非常規(guī)互感器

1、1、非常規(guī)互感器的概述國(guó)際上將有別于傳統(tǒng)的電磁型電壓/電流互感器的新一代互感器統(tǒng)稱為非常規(guī)互感器NCIT（Non Conventional Instrument Transformer），它克服了常規(guī)互感器工作時(shí)由于系統(tǒng)電壓增高，從而使互感器的絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、造價(jià)高、磁飽和、鐵磁諧振、動(dòng)態(tài)范圍小等缺點(diǎn)23，具有絕緣性能和抗電磁干擾性能好、暫態(tài)響應(yīng)好、體積小、造價(jià)低、頻率響應(yīng)范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大等特點(diǎn)，受到普遍關(guān)注。非常規(guī)互感器的分類圖1-1 非常規(guī)互感器的分類非常規(guī)互感器主要分為兩類：無源光電互感器和有源電子式互感器。無源光電電流互感器(POCT)依據(jù)法拉第磁光效應(yīng)設(shè)計(jì)而成，具有輸入與輸出

2、呈現(xiàn)嚴(yán)格的線性關(guān)系、無磁飽和現(xiàn)象、抗電磁干擾能力強(qiáng)、體積小、運(yùn)輸安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，而且絕緣問題也容易解決，是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。但由于存在光路較復(fù)雜、機(jī)械加工難度大、受環(huán)境溫度影響等問題，有不少試驗(yàn)樣機(jī)掛網(wǎng)運(yùn)行，但達(dá)到實(shí)用化程度的還較少。無源光電電壓互感器(POVT)依據(jù)Pockels電光效應(yīng)設(shè)計(jì)而成，傳感采用電光晶體，采用光纖傳輸。與傳統(tǒng)的電磁式或電容分壓式電壓互感器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)動(dòng)態(tài)范圍大，頻率響應(yīng)寬，無飽和現(xiàn)象；(2)測(cè)量回路與被測(cè)高壓之間通過光纖聯(lián)接，做到了真正的電隔離，安全性好；(3)抗電磁干擾能力強(qiáng)；(4)體積小，重量輕。目前無源光電電壓互感器實(shí)用中遇到的最大問題是溫度變

3、化對(duì)測(cè)量精度的影響，但是由于實(shí)現(xiàn)難度大，成本優(yōu)勢(shì)不明顯，尚無成熟產(chǎn)品。有源電子式電流互感器(AECT)一般采用線性化較好的羅氏線圈(Rogowski Coil)將一次側(cè)電流信號(hào)通過電磁感應(yīng)傳到二次側(cè)，然后對(duì)二次側(cè)電信號(hào)進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過光纖輸出給保護(hù)、測(cè)控裝置等變電站自動(dòng)化設(shè)備。電子式電流互感器無鐵芯、絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、體積小、質(zhì)量小、線性度好、無飽和現(xiàn)象。有源電子式電壓互感器(AEVT)將一次電壓通過電容或電阻分壓后直接進(jìn)行采樣，再通過光纖傳輸測(cè)量信號(hào)給各種變電站自動(dòng)化設(shè)備。EVT有以下特點(diǎn)：(1)高低電壓之間實(shí)現(xiàn)了真正的電隔離；(2)采用光纖傳送信號(hào)，具有極強(qiáng)的抗干擾性，同時(shí)還降

4、低了損耗。有源電子式電流電壓互感器已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段，在現(xiàn)場(chǎng)投入運(yùn)行，其測(cè)量精度和長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性滿足要求，目前有多家制造商可以提供此類設(shè)備。無源電子式電流電壓互感器雖實(shí)用化程度較小，但也慢慢發(fā)展起來了，。近幾年，南瑞航天電氣公司研制成功全光纖電子式電流互感器，通過武漢高壓研究院的型式試驗(yàn)，準(zhǔn)確度達(dá)到0.2級(jí)，已實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)應(yīng)用，掛網(wǎng)試運(yùn)行一年，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。1.2 非常規(guī)互感器與常規(guī)互感器的應(yīng)用區(qū)別圖1-2 電磁式互感器&OET700類比常規(guī)互感器二次輸出側(cè)以1A、5A，或100V的信號(hào)形式與電能表計(jì)、控制保護(hù)等二次設(shè)備相連接，目前絕大多數(shù)二次設(shè)備廠商提供的產(chǎn)品也是按此匹配的。而電子式互感

