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第1章緒論

電流互感器(current transformer，CT)是電力系統(tǒng)電能計量和保護控制的重要設(shè)備，其測量精度和運行性與電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟運行密切相關(guān)。在電力系統(tǒng)中運行的電流互感器應(yīng)該滿足：①穩(wěn)態(tài)測量精度滿足電能計量要求，必須達到0-2級及以上；②有良好的動態(tài)響應(yīng)能力，基波、諧波和非周期分量的測量必須滿足電力系統(tǒng)保護、控制與動態(tài)分析的需要；③具有長期運行的穩(wěn)定性，其性能不受運行環(huán)境、運行時間和運行系統(tǒng)的影響；④具有很高的絕緣性能。

傳統(tǒng)的電磁式電流互感器應(yīng)用于電網(wǎng)的歷史已經(jīng)超過百年，至今仍是電力系統(tǒng)用來測量電流的主要設(shè)備。電磁式電流互感器結(jié)構(gòu)類似于變壓器，因傳感機理的限制，已經(jīng)暴露出一系列不能滿足當(dāng)前電力系統(tǒng)需要的缺點，如頻帶窄、絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高、動態(tài)范圍小、容易磁飽和，從而造成保護誤動或拒動等，難以滿足電力系統(tǒng)數(shù)字化和智能化的要求。

智能變電站是當(dāng)前變電站自動化發(fā)展的方向，電流互感器是過程層的關(guān)鍵一次設(shè)備。選擇合適的電流互感器是智能變電站發(fā)展中面臨的重要問題。

目前人們所研究和開發(fā)的新型電流互感器有兩個主要類別：基于電磁感應(yīng)原理(傳感器為Rogowski線圈和低功耗小電流互感器(LPCT))的有源電子式電流互感器，基于Faraday磁光效應(yīng)的光學(xué)電流互感器 (optical current transducer，OCT)。這兩種新型電流互感器統(tǒng)稱為電子式電流互感器。

在有源電子式電流互感器中，Rogowski線圈是密繞于非磁性骨架上的空心螺繞環(huán)。Rogowski線圈直接輸出的信號是被測電流的微分信號。由于采用非磁性骨架，Rogowski線圈電流互感器不存在磁飽和現(xiàn)象，提高了電磁式電流互感器的動態(tài)響應(yīng)范圍。然而，Rogowski線圈在原理上不能測量重要的電力系統(tǒng)動態(tài)量——非周期分量。同時，Rogowski線圈在測量精度上受環(huán)境溫度和電磁干擾的影響。此外，無論采取哪種傳感器(Rogowski線圈和LPCT)，有源電子式電流互感器必須為高壓傳感部件提供電能。供能技術(shù)是有源電子式電流互感器的關(guān)鍵技術(shù)之一。

基于法拉第磁光效應(yīng)的光學(xué)電流互感器是電子式電流互感器中的一種，長久以來都是新型電流互感器中的研究熱點。與有源電子式電流互感器不同，光學(xué)電流互感器是利用法拉第效應(yīng)和光纖傳導(dǎo)技術(shù)進行電流的測量。相比于傳統(tǒng)的電磁式電流互感器，可以更好地滿足電能計量、繼電保護、系統(tǒng)監(jiān)測診斷以及電力系統(tǒng)分析等領(lǐng)域不斷發(fā)展的要求。

與傳統(tǒng)電磁式電流互感器相比，光學(xué)電流互感器具有如下優(yōu)點。

(1) 造價低、經(jīng)濟性好，體積小、絕緣性能優(yōu)良。由于不采用導(dǎo)電的金屬作為傳輸介質(zhì)，所以大大地簡化了高壓互感器中的內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)，整個互感器體積小、質(zhì)量輕、造價低。當(dāng)電壓等級升高時，傳統(tǒng)電磁式互感器的制造成本會成倍增加，而光學(xué)電流互感器的成本只是稍有增加。光學(xué)電流互感器在高電壓等級下的低成本正是吸引業(yè)內(nèi)關(guān)注的主要原因之一。

