輸；一次電源是為一次電壓傳感器或者一次轉(zhuǎn)換器提供電源使

36、用的；二次轉(zhuǎn)換器是將一次系統(tǒng)傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成為可供給其他測(cè)量?jī)x器、儀表和繼電保護(hù)裝置的信號(hào)，該信號(hào)與一次側(cè)電流成正比；二次電源是二次轉(zhuǎn)換器的電源，為二次系統(tǒng)提供所需要的電能；二次電壓端子是用以測(cè)量?jī)x表和繼電保護(hù)或者控制裝置的電壓電路供電的端子。電子式互感器與傳統(tǒng)互感器的比較傳統(tǒng)式互感器的特點(diǎn)在電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)互感器通常包括電磁式電流、電壓互感器和電容式電壓互感器；傳統(tǒng)式互感器的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在：（1）易發(fā)生磁飽和現(xiàn)象。傳統(tǒng)互感器在非正常運(yùn)行條件下，比如說(shuō)當(dāng)電路發(fā)生短路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的電流，互感器鐵心將會(huì)保留較大剩磁，鐵心嚴(yán)重飽和，使得二次電流不能正確反映出一次電流，從而不能做出相應(yīng)保護(hù)

37、動(dòng)作，甚至出現(xiàn)誤動(dòng)的情況4。（2）對(duì)低頻、高頻以及非周期分量測(cè)量不準(zhǔn)確，且不能測(cè)量直流分量。因電磁式互感器存在磁飽和的問(wèn)題，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流可達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)的2030倍以上，這將無(wú)法對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。而且電磁式互感器傳感頭由鐵心構(gòu)成，頻率響應(yīng)很低。（3）存在鐵磁諧振，抗干擾能力弱。傳統(tǒng)電壓互感器中，電磁式電壓互感器呈感性，而斷路器端口呈容性，兩者連接會(huì)產(chǎn)生電磁諧振。此外，電容式電壓互感器本身就含有多個(gè)非線(xiàn)性電感元件和電容元件，在適當(dāng)?shù)臈l件下，其自身也可發(fā)生諧振，從而導(dǎo)致補(bǔ)償電抗器和中間變壓器繞組擊穿4。（4）絕緣困難。由于一次側(cè)和二次側(cè)之間存在著電氣連接和能量的傳遞，隨著電壓等級(jí)的

38、不斷提高，傳統(tǒng)式互感器的絕緣問(wèn)題大大增加，用絕緣油等進(jìn)行絕緣，不但體積大、重量重，而且存在著爆炸的危險(xiǎn)。（5）輸出為模擬量。傳統(tǒng)式互感器的二次側(cè)輸出為正比于一次側(cè)的電壓或電流信號(hào)，為模擬量，不能直接與微機(jī)化計(jì)量和保護(hù)設(shè)備接口，不適應(yīng)電力系統(tǒng)數(shù)字化的要求。（6）經(jīng)濟(jì)性不好。傳統(tǒng)式互感器體積大、造價(jià)高，隨著電壓等級(jí)的不斷提高，互感器的成本也相應(yīng)提高，且占地面積大。電子式互感器的特點(diǎn)近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者致力于電子式互感器的研究，作為一種新型的電氣設(shè)備，與傳統(tǒng)互感器相比，它有著極為優(yōu)越的特點(diǎn)2，主要表現(xiàn)在：（1）消除了磁飽和現(xiàn)象。在電子式互感器中，光學(xué)互感器、空心線(xiàn)圈互感器不具有鐵心，故不存在磁飽和

39、的問(wèn)題，從而大大提高了各類(lèi)故障測(cè)量的準(zhǔn)確性，也提高了保護(hù)裝置動(dòng)作的正確率3。（2）頻率響應(yīng)范圍寬，動(dòng)態(tài)范圍大。光學(xué)互感器、空心線(xiàn)圈電流互感器的頻率響應(yīng)都很寬，不僅可以對(duì)暫態(tài)電流、高頻大電流進(jìn)行測(cè)量，而且還可以測(cè)出諧波電流。（3）消除了鐵磁諧振，抗干擾能力強(qiáng)。電子式互感器的結(jié)構(gòu)，決定了它不存在構(gòu)成電磁諧振的條件，其抗干擾能力強(qiáng)。（4）具有良好的絕緣性能。電子式互感器絕緣相對(duì)簡(jiǎn)單，不像傳統(tǒng)式互感器用絕緣油，其高壓側(cè)與地電位側(cè)之間采用絕緣材料制造的玻璃纖維來(lái)傳輸信號(hào)，體積小、重量輕、絕緣性能好。（5）適應(yīng)電力系統(tǒng)輸出數(shù)字化的發(fā)展要求。電子式互感器直接輸出數(shù)字信號(hào)，有助于二次設(shè)備對(duì)信號(hào)的接收和處理，加

