高压光纤电流和电压互感器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,燕山大学光电子系,*,高压光纤电流和电压互感器,高压光纤电流和电压互感器,引 言,1,光纤电流互感器,2,高压光纤电压互感器,3,1,引 言,电力工业是国家经济建设的根底工业，在国民经济建设中有着举足轻重的地,位。近年来随着各国经济的迅速开展，对电力的需求日益增大，电力系统的,额定电压等级和额定电流都有大幅度的提高和增加。例如，20世纪60年代,前苏联和欧洲某些兴旺国家纷纷将原来的220 kV的骨干电网开展为500 kV,的骨干电网，20世纪80年代前苏联甚至出现了1150 kV的特高压输电线,路，而中国也由20世纪80年代的220 kV的骨干电网开展到目前500 kV的,骨干电网，预计21世纪后随着金沙江等大容量梯级电站的建设，中国将出,现由特高压1200 kV的输电线路进行电力的输送。与之相应的电力系统中,的输变电设备的额定电压和额定电流都要随之提高，因此，必须研究和开展,新型的高压设备，电流互感器(Current Transducer,CT)和电压互感器,(Voltage Transducer,VT)就是电力输送工业中不可或缺的关键设备。,2,光纤电流互感器,目前，在电力系统中广泛应用电磁式CT，它运行了近一个世纪，存在以下缺乏：首先是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，假设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平安。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、本钱增高，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响。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，在科技兴旺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根本工作原理，对目前的几种电流互感器方案进行了详细的讨论。,2.1 传统电磁式电流互感器的结构和根本工作原理,1电磁式低压电流互感器,低压电流互感器一般适用于1000 V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，测量精度可以到达0.2。由于其结构简单，耐压等级不高，价格也比较廉价，因此广泛应用于工业生产中电流的测量。,图11.1是某电磁式低压电流互感器的外形结构图，其内部结构如图11.2所示。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,(11.1),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。,2.1 传统电磁式电流互感器的结构和根本工作原理,该种互感器结构简单、本钱低、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，尤其是基于该原理的电流互感器在副边开路时会有高压产生，对操作者的人身平安具有一定的威胁。近年来，随着纳米技术等新材料技术的开展，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。,图11.1 电磁式低压电流互感器外形结构图 图11.2 电磁式低压电流互感器内部结构图,2.1 传统电磁式电流互感器的结构和根本工作原理,2电磁式高压电流互感器,在高压电力系统中，由于对设备的绝缘平安性具有极高的要求，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、质量到达数吨、本钱急剧升高，其设备本钱随电压等级的升高成指数关系上升。,如图11.3所示为某220 kV油浸式电流互感器的外形结构图，其内部结构同图11.2类似。这种互感器采用将原、副边导线及铁心浸入高绝缘的变压器油中来实现上下压之间的良好绝缘，这将导致该类互感器的质量和本钱急剧增加。,如图11.4所示为某220 kV气体绝缘式电流互感器的外形结构图，该种互感器不采用变压器油作为绝缘介质，而是以高压惰性气体比方气体 ,作为绝缘介质，这虽然能够在一定程度上减小质量，但是对于电磁感应所固有的铁心饱和、带宽窄等缺点仍然是无法克服的。但是，这类互感器因为结构原理简单，具有工作可靠、稳定性好等优点，也是目前国内电力行业中广泛采用的。,2.1 传统电磁式电流互感器的结构和根本工作原理,图,11.3 220 kV,油浸式电流互感器外形结构图 图,11.4 220 kV,气体绝缘式电流互感器,2.2,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开展，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。随着光电子学的开展和成熟，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，开展到现在，已经取得了很大进步。,1光电式电流互感器的开展现状,自从20世纪60年代，国外就开始利用法拉第(Faraday)效应从事CT的研究，到20世纪90年代初期，光电式电流互感器(Optical Current Transducor,OCT)就已初具商品使用价值，有的公司已经形成正规产品，在500 kV系统中投入运行。