第十章 高压光纤电流和电压互感器.docx

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第十章高压光纤电流和电压互感器

第10章高压光纤电流和电压互感器

10.1光纤电流互感器

目前，在电力系统中广泛应用电磁式CT（电流互感器CurrentTransducer），它运行了近一个世纪，存在以下不足：

首先潜在的突然失效危险，如突然性爆炸及绝缘击穿引起单相对地短路等系统的不稳定因素。

其次，若输出的二次侧负荷开路，将会产生高压，会对配电设备造成危害甚至危及人身安全（开关断开后，带电的那一测为电源测，不带电的一侧为负荷测）。

随着电压等级的提高、绝缘问题的解决，必然使电磁式CT的体积增大、成本增高，设备变得极为笨重。

再次，由于电磁式电流互感器是用铁心制成的，因此对高频信号的响应特性较差，这样对高压线路上的暂态过程不能正确反应。

最后，它的二次侧输出对负荷要求较严格，对于高压及特高压电站来讲，占地面积都较大，因而传输二次侧电信号距离也较远，故要求使用的二次侧电缆的横截面积增大，并且容易产生干扰。

针对以上缺点，在科技发达的国家都寻求把光电子学技术应用于超高压大电流的电网中，关于这方面的研究近几十年在世界各国也已经被高度重视起来，提出了许多新的理论和方法，有的研究已经进入了实用阶段。

本节简单介绍了电磁式电流互感器的基本工作原理，对目前的几种电流互感器方案进行了详细的讨论

一、传统电磁式电流互感器的结构和基本工作原理

1．电磁式低压电流互感器

低压电流互感器一般适用于1000V以下电压等级中的电流测量，可以用于几十安培到一千安培范围内的电流测量，测量精度可以达到0.2％。

由于其结构简单，耐压等级不高，价格也比较便宜，因此广泛应用于工业生产中电流的测量。

下图是某电磁式低压电流互感器的外形结构图和其内部结构图

电磁式低压电流互感器外形结构图电磁式低压电流互感器内部结构图

被测电流母线从闭路铁心中穿过，铁心上按照比例关系缠绕一定圈数的导线作为副边。

设原边匝数为

（图11.2中原边只有1匝），原边电流为

，副边匝数为

，副边电流为

，根据电磁感应磁路平衡原式，原边和副边的匝数与电流之间满足

即电流互感器的副边输出电流和原边被测电流之间成正比例关系。

在副边输出两端串接电流表就可以实现对原边电流的测量。

该种互感器结构简单、成本低、长期工作可靠性高，但是因为铁心具有带宽窄、容易出现磁饱和等缺点，尤其是在副边开路时会有高压产生，对操作者的人身安全具有一定的威胁。

近年来，随着纳米技术等新材料技术的发展，铁心材料的水平也得到了长足进步；也有的生产厂家将电流输出转换成电压输出，以适应电流互感器日益广泛的应用场合。

2．电磁式高压电流互感器

在高压电力系统中，由于对设备的绝缘安全性具有极高的要求，尤其是在户外工作的高压电流互感器还要考虑雷电冲击、负载瞬间短路等极端情况，对高压电流互感器的绝缘要求使得基于电磁感应原理的电流互感器变得体积庞大、质量达到数吨、成本急剧升高，其设备成本随电压等级的升高成指数关系上升。

二、光电式电流互感器

传统的电磁式互感器因为其固有的一些缺点，如带宽窄、磁饱和、质量大、易燃易爆、次级开路高压等，都严重地制约了电力工业的发展，开发出新型的光电式电流互感器已经成为国内外电力工业的研究热点。

随着光电子学的发展和成熟，国内外很多大学和科研机构开始投入精力研究光电式电流互感器，发展到现在，已经取得了很大进步。

目前在光纤电流互感器研究领域主要有三个研究方向：

（1）光学晶体型；

（2）有源型；（3）全光纤型。

（1）光学晶体型

该类互感器的传感头一般基于法拉第效应原理，即磁致光旋转效应。

当一束线偏振光通过放置在磁场中的法拉第磁光材料后，若磁场方向与光的传播方向平行，则出射线偏振光的偏振平面将产生旋转，即电流信号产生的磁场信号对偏振光波的偏振面进行调制，此时