40、速了電力系統(tǒng)數(shù)字化和信息化的進(jìn)程12。（6）經(jīng)濟(jì)性好。電子式互感器體積小、重量輕，可以直接組合到其他保護(hù)裝置或者高壓設(shè)備中，共用支撐絕緣子，不但節(jié)省了變電站的占地面積，而且減少了成本43。綜上所述，電子式互感器具有傳統(tǒng)式互感器的全部功能，此外更具有優(yōu)于傳統(tǒng)式互感器的性能。下面章節(jié)中，我將給大家詳細(xì)介紹電子式電流互感器、電子是電壓互感器以及組合式電子電流電壓互感器。電子式電流互感器磁光電流互感器光學(xué)電流互感器的種類(lèi)很多，有我們所熟知的磁光式電流互感器、全光纖電流互感器等等，它們的原理大致相同，都是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，利用光強(qiáng)、偏振態(tài)以及波長(zhǎng)等的變化來(lái)測(cè)量電流28。本章討論的是光學(xué)電流互感器，

41、其利用法拉第磁光效應(yīng)，可以準(zhǔn)確的測(cè)量電流信號(hào)。磁光電流互感器的原理1864年，法拉第發(fā)現(xiàn)在磁場(chǎng)作用下，本來(lái)不具備旋光性的物質(zhì)也可發(fā)生旋光性，這種效應(yīng)后來(lái)被稱(chēng)為法拉第磁光效應(yīng)。如圖2-1所示為法拉第效應(yīng)原理圖，在外加磁場(chǎng)H的作用下，當(dāng)一束線(xiàn)性偏振光通過(guò)放在磁場(chǎng)中的法拉第傳感元件（一般為磁光玻璃）時(shí)，若磁場(chǎng)方向與光的傳播方向相同時(shí)，則入射偏振光的偏振面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)，且偏振面旋轉(zhuǎn)角正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度H沿偏振光通過(guò)材料路徑的線(xiàn)積分5，即： (2-1)式中V為磁光材料的Verdet常數(shù)；N為光路環(huán)路數(shù)；i為被測(cè)電流；H為外加磁場(chǎng)。由上式可知，角與被測(cè)電流成正比，利用檢偏器將角度的變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)的變化，經(jīng)相應(yīng)處

42、理后便可求得被測(cè)電流i的大小。偏振面的旋轉(zhuǎn)角偏振面的旋轉(zhuǎn)角磁場(chǎng)H法拉第傳感元件入射線(xiàn)偏振光出射線(xiàn)偏振光圖2-1 法拉第效應(yīng)原理圖磁光電流互感器的結(jié)構(gòu)磁光電流互感器由傳感頭、光路部分（光源、準(zhǔn)直透鏡、起偏器、檢偏器、傳輸系統(tǒng)等）、信號(hào)處理系統(tǒng)等組成，一般由重火石玻璃作為傳感頭的光學(xué)介質(zhì)，用于改變光的傳播方向。如圖2-2所示，由發(fā)光二極管LED提供光源信號(hào)，通過(guò)光纖傳輸，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡之后成為平行光束，再經(jīng)起偏器變?yōu)榫€(xiàn)性偏振光進(jìn)入傳感頭，光在傳感頭內(nèi)繞導(dǎo)體一圈，并在電流磁場(chǎng)的作用下光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，出射光經(jīng)檢偏器檢偏后再通過(guò)另一只光纖傳輸，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡進(jìn)入二次轉(zhuǎn)換器6。磁光電流互感器的傳感頭設(shè)計(jì)極