5、器的二次輸出參數(shù)則完全不同，繼電保護(hù)、計(jì)量?jī)x表及測(cè)控裝置等二次裝置具適合數(shù)字化的特點(diǎn)，與電子式互感器的應(yīng)用較為接近。因此，互感器的精度等級(jí)、二次側(cè)輸出參數(shù)和與之相連的二次設(shè)備匹配和無縫連接，是非常規(guī)互感器應(yīng)用于工程的關(guān)鍵所在21。2 非常規(guī)互感器的基本原理2.1無源光電電流互感器的基本原理基于法拉第磁光效應(yīng)的OCT一直是光學(xué)電流傳感技術(shù)的主流，這種OCT是通過測(cè)量由被測(cè)電流引起的磁場(chǎng)強(qiáng)度的線積分來間接測(cè)量電流的11,12。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(chǎng)的作用下通過介質(zhì)（晶體或光學(xué)玻璃)時(shí)，其偏振面將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖2所示，偏轉(zhuǎn)角可以表示為 (1)圖2 法拉第磁光效應(yīng)式中

6、，為法拉第磁光材料的磁導(dǎo)率;V為磁光材料的Verdet常數(shù)，它與介質(zhì)的特性、光源波長(zhǎng)、外界溫度等有關(guān);H為作用于磁光材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度;L為通過磁光材料的偏振光的光程長(zhǎng)度。為了求出上述積分實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量，可以使線偏振光圍繞電流形成回路，根據(jù)安培環(huán)路定律可知: (2)其中，N為線偏振光圍繞電流的環(huán)路數(shù)，為被測(cè)電流。由于偏振光的偏轉(zhuǎn)角是不能夠被直接測(cè)量的，因此，人們利用馬呂斯定律將不可測(cè)的偏轉(zhuǎn)角信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測(cè)的偏振光的光強(qiáng)信號(hào)。馬呂斯定律指出，自然光經(jīng)過第一塊偏振器(稱為起偏器)時(shí)，出射的偏振光的光強(qiáng)為入射自然光強(qiáng)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，

7、其光強(qiáng)為: (3)其中，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(shí)式(3)中的就是法拉第旋轉(zhuǎn)角和起、檢偏器夾角之和。為了使檢偏器出射偏振光的光強(qiáng)獲得最大，通常將起、檢偏器夾角設(shè)定為可，由于法拉第旋轉(zhuǎn)角很小，只有幾度，式(3)就變成以下形式: (4)其中，=，光源輸出的恒定初始光強(qiáng)。在式(1-4)中，和均為未知量，為了從一個(gè)方程求解兩個(gè)量，通常采用兩種方法:單光路AC/DC法和雙光路法。從式(4)可知，共由兩個(gè)量組成，其中第一項(xiàng)為直流量，第一項(xiàng)為交流量。單光路AC/DC法就是利用為直流量而為交流量的特點(diǎn)，將J1通過交直流分離后再進(jìn)行除法消去公共項(xiàng)

8、以得到。不過，這種方法不能夠用于測(cè)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(qiáng)分別為1: (5)利用方程組（5），可以求解未知量: (6)光學(xué)電流互感器的實(shí)現(xiàn)有多種形式，主要有全光纖式光學(xué)電流互感器、塊狀磁光材料式光電電流互感器18-19。 全光纖式光學(xué)電流互感器全光纖式光學(xué)電流互感器是以法拉第磁光效應(yīng)為基礎(chǔ)，以光纖為介質(zhì)的電流測(cè)量裝置，即利用光導(dǎo)纖維中的磁光效應(yīng)來測(cè)量電流，同時(shí)利用光纖傳輸光信號(hào)。測(cè)量電流時(shí)，光導(dǎo)纖維接受從物鏡傳來的偏振光后，從地面向高電位導(dǎo)體伸出，在通

