中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
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光纖電流傳感器是以法拉第磁光效應(yīng)為基礎(chǔ)、以光纖為介質(zhì)的新興電力計(jì)量裝置,光纖電流傳感器作為七十年代以來(lái)逐步發(fā)展成熟的一種新型傳感技術(shù)，具有許多傳統(tǒng)電流傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，因而其市場(chǎng)需求量巨大。隨著光纖技術(shù)的日趨成熟，對(duì)光纖電流傳感器實(shí)用化的開(kāi)發(fā)已成為整個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)。
光纖電流傳感器的概述
光纖電流傳感器是一種新型的電流傳感器，與電磁式電流互感器相比，基于光學(xué)、微電子、微機(jī)技術(shù)的光纖式電流傳感器（OFCT），具有無(wú)鐵心、絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，體積小、重量輕、線性度好、動(dòng)態(tài)范圍大、無(wú)飽和現(xiàn)象，輸出信號(hào)可直接與微機(jī)化計(jì)量及保護(hù)設(shè)備接口等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)既滿足、推動(dòng)了電力系統(tǒng)的發(fā)展，而且應(yīng)用前景十分廣闊。
當(dāng)線偏振光（見(jiàn)光的偏振）在介質(zhì)中傳播時(shí)，若在平行于光的傳播方向上加一強(qiáng)磁場(chǎng)，則光振動(dòng)方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度ψ與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和光穿越介質(zhì)的長(zhǎng)度l的乘積成正比，即ψ＝VBl，比例系數(shù)V稱為費(fèi)爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。偏轉(zhuǎn)方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場(chǎng)方向。上述現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。1845年由M.法拉第發(fā)現(xiàn)。
由于光在光纖中，一邊反射，一邊行進(jìn)，偏振波相應(yīng)于曲線的形狀會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。針對(duì)此現(xiàn)象，在光纖的一端設(shè)置一塊鏡面導(dǎo)致光纖中光線的往返，借助光的來(lái)回往返，成功補(bǔ)償和解決了偏振波的旋轉(zhuǎn)問(wèn)題。將鉛玻璃光纖用于傳感器元件，并結(jié)合利用鏡面的方法，只需把光纖卷繞在載流導(dǎo)體上，用于電流計(jì)測(cè)的反射型傳感器就基本完成。其次，開(kāi)發(fā)了調(diào)制程度的平均處理與信號(hào)處理方式，這有利于特性的穩(wěn)定及噪音的抑制。此外，對(duì)光源、受光元件、信號(hào)傳輸光纖等種類與傳感器特性的關(guān)系進(jìn)行了研究，而且，慎重選擇了旨在降低成本和實(shí)現(xiàn)小型化的傳感器制作技術(shù)。目前，光纖傳感器技術(shù)正朝實(shí)用化的方向進(jìn)展，以適應(yīng)電力系統(tǒng)的廣泛需求。
光纖電流傳感器的興起
光纖傳感器是七十年代中期出現(xiàn)的一種新型傳感器．一方面光參數(shù)被測(cè)量和調(diào)制， 光成為信息的載體；另一方面，用光纖來(lái)傳送信息．有時(shí)光纖同時(shí)具有信息測(cè)量和信息傳輸兩個(gè)功能．用光纖傳輸信息損耗小，頻帶寬，信息容量大，絕緣性能高，沒(méi)有各種 短路事故的危害，不怕雷電，不受電磁干擾．此外，它尺寸小，重量輕，耐腐蝕且價(jià)格低廉．正是由于光纖的這些優(yōu)點(diǎn)，光纖電流傳感器特別適用于高壓大電流的測(cè)量．它能 夠解決傳統(tǒng)電磁式電流互感器難以解決的一系列問(wèn)題．電壓等級(jí)越高，光纖電流傳感器 便越能顯示其無(wú)可比擬的優(yōu)越性．正因?yàn)槿绱耍陔娏鬏敾蚬饫w傳感領(lǐng)域工作的各國(guó)。學(xué)者越來(lái)越多地把注意力投向光纖電流傳感器。
光纖電流傳感器的結(jié)構(gòu)
光纖電流傳感器主要由傳感頭、輸送與接收光纖、電子回路等三部分組成，如圖1所示。傳感頭包含載流導(dǎo)體，繞于載流導(dǎo)體上的傳感光纖，以及起偏鏡、檢偏鏡等光學(xué)部件。電子回路則有光源、受光元件、信號(hào)處理電路等。從傳感頭有無(wú)電源的角度，可分為無(wú)源式和有源式兩類。
光纖電流傳感器的分類
1、全光式光電電流傳感器
全光式光電電流傳感器(MOCD）在高壓側(cè)不需要電源供電,所以也稱為無(wú)源型0CT. M0cT的工作原理為普遍采用的法拉第磁光效應(yīng).當(dāng)一束線偏振光通過(guò)置于磁場(chǎng)中的磁光材料時(shí),線偏振光的偏振面就會(huì)線性地隨著平行于光線方向的磁場(chǎng)大小發(fā)生旋轉(zhuǎn).通過(guò)測(cè)量載流導(dǎo)體周圍線性偏振光偏振面的旋轉(zhuǎn)角度,就可間接地測(cè)量出導(dǎo)體中的電流值.