43、為重要。首先，光學(xué)傳感頭必須具有保偏性，即入射至傳感頭的線(xiàn)性偏振光傳播至出射端口時(shí)也必須是線(xiàn)性偏振光，并且偏振光旋轉(zhuǎn)角只受被測(cè)電流的影響；其次，光路應(yīng)盡可能的圍繞載流導(dǎo)體閉合，以減少外界磁場(chǎng)的影響，提高靈敏度；最后，光學(xué)傳感頭還應(yīng)盡可能的減少傳輸損耗10。而傳感頭材料的選擇也有要求。首先，所選的材料應(yīng)具有良好的光學(xué)性能，以保證保偏性能；其次，材料的Verdet常數(shù)要比較大，受溫度影響較?。蛔詈?，要易于加工制作，其電氣性能、機(jī)械性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)等都要良好14。其實(shí)大部分的介質(zhì)材料都具有法拉第磁光效應(yīng)，而效應(yīng)的強(qiáng)弱往往取決于材料的磁化性能。不同材料的磁化率受溫度的影響不同，這就導(dǎo)致了不同介質(zhì)中法拉第

44、效應(yīng)的不同溫度特性25。圖2-2 光學(xué)電流互感器的傳感頭磁光電流互感器的傳輸系統(tǒng)是由光纖和光纜組成的，其作用是將傳感頭輸出的信號(hào)傳輸至二次轉(zhuǎn)換器57。光纖作為磁光電流互感器的光學(xué)元件之一，要求它具有較大的傳輸功率，且要便于耦合，一般選擇光纖纖芯為62.5um34。光纜作為光學(xué)電流互感器的另一樣光學(xué)元件，承擔(dān)著高壓區(qū)和地電位之間傳輸光的任務(wù)，要求它的機(jī)械性能和化學(xué)性能（防水、防潮）良好，同時(shí)對(duì)電學(xué)參數(shù)和光學(xué)參數(shù)（光纖直徑、數(shù)值孔徑、損耗等）也有一定的要求，如果選擇光纖的芯徑越大，數(shù)值孔徑就越大，從LED耦合出來(lái)的光功率越強(qiáng)，但同時(shí)從準(zhǔn)直透鏡出來(lái)的光束的發(fā)散角就越大，將此光束耦合進(jìn)光纖就越困難，耦

45、合損耗反而更大，故應(yīng)該綜合各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)行最優(yōu)化的選擇。磁光電流互感器的穩(wěn)定性問(wèn)題磁光電流互感器在電力系統(tǒng)中的研究已經(jīng)多年，但是始終沒(méi)有完全取代傳統(tǒng)的互感器，原因是多方面的，主要是因?yàn)榇殴怆娏骰ジ衅鲬?yīng)用時(shí)所處的環(huán)境是戶(hù)外的變電站高壓區(qū)，環(huán)境相對(duì)惡劣，環(huán)境因素對(duì)其性能的影響不容忽視。因此，磁光電流互感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性是至今未能解決的問(wèn)題，也是決定其能否實(shí)用化的關(guān)鍵問(wèn)題27。先分別分析如下：溫度影響。由公式: （2-2）在理想狀況下，Verdet常數(shù)是一個(gè)恒定值，和i保持了較好的線(xiàn)性關(guān)系，V和N越大，則互感器靈敏度越高，經(jīng)研究表明，V與材料的折射率n和光源工作波長(zhǎng)有關(guān)。折射率n的變化，會(huì)導(dǎo)致V的變化，

46、接著將影響待測(cè)電流的穩(wěn)定性。而光源工作波長(zhǎng)與光源驅(qū)動(dòng)電流、光源所在處溫度有關(guān)，故要使不變化，必須使光源恒溫，并使驅(qū)動(dòng)電流恒定31。否則當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，必將影響被測(cè)電流的穩(wěn)定性。另一方面，溫度因素的影響還會(huì)在敏感材料內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力雙折射，這必將影響到磁光電流互感器傳感頭的靈敏度。而應(yīng)力雙折射的存在主要是因?yàn)椋翰Ａе圃爝^(guò)程熱歷史與退火留下的殘余應(yīng)力，環(huán)境溫度梯度變化產(chǎn)生的應(yīng)力以及傳感頭組裝過(guò)程采用黏結(jié)固定法不可避免的存在應(yīng)力。（2）振動(dòng)影響。振動(dòng)會(huì)造成傳感頭內(nèi)部的線(xiàn)性雙折射，從而影響傳感頭的輸出。振動(dòng)對(duì)磁光電流互感器的影響主要表現(xiàn)在：傳感頭周期性振動(dòng)會(huì)引起傳感頭內(nèi)部線(xiàn)性雙折射周期性變化，從而影響輸出