9、過被測(cè)電流的導(dǎo)體上繞幾圈后，再返回地面，到Wollaston棱鏡進(jìn)行分析，經(jīng)檢測(cè)器，變換成電流輸出。全光纖式光學(xué)電流互感器，傳光與傳感部分都用光纖，又稱為功能型光學(xué)電流互感器16-17，19。圖2-1-1全光纖式光學(xué)電流互感器的構(gòu)成注：1激光電源 2偏振器 3物鏡 4耦合器 5光纖 6 輸電線 7物鏡 8偏振棱鏡 9檢測(cè)器 10放大鏡 11輸出全光纖式光學(xué)電流互感器的構(gòu)成如圖2-1-1所示，激光器1發(fā)出的光束經(jīng)偏振器2變?yōu)榫€偏振光，經(jīng)顯微物鏡3、耦合器4到單模光纖5中，光纖繞在高壓載流導(dǎo)體輸電線6上，導(dǎo)體中流過電流I，光纖便產(chǎn)生磁光效應(yīng)，使通過光纖的偏振光產(chǎn)生角度為的偏振面旋轉(zhuǎn)，出射光由物鏡7

10、耦合到偏振棱鏡8，把光束分成振動(dòng)方向垂直的兩束偏振光，分別送入檢測(cè)器9和放大器lO，經(jīng)處理后輸出信號(hào)S。全光纖式光學(xué)電流互感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、形狀隨意、測(cè)量靈敏度可按光纖環(huán)數(shù)調(diào)節(jié)，但是，由于光纖內(nèi)部存在線性雙折射，從而影響測(cè)量精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性?？紤]光纖內(nèi)的線性雙折射，法拉第旋轉(zhuǎn)角9與輸出信號(hào)S之間的關(guān)系可以描述為：式中：為光纖中存在的線性雙折射，包括光纖內(nèi)部的固有線性雙折射和受溫度、壓力或振動(dòng)等外部環(huán)境因素影響引起的線性雙折射的總和。K為與光電轉(zhuǎn)換效率等有關(guān)的常數(shù)。為克服光纖內(nèi)存在的線性雙折射對(duì)全光纖式電流互感器性能的不良影響，自從20世紀(jì)70年代以來，許多研究者進(jìn)行了大量有益的研究工作，提

11、出許多改進(jìn)措施。如采用光纖新工藝，用扭轉(zhuǎn)光纖、退火光纖或扭轉(zhuǎn)和退火工藝相結(jié)合的方法制作電流傳感頭13。扭轉(zhuǎn)光纖可顯著減小由光纖中剩余應(yīng)力及幾何非對(duì)稱性引起的內(nèi)在線性雙折射；退火工藝可明顯降低光纖中存在的彎致線性雙折射。實(shí)驗(yàn)表明采用新工藝使系統(tǒng)靈敏度與溫度穩(wěn)定性均得到明顯改善。還可以采用新光纖材料燧石玻璃光纖克服線性雙折射問題，燧石玻璃是一種具有極小光彈性系數(shù)的較理想的玻璃材料，其內(nèi)在雙折射及彎致雙折射均小到可忽略不計(jì)。人們還提出各種不同的新型光纖傳感結(jié)構(gòu)來克服線性雙折射的影響。如：用輸入兩種不同偏振態(tài)的方法分離法拉第旋轉(zhuǎn)角和線性雙折射；采用特殊的幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分離法拉第旋轉(zhuǎn)角和線性雙折射；全面分