式中，θ为偏振面的偏转角；L为光通过介质的路径长度；H为磁场强度；V为磁光材料的特性常数—费尔德（Verdet）常数，它与介质的性质、工作波长和温度有关。

如果θ角能够被检测出，则可以测得磁场强度H，而磁场强度H和导线中流过的电流I之间满足安培环路定律，即

→

式中，R表示电流产生的磁场回路半径。

因此，只要测出θ、L、R，就可求出被测电流的大小和相位。

基于法拉第效应原理的光电电流互感器的原理图如图所示

光源发出的光经起偏器后变成线偏振光，线偏振光经过位于电流产生的磁场中的磁光材料后偏振方向受到磁场调制，经过检偏器后由信号检测与处理单元进行强度探测和信号处理。

根据马吕斯定律，若不考虑衰减，起偏器的射出光强与检偏器的射出光强之间有如下关系（如图所示）

是导线中无电流流过（I＝0）时的起偏器与检偏器的透光轴相交的角度。

由于

角不能直接精确检测出，而是通过光强的变化来反映的，在根据上式进行

转换时，为了得到最大的转换灵敏度和最佳线性度，要考虑起偏器与检偏器的透光轴相交的角度

的位置

光强对的变化率，即转换灵敏度为

令

，求得最大灵敏度位于

（k为整数）的那些点（上图中的B点），同时可以看出，由于在该处曲线斜率的变化率为零（

），因此B点也是线性度最好的点。

如果将交角

固定在45°，当有电流流过产生的磁场使偏振方向偏转θ角时

光学晶体型结构是近年来比较盛行的，其优点是结构简单，而且完全消除了传统的电磁感应元件磁饱和的问题，充分发挥了光电互感器的特点，尤其是在高压侧不需要电源器件，使高压侧设计简单化，工作寿命长。

光学晶体型电流互感器的缺点是光学器件制造难度大，测量的高精度不容易达到，尤其是此种电流互感器受费尔德常数和线性双折射影响严重。

而目前尚没有更好的方法能解决费尔德常数随温度变化而出现的非线性变化，即系统的线性双折射问题。

（2）有源型

有源型又称为混合型，所谓有源型光电电流互感器乃是高压侧电流信号通过采样传感头将电信号传递给发光元件而变成光信号，再由光纤传递到低电压侧，进行光电转换变成电信号后输出。

有源型光电电流互感器不用光学器件作为敏感元件测量电流，而是把光纤作为信号传输的媒质，这样，一方面可以容易地实现互感器高、低压之间的电气隔离，另一方面又克服了采用光学敏感元件带来的长期稳定性和可靠性问题。

有源型光电电流互感器的方框图如图所示。

互感器采用Rogowski线圈作为检测电流的传感头，如图所示。

Rogowski线圈一般是在非磁性骨架上缠绕一定圈数的导线（常采用康铜丝），然后将绕制好的空心线圈套在电力母线上。

当电力母线电流相量为

，则由Rogowski线圈感生的电动势可以表示为

式中，M为线圈骨架结构和线圈匝数的一个函数，一个线圈固定了，M就可以确定了。

因为

，所以

即，套在电力母线上的Rogowski线圈的感生电动势与电力母线电流微分成比例。

所以为了恢复被测电力母线电流的幅值和相位信息，需要将Rogowski线圈输出信号进行积分后再进行进一步的处理。

在上2图中，采用高精度低功耗的A/D转换器实时地将信号由模拟量变成数字量，然后通过电光转换经光纤送到低压地面端进行光电转换，再通过合适的D/A转换恢复成模拟量。

下图为一种实现有源型光电电流互感器的光电转换电路。

在有源型光电电流互感器的设计中，高压端电子器件工作能量的提供是这种结构互感器的一个关键问题。

在Rogowski线圈中如果采用一个有铁心的线圈，从高压母线上通过电磁感应的方法来获得能量，这种方法虽然简单，但是电力母线工作电流波动极大。

以额定工作电流为1000A、额定工作电压为110kV的电力电流互感器为例，按照IEC60044—8规约，最小工作电流从0A开始，到20倍于额定电流（即20000A）变化范围内，互感器都应该能够正常工作。

这就要求高压电源部分能够在如此大的电流波动下维持输出稳定的电压给高压端的电子器件，这是相当困难的。

尤其是当电力母线电流很小的时候，将会出现互感器工作失效的死区，这极大地限制了该类互感器的工业应用。

然而，随着激光技术和光电池技术的发展，近年来采用了激光供能的方式来提供高压端电子器件工作能量，这种方法已经得到了人们的重视，并且有望使得有源型光电电流互感器真正实现工业化应用。