47、；載流導(dǎo)體在原來(lái)位置附近范圍內(nèi)擺動(dòng)，產(chǎn)生影響；振動(dòng)時(shí)，會(huì)使進(jìn)入起偏器的光強(qiáng)發(fā)生振動(dòng)，對(duì)輸出產(chǎn)生不良影響。（3）反射相移對(duì)磁光電流互感器性能的影響。在光學(xué)電流互感器中，光線(xiàn)要圍繞被測(cè)電流導(dǎo)線(xiàn)形成閉合環(huán)形光路，因此在對(duì)光學(xué)材料進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要若干個(gè)全反射面來(lái)改變光的傳播方向，使光束經(jīng)過(guò)這些全反射面形成閉合光路。但是由于全反射面的存在，使線(xiàn)性偏振光全反射后變成橢偏振光，即兩個(gè)正交光振動(dòng)分量之間產(chǎn)生一個(gè)相位差，這將使傳感頭的靈敏度發(fā)生變化，進(jìn)而影響輸出信號(hào)的變化。反射相移與折射率有關(guān)，折射率越大，產(chǎn)生的相位差越小32。綜上所述可知，磁光電流互感器與被測(cè)電流之間沒(méi)有直接的接觸，故磁光電流互感器工作時(shí)不影

48、響電力系統(tǒng)的運(yùn)行；由于磁光電流互感器采用光信號(hào)進(jìn)行傳輸，故比起傳統(tǒng)電流互感器絕緣簡(jiǎn)單；其傳感頭采用的是光學(xué)元件，不存在磁飽和，故測(cè)量的準(zhǔn)確性大大提高33；且由圖2-2可知，進(jìn)出磁光電流互感器的都是光信號(hào)，故二次側(cè)開(kāi)路也不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的高電壓或大電流。全光纖電流互感器概述自1973年Rogers首先提出光學(xué)電流互感器的想法以來(lái)，光纖技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了幾十年。光學(xué)電流互感器可根據(jù)傳感單元的不同分為全光纖電流互感器、光學(xué)玻璃互感器等。而基于法拉第效應(yīng)的全光纖電流互感器得到了各界人士的廣泛研究，并已取得顯著效果。全光纖電流互感器是指采用光纖圍繞被測(cè)電流導(dǎo)體N圈作為電流敏感元件的互感器。典型代表是Nxtpha

49、se研究的全光纖電流互感器已經(jīng)掛網(wǎng)運(yùn)行，ABB公司研制的用于測(cè)量500kA直流大電流也得到了人們的普遍認(rèn)可，中國(guó)南瑞航天電氣控制技術(shù)有限公司于2008年生產(chǎn)的FOCT產(chǎn)品也已通過(guò)鑒定并進(jìn)行了掛網(wǎng)試運(yùn)行。全光纖電流互感器是未來(lái)光學(xué)電流互感器的發(fā)展方向，它采用偏振檢測(cè)方法或者利用法拉第效應(yīng)的非互易性來(lái)檢測(cè)，同樣作為光學(xué)電流互感器，全光纖電流互感器與玻璃型電流互感器的原理基本相同，且光纖內(nèi)存在的線(xiàn)性雙折射對(duì)溫度和振動(dòng)的變化也十分敏感，在變電站的惡劣環(huán)境下，其光學(xué)器件的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性還沒(méi)有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的論證和考核，變電站中電流的變化范圍較大，當(dāng)電流較小時(shí)，信噪比較低，這就對(duì)全光纖電流互感器的信號(hào)調(diào)制問(wèn)題提