12、析輸出偏振態(tài)法：用保偏光纖模式耦合法抑制線性雙折射；干涉儀檢測(cè)法；用Faraday反射鏡消除光纖中線性雙折射影響等方法。圖2-1-2為串聯(lián)式Sagnac干涉儀方案。兩個(gè)互相正交的線偏光注入高雙折射光纖的兩個(gè)雙折射軸后，每個(gè)線偏光在往返過程中分別利用了不同的兩個(gè)光軸，致使H者總光程完全相同。經(jīng)過l/4波片后線偏光成為圓偏光。若波片和反射鏡之間存在Faraday效應(yīng)，則回偏光將產(chǎn)生非倒易性相位差。于是經(jīng)過一次往返后每個(gè)線偏光經(jīng)歷兩次Faraday效應(yīng)，產(chǎn)生4的相移。其中,為N圈光纖產(chǎn)生的法拉第旋轉(zhuǎn)角。光纖中的線性雙折射由于具有倒易性而在往返中抵消掉。該設(shè)計(jì)結(jié)合了偏振檢測(cè)和Sagnac干涉儀的優(yōu)點(diǎn)，

13、其靈敏度比Sagnac干涉儀增加了1倍，是偏振檢測(cè)方案的4倍，顯著降低了傳導(dǎo)光纖對(duì)振動(dòng)與溫度變化的敏感程度19。圖2-1-2 串聯(lián)式Sagnac干涉儀方案原理圖塊狀磁光材料式光電電流互感器磁光材料式光電電流互感器是依據(jù)法拉第磁光效應(yīng)，將線偏振光的偏振面角度變化的信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)變化的信息，然后通過光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，井進(jìn)行放大處理，以反應(yīng)最初的電流信息。這種互感器傳光用光纖，傳感用塊狀光學(xué)材料。與全光纖型相比，該種互感器精度和穩(wěn)定性較高，某些場(chǎng)合已達(dá)到實(shí)用化要求。依傳感頭結(jié)構(gòu)不同。又可分為閉合式和集磁環(huán)式兩種10。其中閉合式塊狀光學(xué)材料型OCT精度高、實(shí)用化程度高。如圖2-1-3所示

14、，閉合式塊狀磁光材料型OCT利用全反射使線性偏振光在磁光材料內(nèi)圍繞穿過材料中心的通電導(dǎo)體閉合，當(dāng)通電導(dǎo)體通過電流時(shí)，磁光材料即受到強(qiáng)磁場(chǎng)的作用。如圖2-1-4所示，激光光源l發(fā)出的激光通過光纖從控制室傳輸?shù)絆CT安裝地點(diǎn)高壓區(qū)，經(jīng)偏振器2后，輸出的偏振光射向磁光材料3，經(jīng)磁光材料反射后，偏振面己有所偏轉(zhuǎn)的偏振光射入檢偏器5，檢偏器將角度信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)信息，經(jīng)光纖傳輸回控制室后，再由光電探測(cè)器6，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)放大器7放大后輸出并濾波，經(jīng)電子電路處理后得到被測(cè)電流值。圖2-1-3閉合式塊狀磁光材料型OCT傳感原理圖圖2-1-4閉合式塊狀磁光材料型OCT傳感結(jié)構(gòu)圖注：1激光電源 2偏振器

15、 3塊狀磁光材料 4輸電線 5檢偏器 6光電探測(cè)器7放大鏡 8輸出為了獲取最大的磁光調(diào)制幅度，調(diào)整起偏器、檢偏器的透光軸，使兩者的夾角為。根據(jù)馬呂斯定律，當(dāng)很小時(shí)，由（4）式可知，被旋轉(zhuǎn)角調(diào)制后的輸出光強(qiáng)為：。其中，第一項(xiàng)為直流量，第一項(xiàng)為交流量，光電接收器將此信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。利用電子電路進(jìn)行交流與直流信號(hào)分離：其中, 、為常數(shù), 與光電接受器的光電轉(zhuǎn)換效率及電路放大倍數(shù)有關(guān)。為了消除光源功率波動(dòng)的影響, 用可得最終輸出（）,這樣得到與被測(cè)電流成正比的輸出電壓信號(hào)U從而可得到被測(cè)電流的大小。塊狀磁光材料傳感頭的結(jié)構(gòu)有平面多邊型、四角型、三角型、環(huán)型和開口型等多種?？捎糜谥圃靷鞲蓄^的材料包括抗