2、混合式光電電流傳感器
混合式光電電流傳感器（HOCT）在高壓部分沒(méi)有光學(xué)元件，只是采用了有源電子線路，利用光纖的耐高壓特性，把光纖僅作為信號(hào)傳輸通道來(lái)研制光電式電流互感器。由于光纖的主要成分是二氧化硅，它具有耐高壓等特性，將光纖用于信號(hào)的傳輸，使得電流互感器無(wú)論從質(zhì)量上還是從體積上都有很大的改善。由于HOCT在高壓側(cè)是需要電源供電的，所以也稱為有源型OCT。
光纖電流傳感器的優(yōu)點(diǎn)
（１）絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，造價(jià)低．由于光纖具有良好的絕緣特性，高低壓之間的絕緣通過(guò)光纖再加上絕緣套來(lái)完成，從而使互感器的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化．雖然ＨＯＣＴ 仍然具有鐵心和線圈，但由于一，二側(cè)均處于高壓側(cè)，一，二側(cè)之間的電位差比較小， 故不需要高壓絕緣隔離，因此磁路短，尺寸?。妷旱燃?jí)的提高也不會(huì)帶來(lái)太多的改變， 因此適用于高壓電力系統(tǒng)中．
（２）測(cè)量準(zhǔn)確度高．利用光的磁光效應(yīng)測(cè)量電流，徹底拋棄的電磁式鐵心繞組的結(jié)構(gòu)，沒(méi)有故障電流下的飽和漏電，測(cè)量也無(wú)磁滯效應(yīng)，同時(shí)具有高的抗電磁干擾的能 力和靈敏度，準(zhǔn)確度．由于對(duì)一，二側(cè)的絕緣不如傳統(tǒng)的電磁式互感器高，因此采樣電 流的鐵心線圈可以采用準(zhǔn)確度較高的電流互感器，或者采用帶氣隙的鐵心線圈，較好的暫態(tài)性能．二次側(cè)所帶的負(fù)載一般是電子線路，負(fù)載恒定，因此不要求二次線圈提供較 大的功率，這樣也有利于測(cè)量精度的提高．
（３）設(shè)備安裝和檢修方便．只需要更換線圈的規(guī)格來(lái)適應(yīng)不同的電壓等級(jí)，而其 他部件不需要更換，具有良好的升級(jí)性．
（４）運(yùn)行安全，不會(huì)產(chǎn)生二次開(kāi)路的高壓和采用油浸式所引起的爆炸等現(xiàn)象．
（５）有利于變電站綜合自動(dòng)化水平的提高．由于傳遞到低壓側(cè)的信號(hào)都有數(shù)字接 口，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到系統(tǒng)的運(yùn)行情況．直接可以供測(cè)量和保護(hù) 使用．此外采用數(shù)字化接口，還可以實(shí)行遠(yuǎn)距離遙控．
（６）基于光纖互感器技術(shù)的ＭＯｃＴ和ＨＯＣＴ的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍寬，靈敏度高．
光纖電流傳感器的研究現(xiàn)狀
20世紀(jì)80年代,美國(guó),日本,德國(guó),英國(guó),法國(guó),中國(guó)等國(guó)投入光學(xué)電流互感器 研究的人員大約有150人,近20個(gè)課題組,其成就最突出的是美國(guó)和日本.