50、出了更高要求46。且構(gòu)成全光纖電流互感器的關(guān)鍵光學(xué)器件都是從外國(guó)進(jìn)口，不但價(jià)格昂貴，而且受制于人，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這是不可取的?？偠灾?，全光纖電流互感器的測(cè)量穩(wěn)定性和可靠性，以及應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性，都要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的檢驗(yàn)和考核45?；谄駲z測(cè)方法的全光纖電流互感器基于偏振檢測(cè)法的全光纖電流互感器的結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，光纖均勻的纏繞在載流導(dǎo)體上，且高壓載流導(dǎo)體中通有電流I，可知纏繞在載流導(dǎo)體上的光纖將產(chǎn)生磁光效應(yīng)。由激光器發(fā)出的單色光經(jīng)過(guò)起偏器F后變?yōu)榫€(xiàn)性偏振光,再經(jīng)過(guò)透鏡L將線(xiàn)性偏振光耦合到光纖中，這時(shí)線(xiàn)性偏振光的偏振面將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角為，出射后的偏振光經(jīng)過(guò)透鏡L耦合后到達(dá)奧拉斯頓棱鏡W，棱鏡將偏振

51、光分成兩束振動(dòng)方向垂直的偏振光，并分別傳輸?shù)焦怆娞綔y(cè)器D1和D2中，在經(jīng)過(guò)信號(hào)加工，即能獲得被測(cè)電流。值得補(bǔ)充的是，當(dāng)載流導(dǎo)體沒(méi)有信號(hào)時(shí)，要想獲得最大靈敏度，W的兩個(gè)主軸與入射光纖的線(xiàn)性偏振光的偏振方向應(yīng)成450。圖2-3 基于偏振檢測(cè)方法的全光纖電流互感器原理圖 以上介紹的理想結(jié)果要求光在全過(guò)程中始終保持線(xiàn)性偏振，即不發(fā)生雙折射。雙折射是指一束光在非均勻的介質(zhì)中傳播時(shí)，分解成為振動(dòng)方向垂直，傳播速度和折射率都不同的兩種偏振光。引起雙折射的原因很多，比如光纖本身的不完善、環(huán)境溫度的變化及機(jī)械狀態(tài)的變化等49。雙折射的影響是不可忽視的，總結(jié)起來(lái)雙折射的存在主要有以下影響：（1）減小了測(cè)量電流的靈

52、敏度。這是因?yàn)殡p折射的存在會(huì)使原來(lái)的線(xiàn)性偏振光變成橢偏振光，即兩個(gè)正交光振動(dòng)分量之間產(chǎn)生一個(gè)相位差，這將導(dǎo)致整個(gè)測(cè)量的靈敏度都減小。（2）易受環(huán)境溫度的影響。由于雙折射的分布是隨著溫度的變化而變化的，從而使得傳感器的靈敏度也受到影響，而在一根光纖中的溫度是逐漸變化的，故在一個(gè)封閉的環(huán)形光路中，靈敏度的分布是非均勻的。（3）傳感器對(duì)不同偏振面的靈敏度不同。在全光纖電流互感器探頭中，由于線(xiàn)性雙折射的存在，對(duì)不同偏振面的入射偏振光，雙折射所引起的相位不同，因而使整個(gè)探頭的靈敏度也隨著相位的改變而改變。總而言之，全光纖電流互感器中由于線(xiàn)性雙折射造成輸出不穩(wěn)定、靈敏度降低等問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了全光纖電流互感

53、器的發(fā)展，因此采用各種方法降低線(xiàn)性雙折射已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)60。經(jīng)研究表明，采用保偏光纖可以有效限制雙折射的影響，保偏光纖是對(duì)傳輸?shù)钠窆獾钠駪B(tài)加以保持并傳輸?shù)墓饫w47。下面介紹幾種采用保偏光纖的方法：（1）螺旋光纖。是一種通過(guò)自旋方式拉制的低雙折射光纖，這種光纖在拉制過(guò)程中使光纖胚料迅速自旋，保證橢圓度大約每厘米旋轉(zhuǎn)一次，故在任意給定的一厘米內(nèi)凈雙折射為零，因此在給定任意光纖長(zhǎng)度上的總雙折射在數(shù)量級(jí)上等于經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)后殘留的雙折射。當(dāng)然，這種方法也存在缺點(diǎn)，首先，在繞制過(guò)程中，由彎曲光纖引起的線(xiàn)性雙折射仍然存在；其次，長(zhǎng)期使用過(guò)后的旋轉(zhuǎn)光纖，其自旋會(huì)松弛，從而導(dǎo)致穩(wěn)定性也大大降低，這也是旋轉(zhuǎn)