(2) 不含鐵心，消除了磁飽和、鐵磁諧振等問題。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路時，在強大的短路電流作用下，特別是其中的非周期分量尚未衰減時，斷路器跳閘，或在大型變壓器空載合閘后，電磁式電流互感器的鐵心中通常仍保留較大剩磁，鐵心嚴重飽和，互感器暫態(tài)性能惡化，導(dǎo)致電磁式電流互感器二次側(cè)輸出電流無法正確反映一次電流，從而造成保護裝置的誤動或拒動。光學(xué)電流互感器不含鐵心，動態(tài)范圍大，不會飽和。

(3) 二次側(cè)無開路高壓的危險，沒有因充油而產(chǎn)生的易燃、易爆等危險。電磁式電流互感器在二次側(cè)開路時，會產(chǎn)生高壓。此外，為了解決電磁式電流互感器一次側(cè)與二次側(cè)之間的絕緣問題，在互感器中通常充油或充SF6，但這也就會帶來易燃、易爆等危險隱患。在光學(xué)電流互感器中，通過絕緣性能良好的光纖連接將一次側(cè)信號傳輸?shù)蕉蝹?cè)，實現(xiàn)了高低壓之間的電氣隔離。

(4) 頻率響應(yīng)范圍寬，動態(tài)范圍大，對電力系統(tǒng)故障響應(yīng)快。選擇暫態(tài)信號作為量測量進行故障判斷是微機保護的一個發(fā)展方向。當(dāng)選擇暫態(tài)信號作為保護判斷參量時，要求互感器具有很高的線性度以及動態(tài)特性。電磁式電流互感器因存在的磁飽和等問題難以滿足新要求。目前光學(xué)電流互感器的頻率響應(yīng)可達到1MHz以上，具有動態(tài)范圍大的優(yōu)點，可以為微機保護提供的暫態(tài)信號。

(5)適應(yīng)了電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化的新發(fā)展。光學(xué)電流互感器不僅可以輸出模擬量，還可以輸出數(shù)字量，數(shù)字接口符合IEC61850標準，滿足了智能變電站的數(shù)字化要求。

(6)綠色環(huán)保、電磁兼容性好。光學(xué)電流互感器采用光纖傳輸信號，與電磁式電流互感器所采用的銅線相比，光纖質(zhì)量輕、價格低，減少了有色金屬的消耗。同時，在光纖中傳輸信號具有很強的抗電磁干擾能力，非常適用于變電站復(fù)雜的電磁環(huán)境。

本書主要以Faraday磁光效應(yīng)的光學(xué)電流互感器為研究對象，如果沒有特殊說明，本書所述的光學(xué)電流互感器就是指基于Faraday磁光效應(yīng)的光學(xué)電流互感器。

1-1光學(xué)電流互感器的基本原理

基于法拉第磁光效應(yīng)的光學(xué)電流互感器是通過磁光效應(yīng)來測量由被測電流引起的磁場強度的線積分來間接測量電流的。根據(jù)法拉第磁光效應(yīng)，線偏振光在與其傳播方向平行的外界磁場的作用下通過磁光材料介質(zhì)(晶體或光學(xué)玻璃)時，其偏振面將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖1-1所示，偏轉(zhuǎn)角 可以表示為

=μ V ∫LH dl(1-1)

式中，μ為法拉第磁光材料的磁導(dǎo)率；V為磁光材料的Verdet常數(shù)，它與磁光材料介質(zhì)的特性、光源波長、外界溫度等有關(guān)；H為作用于磁光材料的磁場強度；L為通過磁光材料的偏振光的光程長度。

圖1-1法拉第磁光效應(yīng)的原理圖

事實上，被測電流形成的磁場在空間上任意一段的線積分與被測電流之間存在固定的比例線性關(guān)系。因此，只要將磁光傳感光路置于被測電流形成的磁場中，磁光傳感光路中光的傳播方向與磁場矢量方向在同一平面內(nèi)，磁光傳感光路中線偏振光的偏轉(zhuǎn)角 就是固定比例系數(shù)與被測電流的乘積，即

=k V i(1-2)