有源型光电电流互感器结构简单，长期工作稳定性好，容易实现高精度、性能稳定实用化的产品，是目前国内研究的主流。

但是高压侧电源的产生方法比较复杂且成本比较高，因此还有待于进一步研究。

（3）全光纤型

全光纤型光电电流互感器的传感头即是光纤本身（而光学晶体型光电电流互感器的传感头一般是磁光晶体，不同于全光纤型的传感头——特殊绕制的光纤传感头）。

下图为一种具有自动补偿功能的反射偏振干涉式全光纤型光电电流互感器的原理图。

处于高压侧的传感光纤为单模光纤，而处于高、低压两侧之间的传光光纤为椭圆心保偏光纤。

基本工作原理是：

由低压侧光源发出的光束经过光纤起偏器后变为线偏振光，其偏振方向与椭圆心光纤的长、短轴成45°角，故在传光光纤中传输的是互为垂直的两束线偏振光。

通过高压侧的延迟器后再变为旋转方向相反的圆偏振光，即左旋偏振光和右旋偏振光。

它们在传感光纤中继续传输，并在电流产生的磁场作用下，各自旋转了不同角度。

两束光在光纤末端被反射镜反射，根据反射定律，它们的旋转方向将发生交换，即左旋偏振光变为右旋偏振光，右旋偏振光变为左旋偏振光。

返程的两束光在电流作用下，偏振角再次发生旋转，再经波片后，变为互相垂直的两束线偏振光，但它们原来的偏振方向发生了交换，即前进时在x方向的偏振光，返程时变为y方向的偏振光，反之亦然（所谓的“x方向偏振光、y方向的偏振光”是针对反射镜处而言）。

经过电流调制的两束光状态与从起偏器出发时不一样了，它们在起偏器中产生干涉，根据偏振干涉原理，就可以获得被测电流的大小和相位。

由此可见，两束光除偏振方向互相交换外，它们都在同一根光纤中传输，周围环境产生的光纤伸缩等效应对互感器的输出几乎没有影响，因此可以从理论上排除外来的干扰。

而由电流产生的相移为（磁光效应）

式中，V为传感光纤的费尔德常数；N是环绕载流导体的光纤匝数；I为被测电流；系数4是本方案中有两束偏振光在传感光纤中往返两次传输的结果。

干涉仪输出的光强为

式中，

正比于光源的光强。

由信号处理电路求出上式的Φ，再由

测出高压母线中电流的大小和相位。

全光纤型光电电流互感器的优点是传感头结构简单，比光学晶体型的容易制造，精度、寿命与可靠性都比无源型要高；缺点是这种互感器的光纤需要保偏光纤，比有源型和光学晶体型所采用的普通光纤特殊，要做出有高稳定性的保偏光纤很困难，造价比较高。

10.2高压光纤电压互感器

和电流互感器类似，电压互感器作为电力系统中的重要设备，对电力系统的稳定运行和精确计量具有重要意义。

它为电力系统提供用于计量、控制和继电保护所必需的信息。

一、基于晶体电光效应的电压互感器

1．晶体的电光效应

光在各向同性介质中传播时，

。

若为ε常数，光是直线前进的；若

，则光沿曲线前进。

光在各向异性的介质中传播时，

，

为常数，将出现双折射效应。

因此，光在介质中传播的规律是受介质的折射率分布所制约的，而介质的折射率分布则与介质的介电常数分布密切相关，以前认为介质的介电常数是一个物质常数，实际上外界的各种因素常常会引起ε的变化，从而引起光传播的变化。

例如，介质因受力而引起的折射率变化，称为弹光效应；介质因电场而引起的折射率变化，称为电光效应；介质因磁场而引起的折射率变化，称为磁光效应等。

2．Pockels效应型光学电压互感器

Pockels效应型光学电压互感器是利用材料的Pockels效应来实现对高压电压进行测量的。

按照外加电场方向，Pockels晶体的调制分为横向和纵向两种方式。

下图为Pockels晶体的横向调制方式，

下图为Pockels晶体的纵向调制方式

横向调制方式的优点是晶体半波电压易于调整（因半波电压和晶体的尺寸有关），电极距便于调整以适应测量不同电压等级的要求；不需透明电极；易于加工制造。

缺点是温度灵敏度较大。

纵向调制方式的优点是抗干扰（温度及外电场干扰）的能力较强；缺点是测高压困难（绝缘及晶体半波电压较低），对此可用电容分压、多晶片叠加分压等方法予以克服。

下图为一种基于Pockels原理的高压电压互感器的光路结构图。

1—入射光纤；2,8—透镜；3—起偏器；4—波片；

5—BSOPockels晶体；6—检偏器；7—45°棱镜；9—出射光纤

起偏器将入射光变成线偏振光，经过波片后将线偏振光变成圆偏振光后入射到BSOPockels晶体（硅酸铋（Bi12SiO20,简写BSO）在无外电场时，均是光学各向同性），BSO晶体的左右两面镀透明电极（纵向调制）。