,如美国的5大电力公司各自在1982年左右成立了OCT专题研究小组，并且研制成功了161 kV独立式OCT(1986 1988)、161 kV组合式光纤电流互感器(OCT)/光学电压互感器(OVT)和161 kV的继电保护式OCT(1978)。,2.2,光电式电流互感器,日本除研究500 kV,1000 kV高压电网计量用的OCT外，还进行了500 kV以下的直到6600 V电压等级的零序电流、电压互感器适用的光学CT/VT的研究。三菱公司制造的6.6 kV,600 A的组合式光学零序电流/电压互感器，经过长期运行试验，满足了JEC12011985标准，已在1989年末通过了实验鉴定。,1994年ABB公司推出了有源式电流互感器，其电压等级为72.5 765 kV，额定电流为600 6000 A。3M公司在1996年已宣布开发出用于138 kV电压等级的全光纤电流测量模块，据称可以用于500 kV电压等级。Photonics公司推出了一种用光推动的光电式电流互感器，称为“混合式光电电流互感器，他们曾于1995年至1997年期间在美国、英国、瑞典的超高压电网上试运行。,近十几年，我国的清华大学、华中科技大学、上海科技大学、西安交通大学、燕山大学、大连理工大学、沈阳沈变互感器制造和上海MWB互感器制造等都在光电式电流互感器的研究中投入了很多人力和物力，也取得了一定的成果。其中，清华大学和中国电力科学研究院利用国家自然科学基金的资助共同研制出了110 kV OCT，它们于1991年通过了国家鉴定并挂网试运行。华中科技大学与广东新会供电局于1993年12月在广东新,2.2,光电式电流互感器,会供电局大泽变电站进行正式挂网运行，于1994年通过原电力部鉴定，对外公布技术指标为110 kV,100 300 A，精度为0.3级。燕山大学光电子技术研究所在河北省科委的高新技术专项基金资助下，已经成功研制了额定电压为110 kV、额定电流为1000 A、精度为0.2级的混合式光纤电流互感器样机，于2001年在保定天威保变集团进行了初步测试并获得了良好的测试结果，将很快进行了挂网试运行。,从国内外对光电式电流互感器的研究开展情况来看，在21世纪，光电式电流互感器将使互感器技术进入一个崭新的时代。,2光电式电流互感器原理,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。,光学晶体型,有源型,全光纤型,2.2,光电式电流互感器,(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，假设磁场方向与光的传播方向平行，那么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,(11.2),式中，为偏振面的偏转角；为光通过介质的路径长度；为磁场强度；,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 角能够被检测出，那么可以测得磁场强度，而磁场强度 和导线中流过的电流 之间满足安培环路定律，即,(11.3),式中，表示电流产生的磁场回路半径。因此，只要测出 ,，就可由,(11.4),求出被测电流的大小和相位。,2.2,光电式电流互感器,基于法拉第效应原理的光电电流互感器的原理图如图11.5所示。,图11.5 光电电流互感器的原理图,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，假设不考虑衰减，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11.6所示：,(11.5),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，在根据式(11.5)进行 转换时，要考虑起偏器与检偏器的透光轴相交的角度，即,角的偏置位置，才能得到最大的转换灵敏度和最正确线性度。光强对的变化率，即转换灵敏度为,(11.6),2.2,光电式电流互感器,令 ，求得最大灵敏度位于 为,整数的那些点图11.6中的B点，同时可以看出，由于曲线斜率的变化,率为零 =0，因此B点也是线性度最好的点。如果将交角固定在45，有,(11.7),图11.6 关系曲线,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到达，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。,2.2,光电式电流互感器,(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,11.7,所示。,图,11.7,有源型光电电流互感器方框图,2.2,光电式电流互感器,互感器采用Rogowski线圈作为检测电流的传感头，如图11.8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 ，那么由Rogowski线圈感生的电动势 可以表示为,(11.8),式中，为线圈骨架结构和线圈匝数的一个函数，一个线圈固定了，就可以确定了。,图11.8 Rogowski线圈,2.2,光电式电流互感器,从式(11.8)可以看出，套在电力母线上的Rogowski线圈的感生电动势是电力母线电流微分的一个比例系数，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。在图11.8中，采用高精度低功耗的A