式中，k為比例系數(shù)，通過整定方法可以獲得這個比例系數(shù)k。

式(1-1)和式(1-2)構(gòu)成了光學(xué)電流互感器的基本實現(xiàn)方法的理論基礎(chǔ)。

在此基礎(chǔ)上也可以有另一種磁光傳感測量的實現(xiàn)方法：采用光學(xué)方法使得磁光傳感光路中線偏振光圍繞被測電流形成回路，應(yīng)用安培環(huán)路定律就可以得到如下關(guān)系：

=V N i(1-3)

式中，N為線偏振光圍繞電流的環(huán)路數(shù)；i為被測電流。

由于偏振光的偏轉(zhuǎn)角是不能夠被直接測量的，所以人們利用馬呂斯定律將不可測的偏轉(zhuǎn)角信號轉(zhuǎn)換為可測的偏振光的光強信號。馬呂斯定律指出，自然光經(jīng)過及時塊偏振器(稱為起偏器)時，出射的偏振光的光強為入射自然光強J0的二分之一，再經(jīng)過第二塊偏振器(稱為檢偏器)后，出射偏振光的電矢量平行于檢偏器的透射方向，其光強J1為

J1=J0cos2θ(1-4)

式中，θ為起偏器出射偏振光與檢偏器出射偏振光之間的偏振夾角。

將馬呂斯定律應(yīng)用于光學(xué)電流互感器中，此時式(1-4)中的θ就是偏轉(zhuǎn)角 以及起偏器和檢偏器之間夾角的兩者之和。為了使檢偏器出射偏振光的光強獲得較大，通常將起偏器和檢偏器之間的夾角設(shè)定為π/4，當(dāng)偏轉(zhuǎn)角 很小只有幾度時，式(1-4)就變成以下形式：

J1=J0(1－sin2 )≈J0(1－2 )=J0－2J0 (1-5)

式中，J0和 均為未知量。為了從這方程求解兩個未知量J0和 ，采用兩種方法：單光路AC/DC法和雙光路法。

從式(1-5)可知，J1由兩個分量組成，其中及時項J0為直流量，第二項2J0 為交流量。單光路AC/DC法就是利用J0為直流量而2J0 為交流量的特點，將J1通過交直流分離后再進行除法消去公共項J0以得到 。

不過，這種方法不能夠用于測量直流電流，故而又出現(xiàn)了雙光路法。在光學(xué)電流互感器的結(jié)構(gòu)中，由偏振分束器來作為檢偏器，既能夠?qū)崿F(xiàn)偏振光的檢偏，又將出射的偏振光分成兩束，這兩束偏振光相互正交，各自的光強分別為

J1P=J0(1－2 )

J1S=J0(1+2 )(1-6)

利用方程組(1-6)，可以求解未知量：

=J1S－J1P2(J1S+J1P)(1-7)

基于法拉第磁光效應(yīng)的光學(xué)電流互感器在傳感光路結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方式上，人們曾經(jīng)研究過多種形式，主要有塊狀光學(xué)電流互感器、集磁環(huán)式光學(xué)電流互感器和全光纖式光學(xué)電流互感器。

塊狀光學(xué)電流互感器的光學(xué)傳感部分采用磁光玻璃作為傳感材料，通過光學(xué)加工使得偏振光在磁光材料中圍繞通電導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)一周或多周，如圖1-2所示。這種傳感光路就是利用

圖1-2塊狀光學(xué)電流互感器的光學(xué)傳感頭的結(jié)構(gòu)示意圖

式(1-3)來測量電流的。

在磁環(huán)上開一缺口，將磁光材料置于磁環(huán)的缺口中，被測線路置于磁環(huán)的中央，通過測量磁環(huán)缺口中的磁場來間接測量線路中的電流，這種結(jié)構(gòu)被稱為集磁環(huán)式光學(xué)電流互感器，如圖1-3所示。這種傳感光路就是利用式(1-2)來測量電流的。