美國(guó)有許多大公司都介入,并且各自成立課題組,目標(biāo)是16KV,345KV,500KV, 20～4000A,ANSIc57標(biāo)準(zhǔn)O.5級(jí),0.3級(jí),以Faraday塊狀結(jié)構(gòu)的磁光式電流互感器為 主.美國(guó)利用80年代初日本,德國(guó)的有關(guān)研究和技術(shù)資料,迅速推進(jìn)ocT的研究,選 定在超高壓電力系統(tǒng)采用塊狀結(jié)構(gòu)的OCT方案,并取得了成功,在1986～1988年實(shí)現(xiàn) 了161KV的繼電保護(hù)的掛網(wǎng)運(yùn)行成功.
日本除了研究500Kv,1000Kv高壓電網(wǎng)計(jì)量用OcT,還進(jìn)行500KV以下到6000V 電壓等級(jí)的電流互感器使用的光學(xué)c1佃T的研究.三菱公司的一丹工廠制造的6.6KV, 600A的組合式光學(xué)互感器,在中部電力公司的配電網(wǎng)中安裝,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的戶外試驗(yàn), 滿足JECl201.1985標(biāo)準(zhǔn),已經(jīng)在1989年末通過(guò)試驗(yàn)鑒定.此組合式光學(xué)電流互感器可 以掛接在電線桿上運(yùn)行,重量3.5虹.還可以把這種互感器放在7.7KV的配電網(wǎng)中,根 據(jù)電流的流向判斷電網(wǎng)的故障點(diǎn).日立公司和東芝公司對(duì)用于GIS的光學(xué)互感器都進(jìn)行 了大量研究,并且試運(yùn)行良好.
1991年9月在美國(guó)德克薩斯州會(huì)議中心,有IEEE電機(jī)工程學(xué)會(huì)主辦的輸變電會(huì)議 上,3M公司的IEEE會(huì)員提出了以"用于電力系統(tǒng)的光纖電流互感器的研制"為課題 的全光纖電流互感器技術(shù),描述了用于高穩(wěn)定性的傳感光纖線圈和把光纖線圈與新奇的 保偏光纖連接起來(lái)的新技術(shù),還介紹了理論上的局限與初步特性曲線和數(shù)據(jù).
我國(guó)研究的光電式電流互感器的單位有清華大學(xué)電機(jī)系,華中理工大學(xué)電力系,上 ?？萍即髮W(xué),西安交通大學(xué),沈陽(yáng)沈變互感器制造有限公司和上海MwB互感器制造有限公司等.國(guó)內(nèi)在許多基礎(chǔ)性研究方面,例如溫度和應(yīng)力引起的雙折射現(xiàn)象及其降低的 對(duì)策,還需要做深入的工作;在光電式電流互感器的精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面還需要做進(jìn)一步和更長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)考驗(yàn).
近年來(lái),國(guó)外的一些大電氣公司和大學(xué)正加緊光電式電流互感器的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和商品 化.1994年ABB公司推出了有源式光電電流互感器,其電壓等級(jí)為72.5KV～765KV, 額定電流為600A～6000A.3M公司在1996年已宣稱開(kāi)發(fā)出用于138Kv電壓等級(jí)的全光纖電流測(cè)量模塊,據(jù)稱也可應(yīng)用于500KV電壓等級(jí).PhototIics公司也隨后推出了一 種用光供能的光電式電流互感器,稱為"混合式光電電流互感器",曾經(jīng)在1995年至 1997年間在美國(guó),瑞典,芬蘭等國(guó)家的超高電壓電網(wǎng)上運(yùn)行.英國(guó)利物浦大學(xué)電機(jī)系也 在進(jìn)行混合式光電電流互感器的研究.德國(guó)著名的互感器公司硒tz公司也在和德國(guó)大學(xué) 聯(lián)合開(kāi)發(fā)無(wú)源式和有源式光電電流互感器.此外,日本一些電氣公司把光電電流互感器 應(yīng)用于抽水蓄能電站電流的測(cè)量,電流范圍為8000～35000A,頻率范圍為1/60～ 150Hz。