54、光纖的致命弱點(diǎn)48。（2）圓雙折射。是指光源偏振本征模通過(guò)光纖時(shí)，左旋和右旋圓偏振態(tài)以不同的速度傳播，線(xiàn)性雙折射在圓雙折射光纖中可以得到較好的抑制。當(dāng)然，圓雙折射也有自己的不足之處：圓雙折射對(duì)溫度的敏感性較強(qiáng)，因而在溫度變化較頻繁的環(huán)境中使用其靈敏度大大降低53。（3）橢圓雙折射光纖。這種光纖是在拉制高線(xiàn)性雙折射光纖過(guò)程中旋轉(zhuǎn)預(yù)制棒。但是用這類(lèi)光纖制成的全光纖電流互感器對(duì)溫度的依賴(lài)性很大，故需要采用溫度補(bǔ)償。綜上所述，近些年來(lái)，有關(guān)各種克服線(xiàn)性雙折射的研究方案不斷被提出，但是也都存在著自身的問(wèn)題，這需更進(jìn)一步研究才能解決。基于干涉檢測(cè)方法的全光纖電流互感器基于干涉檢測(cè)方法的全光纖電流互感器是通

55、過(guò)檢測(cè)受法拉第效應(yīng)作用的兩束偏振光的干涉的相位差的變化來(lái)測(cè)量電流?；诟缮鏅z測(cè)方法的全光纖電流互感器從結(jié)構(gòu)上可分為Sagnac環(huán)形結(jié)構(gòu)和反射結(jié)構(gòu)，下面就這兩種結(jié)構(gòu)的基本原理和構(gòu)成分別做出介紹?；赟agnac環(huán)形結(jié)構(gòu)的全光纖電流互感器Sagnac環(huán)形結(jié)構(gòu)原理圖如圖2-4所示，光源發(fā)出的光經(jīng)耦合后經(jīng)過(guò)偏振器變?yōu)榫€(xiàn)性偏振光，再通過(guò)耦合器將線(xiàn)性偏振光變成兩路，分別經(jīng)過(guò)延遲器和調(diào)制器被1/4波片轉(zhuǎn)換成圓偏振光，并沿相反方向進(jìn)入傳感頭，法拉第效應(yīng)使這兩束圓偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，然后再次經(jīng)過(guò)1/4波片重新轉(zhuǎn)換成線(xiàn)性偏振光返回偏振器進(jìn)行干涉。在這里由于兩束光偏振面的旋轉(zhuǎn)角度大小相同方向相反，故其相位差為兩

56、倍的法拉第相移，即=2VNI。另外，我們只需要檢測(cè)出光的相位差就能得到被測(cè)電流，這都是采用了調(diào)制器的結(jié)果。圖2-4 Sagnac環(huán)形結(jié)構(gòu)全光纖電流互感器原理圖基于Sagnac反射結(jié)構(gòu)的全光纖電流互感器基于Sagnac反射結(jié)構(gòu)的全光纖電流互感器的原理圖如圖2-5所示，其利用兩束光互相干涉來(lái)測(cè)量電流。由光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)保偏光纖耦合器后由光纖起偏器變成線(xiàn)性偏振光，再經(jīng)一個(gè)45o熔接進(jìn)入光纖相位調(diào)制器，并且在這段光纖上形成兩個(gè)分別在兩個(gè)光軸上互相垂直的線(xiàn)性偏振光，分別沿保偏光纖的X軸和Y軸傳播。這兩束正交的線(xiàn)性偏振光被光纖相位調(diào)制器進(jìn)行相位調(diào)制后，經(jīng)過(guò)/4波片轉(zhuǎn)變成左旋和右旋的圓偏振光，進(jìn)入傳感光纖圈

57、。由于傳感光纖中的法拉第效應(yīng)和被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，這兩束圓偏振光的相位會(huì)發(fā)生變化，且以不同的速度傳播，最后經(jīng)反射膜反射后，這兩束圓偏振光的偏振模式發(fā)生互換，然后經(jīng)過(guò)傳感光纖圈兩束光再次經(jīng)過(guò)/4波片，恢復(fù)成兩束線(xiàn)性偏振光。分別沿著保偏光纖傳播，并在光纖偏振器處發(fā)生干涉，通過(guò)測(cè)量?jī)删€(xiàn)性偏振光的相位差，就能測(cè)出導(dǎo)線(xiàn)中的電流。光纖相位調(diào)制器的作用是實(shí)現(xiàn)相位檢測(cè)。反射式全光纖電流互感器要求光在傳播過(guò)程中保持一定的偏振態(tài)。圖2-5 Sagnac反射結(jié)構(gòu)的全光纖電流互感器原理圖空心線(xiàn)圈電流互感器空心線(xiàn)圈電流互感器是電子式電流互感器中電流傳感器的一種，是數(shù)字化變電站發(fā)展的設(shè)備之一，空心線(xiàn)圈電流互感器與傳統(tǒng)互感