圖1-3集磁環(huán)式光學(xué)電流互感器的光學(xué)傳感頭的結(jié)構(gòu)示意圖

在基于法拉第磁光效應(yīng)光學(xué)電流互感器的整體結(jié)構(gòu)上，不僅有光學(xué)傳感部分，還需要具有溫度穩(wěn)定的光源驅(qū)動電路和發(fā)光光源(通常為激光器或發(fā)光二極管)、連接光纜、光接收器和信號處理電路等部分，塊狀光學(xué)電流互感器和集磁環(huán)式光學(xué)電流互感器除了光學(xué)傳感部分不一樣，其余部分都大同小異。

全光纖光學(xué)電流互感器是將傳感光纖纏繞在通電導(dǎo)體周圍，利用光纖的偏振特性，通過測量光纖中偏振光的旋轉(zhuǎn)角來間接測量電流，如圖1-4所示。

圖1-4全光纖光學(xué)電流互感器的結(jié)構(gòu)示意圖

有源電子式電流互感器與以上三種光學(xué)電流互感器的結(jié)構(gòu)和傳感原理都截然不同，這種互感器采用電磁傳感原理在高壓端測量電流，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號后經(jīng)過模/數(shù)變換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換電路變換為光脈沖信號，通過光纖將信號傳輸?shù)降孛婧?，再通過光電轉(zhuǎn)換和信號解調(diào)電路輸出模擬信號，或者通過光電轉(zhuǎn)換后直接進入計算機系統(tǒng)，如圖1-5所示。這種互感器只是利用了光纖傳輸信號，測量原理與傳統(tǒng)的電磁式電流互感器一樣。

圖1-5電子式電流互感器的結(jié)構(gòu)示意圖

1-2光學(xué)電流互感器的發(fā)展歷程

光學(xué)電流互感器興起于20世紀60年代，歸功于激光器的研制成功。70年代初，光纖的問世與實用化進一步促進了光學(xué)電流互感器的研究，但由于測量精度低、溫度穩(wěn)定性差等原理性問題，未能形成實用的樣機。從1982年開始，光學(xué)電流互感器的研究進入了發(fā)展關(guān)鍵和具有成果的時期。1986年美國的田納西州流域電力管理局(Tennessee Valley Authority)在其所屬的Chickamauga水壩電力編組站(161kV)安裝了及時臺單相高壓計量用的光電式電流互感器，該互感器的測量帶寬為10kHz，計量誤差為0-08％。1987年美國的田納西州流域電力管理局和西屋電氣公司(Westinghouse Electric Corporation)合作，在光學(xué)電流互感器的研究方面取得了很大進展，以Ulmer、Johnston、Asars等知名學(xué)者為主的課題組針對光學(xué)電流互感器的"溫度變化—雙折射—疊加到法拉第旋轉(zhuǎn)角上的干擾"問題，提出了"線偏振光平行于溫度引起的雙折射媒介中的特征方向時通過該媒介仍然保持線偏振態(tài)"的理論，并據(jù)此提出了獨特的十步理論計算方法，這項研究成果在當(dāng)時被認為是光學(xué)電流互感器在基礎(chǔ)理論研究方面取得的突破性進展，不過這種方法并沒有被應(yīng)用于實際裝置中。1987年田納西州流域電力管理局在其所屬的Moccasin變電站(161kV)安裝了三相計量用的光學(xué)電流互感器，另外還試用了光學(xué)電壓互感器(OPT)測量電壓。與傳統(tǒng)的油浸式電磁互感器相比，誤差在1％左右。在1991年首次報道了光學(xué)電流互感器在345kV變電站試運行。該互感器采用了PWM放大器，二次輸出電流為5A，并采用重量較輕的聚合體光纖柱作為光學(xué)電流互感器的支撐。日本在光學(xué)電流互感器的研究方面也取得了很大的進展，分別于1989年2月和7月推出了磁光式光學(xué)電流互感器和組合式OCT/OPT的樣機。他們分別使用了能夠展示Faraday效用的磁光材料(YIG、鉛玻璃)和Pockel與Faraday兩種效應(yīng)的單晶BSO作為傳感元件，其中組合式OCT/OPT方案也成為一個研究方向。日本愛知縣的Clmbu電氣電力公司還開