全光纤电子式电流互感器在智能变电站中的应用

-1-全光纤电子式电流互感器在智能变电站中的应用深圳国电南瑞科技有限公司。。。摘要：本文介绍了全光纤电子式电流互感器的工作原理和工作过程，详细阐述了光纤电流互感器的技术优势，最后简单介绍了光纤电流互感器在GIS中的集成方式。。关键词：FOCT，全光纤电流互感器，Faraday磁旋光效应1引言电流互感器是电力系统中的重要设备，目前国内广泛使用的铁磁线圈电流互感器,尽管稳态测量精度能够满足0.2级电能计量的要求,但由于自身结构上的局限性。在短路故障时会存在磁路饱和现象,导致动态测量能力差,容易造成保护装置误动和拒动。随着电力工业的不断发展，传统带铁心的电磁感应式互感器已经越来越不能适应电力系统的要求。电子式电流互感器是利用光学和电子学原理来实现电力系统电流测量的新型互感器。与传统的电磁式电流互感器相比较，电子式电流互感器具有体积小、重量轻、频带响应宽、无饱和现象等诸多优点，有望成为传统电磁感应式互感器的理想替代品，已经受到国内外研究人员的普遍重视。电子式电流互感器有两种传感原理:Faraday电磁感应原理和Faraday磁旋光效应原理。属于Faraday电磁感应原理的有铁心线圈和空心线圈两种传感结构,空心线圈结构的电流互感器又叫做Rogowski线圈电流互感器。属于Faraday磁旋光效应原理的包括块状玻璃和光纤两种传感结构,这类电流互感器又叫做光学电流互感器。-2-其中全光纤电子式电流互感器相对于其他类型的电子式互感器具有测量精度高、动态范围宽、抗环境电磁干扰能力强、敏感环安装方式简单灵活等优点，下面详细介绍一下全光纤电子式电流互感器（以下简称FOCT）。2FOCT的工作原理全光纤电子式互感器利用了法拉第磁光效应原理。如图1所示，Faraday效应是指当一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时，线偏振光的偏振面会线性地随着平行于光学方向的磁场的大小发生旋转，旋转角为。图1Faraday效应原理在互感器中光纤形成闭合环路，还需遵守安培环路定理lHdli式中为磁光材料的费尔德（Verdet）常数；l为光通过的路径；H为被测电流在光路上产生的磁场强度，i为载流导体中流过的交流电流。-3-3FOCT的工作过程图2FOCT工作过程FOCT基本的工作过程如下（参见图2）：光源发出的光被分成两束物理性能不同光，并沿光缆向上传播（见红、绿箭头）；在汇流排处，两光波经反射镜的反射并发生交换，最终回到光电探测器处并发生相干叠加；当通电导体中无电流时，两光波的相对传播速度保持不变，即物理学上所说的没有出现相位差（图3a）；而通上电流后，在通电导体周围的磁场作用下，两束光波的传播速度发生相对变化，即出现了相位差（图3b），最终表现的是探测器处叠加的光强发生了变化，通过测量光强的大小，即可测出对应的电流大小。-4-ab图3两偏振光相干叠加示意图4FOCT的优势在磁光法拉第效应的基础上，FOCT综合利用了光纤传感技术和闭环控制技术，很好的克服了其他电子式电流互感器的缺点，具体表现为：4.1闭环控制（负反馈）技术扩大了准确度下的动态范围对于采用Rogowski线圈和磁光玻璃等电子式电流互感器而言，都是采用的开环控制技术，这在准确度和动态范围的稳定性方面从原理上来说就有一定的局限性，所以要达到高性能的要求还是需要进一步研究的。而FOCT采用的是基于全数字闭环控制技术，对各种可能出现的偏差进行校正，真正达到一个完善的自适应控制系统，从原理和实现的手段上保证了电子互感器的精度和动态范围。4.2共光路、差动信号解调方式提高了抗干扰能力对于磁光玻璃式电子式电流互感器而言，光信号输入端和输出端不在同一点，走的路径是一个单向路径，当受到来自外界的温度变化，振动以及电磁场辐射等因素的干扰，单向路径受干扰源的影响就可能会产生同向误差，使得产品的精度出现不稳定性，也影响了产品的实际使用效果。而对于FOCT而言，光信号输入输出端在同一点，采用同一个光路，即使来自外界的温度变化，振动以及电磁场辐射等因素的干扰，同一光路路径受干扰源的影响出现的误差也会互相抵消，从而提高了产品的稳定性。-5-4.3全光纤结构提高了系统的可靠性FOCT中敏感元件和传输元件都为光纤，可以熔融连接，不受外界环境温度的影响，真正做到了敏感元件的长期稳定性和免维护，提高了系统的可靠性。5FOCT在GIS中的集成方式FOCT的敏感头安装在GIS气室内难度较大，一是SF6气体在短流电流和高温的影响下分解生成活性极强的氟粒子，对于光纤具有极大的腐蚀性。二是保偏光纤的材质很难与GIS的金属壳体形成绝对的整体，影响GIS气室的密闭性。GIS两个气室之间连接的法兰是比较好的安装位置。由于法兰中没有SF6气体，而且法兰也处在零电位，只需要稍微增加法兰的厚度，浇注法兰时内壁为FOCT留出安装空间，然后将FOCT固定在法兰内即可。下图是110kV三相共体GIS的安装示意图图4GIS应用三相一体式安装方式-6-这种安装方式中FOCT不需像传统互感器一样每相安装磁屏蔽套筒，结构大大简化。而且FOCT的敏感头和电气单元都处在零电位，绝缘问题由GIS厂家解决。由于FOCT本身不包含载流体，因此FOCT厂家没有动稳定及热稳定的问题。FOCT关注的中心就是保证FOCT的性能。这种方式很好地解决了与GIS的配合问题，不但不影响GIS的气室大小，甚至安装传统CT的GIS气室还可以缩小。尤其对于将GIS的老站改造为智能变电站更加有利，它对于GIS的基础结构影响不大，只需要将相关的GIS的法兰更好为适于安装FOCT的法兰即可。这种方法已经在贵阳的沙河变电站、山东潍坊的穆村变电站得到成功应用。5结束语目前FOCT已在陕西750kV延安变、华东500kV苏州东变、江苏500kV常熟南变以及国内多个220kV、110kV变电站投入运行，运行至今情况稳定。随着电子式互感器技术的不断发展，FOCT以其带宽高、绝缘简单、抗干扰能力强等优点，必将成为新型电流互感器发展和应用的主流方向。参考文献[1]乔峨、安作平、罗承沐等，光电式电流互感器的开发与应用--21世纪互感器技术展望[J]，变压器，2000，37(1)：40～43[2]龙槐生，张仲先，谈恒英．光的偏振及其应用[J]．机械工业出版社，1989[3]平绍勋，黄仁山．光电式电流互感器的现状和发展[J]．高压电器，2001，37(3)：43～46[4]吕海宝，冯勤群，周卫红等．强度型光纤传感检测中强度补偿技术．激光技术，l999，23(2)：9[5]李家泽，阎吉祥．光电子学基础[M]．北京理工大学出版社，1998-7-[6]申烛，王士敏，罗承沐.一种电子式电流互感器的研制，电力系统自动化，200226（18）：41-44[7]易本顺、刘延冰、阮芳光学电流互感器现场运行性能分析[J]，中国电机工程学报，1997，17(2)：138～140作者简介：