当被测电压施加于Pockels晶体上时，圆偏振光将变成椭圆偏振光，且椭圆度由施加到Pockels晶体上的电压决定。

椭圆偏振光经检偏器检出，通过光电探测器探测检偏器输出的光强可以确定施加于Pockels晶体上的电压。

被测电压和输出光强之间的关系如图所示。

图中，VR为半波电压，Ii为入射光强。

输出信号是交流分量叠加直流分量的形式，通过光电探测器进行光电转换后，经过前置放大、带通滤波、低通滤波和除法运算后，可以得到被测电压信号。

光电转换输出经前置放大后，前置放大器的输出可以表示成

式中，E0是原始信号幅度；Vπ为半波电压；

为被测信号；J1为贝塞尔函数。

上式经过带通滤波器后的输出为

上式通过低通滤波器后的输出为

最后，将上两式做除法运算得到

当

很小时，

，上式变成

即输出信号正比于被测电压V，于是可以通过来确定被测电压。

在上面的讨论中，当

较大时，上式会带来较大的误差，所以为了测量高电压，可以通过采用电容分压之后再采用如上光路的方法来实现。

某些单轴晶体（如磷酸二氢钾、磷酸二氢铵）在外加电场作用下转变为双轴晶体，这类感生双折射现象最早由Pockels于1893年开始研究，因此称为Pockels效应。

Pockels效应是一种线性电光效应，它一般有两种：

一种是外加电场平行于光的传播方向，称为纵向Pockels效应；

另一种是外加电场垂直于光的传播方向，称为横向Pockels效应。

P1和P2是两块透振方向互相垂直的偏振片，中间放一块磷酸二氢钾（KDP）晶体，由于光束要通过电极，所以电极通常用透明的金属氧化物镀层、网栅或环制成。

晶体本身不加电场时通常是单轴晶体，并且其光轴沿光束的传播方向。

不加电场时，光沿光轴方向传播，不产生双折射。

沿光轴方向加电场后，由晶体光学理论可知，在垂直于电场方向的平面上，存在着两个互相垂直的主振动方向。

当一束线偏振光垂直入射到上述装置的晶体中时，若光振动方向与晶体主轴方向成夹角，那么，这束偏振光将可以分解为两个振幅相等、互相垂直的线偏振光。

它们在晶体内传播方向虽然相同，但传播速度并不一样，所以从厚度为L的晶体出射后，这两束线偏振光将有一个固定的相位差：

式中，λ是光在真空中的波长；

称为感生折射率差。

根据晶体光学理论，它们分别满足下面的公式：

，

式中，n0是o光在KDP中的折射率；E是外加电场强度；γ是电光系数，是一个与晶体的取向有关的量。

将上两式代入两束线偏振光相位差的表达式

上式说明，两垂直等幅的线偏振光通过一定厚度的KDP晶体，所产生的相位差和电场强度成正比。

考虑到电场与电压的关系

，可得相位差与电压的关系式为

上式说明，KDP晶体是一个在电场作用下的特殊波片，这种波片不是通过改变它的厚度来控制相位的变化，而是通过施加不同的外加电场，即改变外加电压来控制相位的变化。

因此，原来一束光强不变的线偏振光，通过这样的一个装置以后，就可以通过调节加在晶体上的电势差来调制光强的变化。

在通光孔径相等的情况下，加在晶体上的电势差要比相应的克尔盒低1/10～1/5，并且从接通电源到建立电光效应所需的时间也很短，一般小于10-9s，故可以获得2.5×1010Hz的调制频率，因而，近年来鲍格鲁斯盒往往可以用做高速开关。

）

3．克尔效应型光学电压互感器

克尔效应是克尔（Kerr,John,1824一1907．苏格兰物理学家）于1875年首先在玻璃中发现的。

他在玻璃中装上两个电极，加上很高的电压后，玻璃就呈现出双折射性质。

以后又在液体中发现了克尔效应。

克尔效应所引起的双折射现象中的两折射率差Δn与所加电场E的平方成正比：

式中λ为真空中光波长，K称为克尔常数。

下图是基于克尔效应的光学电压互感器的典型结构。

光源发出的光经起偏器P后变成线性偏振光，且偏振方向同晶体的x轴和y轴成45°角，偏振光经过克尔晶体后，出射光的偏振方向会产生旋转，旋转的大小和施加于克尔晶体两侧面上的电压成比例，克尔晶体后放置一个偏振方向同起偏器偏振方向垂直的检偏器，出射光经检偏器后，由探测器探测光强。

具体工作原理如下：

被测电压U施加于晶体后，在晶体中产生沿x方向的电场

，d为晶体宽度。

此时，折射率椭球方程可以表示为

式中，

、

和下面要讲的

是相关的电光系数。

上式表明，晶体的介质双折射受

或

控制：

这使得沿x方向和y方向的偏振光从晶体输出后产生的相位差为

这里，

是半波电压。

从晶体出射经检偏器后的光强可以表示为

，I为入射到晶体的光强。

所以，变化的被测电压可以表示为

这种方法曾经被用于电压为300kV、周期为数μs的高压脉冲测量。

基于克尔原理的电压传感器在20世纪70年代应用广泛，但是随着Pockels原理的应用，克尔原理应用越来越少。