58、器有著較大區(qū)別，本節(jié)將重點(diǎn)介紹空心線(xiàn)圈電流互感器的原理與結(jié)構(gòu)?？招木€(xiàn)圈原理空心線(xiàn)圈通常又稱(chēng)Rogowski線(xiàn)圈，一般由漆包線(xiàn)均勻繞制在環(huán)形骨架上，骨架采用塑料或者陶瓷等非鐵磁性材料24。理想的空心線(xiàn)圈要求其二次繞組足夠多，且在非鐵磁材料骨架上要對(duì)稱(chēng)均勻分布；每一匝繞組不僅要形狀完全相同，而且要使其所在平面垂直穿過(guò)骨架所在的圓周的中心軸?？招木€(xiàn)圈的結(jié)構(gòu)如圖2-6所示，圓柱形載流導(dǎo)體穿過(guò)空心線(xiàn)圈的中心?？招木€(xiàn)圈中相對(duì)磁導(dǎo)率為1，故距中心軸x處的任意一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為： （2-3）式中，0為真空中磁導(dǎo)率；I(t)為載流導(dǎo)體上的被測(cè)電流。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)穿過(guò)一定面積線(xiàn)圈的磁通量發(fā)生變化時(shí)，

59、在線(xiàn)圈上將感應(yīng)出一定大小的電壓，該電壓的大小和方向與磁通量變化的大小和方向有關(guān)，其中感應(yīng)電壓的大小為d/dt，方向遵循右手定則。圖2-6 空心線(xiàn)圈尺寸 空心線(xiàn)圈單砸線(xiàn)圈上的磁通量可表示為： （2-4）式中，a為骨架內(nèi)半徑；b為骨架外半徑；為空心線(xiàn)圈的厚度。空心線(xiàn)圈的繞組總匝數(shù)為N，則空心線(xiàn)圈的總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： （2-5）式中， ，為空心線(xiàn)圈的互感系數(shù)。不難看出，互感系數(shù)M關(guān)系到空心線(xiàn)圈的穩(wěn)定性，對(duì)互感系數(shù)M的選擇也提出了要求?；ジ邢禂?shù)決定了線(xiàn)圈的形狀、尺寸、匝數(shù)以及線(xiàn)圈間的相對(duì)位置，和線(xiàn)圈是否通有電流無(wú)關(guān)?？招木€(xiàn)圈的等效電路圖如圖2-7所示，R0為空心線(xiàn)圈的內(nèi)阻，L為空心線(xiàn)圈的自感系數(shù)，RL為

60、負(fù)載電阻，C為空心線(xiàn)圈的匝間電容，e（t）為線(xiàn)圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。線(xiàn)圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： (2-6)式中，M為空心線(xiàn)圈的互感系數(shù)，i為被測(cè)電流。圖2-7 空心線(xiàn)圈的等效原理圖空心線(xiàn)圈的類(lèi)型空心線(xiàn)圈從結(jié)構(gòu)上可大致分為平板型空心線(xiàn)圈、組合型空心線(xiàn)圈、窄帶型空心線(xiàn)圈以及螺旋線(xiàn)型空心線(xiàn)圈。下面就對(duì)平板型空心線(xiàn)圈和組合型空心線(xiàn)圈做簡(jiǎn)單介紹。 （1）平板型空心線(xiàn)圈。由一對(duì)或者多對(duì)印刷電路板串聯(lián)而成，如圖2-8所示，印刷電路板1的上表面和印刷電路板2的下表面完全相同，印刷電路板1的下表面和印刷電路板2的上表面完全相同。為了實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)空心線(xiàn)圈的功能，成鏡像的印刷板電路都是成對(duì)出現(xiàn),每對(duì)成鏡像的印刷電路板為一組，引出一