16、磁性材料、順磁性材料和鐵磁性材料三種。曾遍采用屬于抗磁性材料的重火石玻璃，理由為：(1)火石玻璃是抗磁性材料，其verdet常數(shù)在一個(gè)較大的溫度范圍內(nèi)基本不變，同時(shí)在被測(cè)電流很大時(shí)，也不會(huì)發(fā)生信號(hào)飽和及波形畸變15。(2)某些火石玻璃的光彈性系數(shù)小，當(dāng)傳感頭受到應(yīng)力時(shí)，在傳感材料內(nèi)引起的線性折射很小，因而對(duì)測(cè)量的影響很小。(3)由于它是一種玻璃材料，使其可以被加工成較大尺寸以及各種結(jié)構(gòu)的傳感頭19。2.2無源光電電壓互感器無源光電電壓互感器的測(cè)量原理大致可以分為基于Pokels效應(yīng)和基于逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)兩種，現(xiàn)在研究的光纖電壓互感器大多數(shù)是基于Pokels效應(yīng)的。如圖3所示，LED發(fā)出

17、的光經(jīng)起偏器后為一線偏振光，在外加電壓作用下，線偏振光經(jīng)電光晶體(如BGO晶體)后發(fā)生雙折射，雙折射兩光束的相位差與外加電壓U有如下關(guān)系9，20,24： (7)式(7)中為BGO晶體的折射率，為BGO晶體的電光系數(shù)，為BGO中光路長(zhǎng)度，d為施加電壓方向的BGO厚度，為入射光波長(zhǎng)，為晶體的半波電壓。相位差與外加電壓U成正比，利用檢偏器將相位差的變化轉(zhuǎn)換為輸出光強(qiáng)的變化，經(jīng)光電變換及相應(yīng)的信號(hào)處理便可求得被測(cè)電壓。圖4為基于Pokels效應(yīng)的光傳感式電壓互感器。圖3光學(xué)電壓傳感原理圖圖4基于Pokels效應(yīng)的光傳感式電壓互感器222無源光電電壓互感器的類型和結(jié)構(gòu)目前，國(guó)內(nèi)外研究的光學(xué)電壓互感器的類

18、型可以分為有分壓型和無分壓型。有分壓型多是采用電容分壓器將高電壓分成一個(gè)較低電壓加在電光晶體上，降低作用在電光晶體上的電壓有利于提高互感器的溫度穩(wěn)定特性，降低絕緣要求，但是，電容分壓器長(zhǎng)期運(yùn)行帶來了額外的測(cè)量誤差。華中理工大學(xué)設(shè)計(jì)、在廣東新會(huì)市某變電站掛網(wǎng)運(yùn)行的110 kv光學(xué)電壓互感器，東京電力公司和東芝公司聯(lián)合開發(fā)用于保護(hù)和控制的適用光學(xué)電流和電壓互感器就是采用這種結(jié)構(gòu)。無分壓型是指高電壓直接加在電光晶體上，沒有分壓器，提高了測(cè)量精度，同時(shí)適當(dāng)?shù)母唠妷嚎梢蕴岣呋ジ衅鞯撵`敏度。但由于高電壓直接加在晶體上，必須防止晶體被擊穿，同時(shí)對(duì)傳感頭的絕緣要求更高了。華中理工大學(xué)研制了110KV無分壓型光

19、纖電壓互感器，采用SF6做絕緣氣體，高電壓就是直接加在BGO晶體上。光學(xué)電壓互感器的核心部件是電壓傳感頭，基于Pokels效應(yīng)的傳感頭主要有橫向調(diào)制和縱向調(diào)制兩種結(jié)構(gòu)形式19,22，分別如圖5、圖6所示。圖5橫向調(diào)制結(jié)構(gòu)圖圖圖6 縱向結(jié)構(gòu)調(diào)制圖橫向調(diào)制就是外加電場(chǎng)方向和通光方向互相垂直，圖5所示是雙光路橫向調(diào)制結(jié)構(gòu)圖。這種結(jié)構(gòu)經(jīng)常用在有分壓器的光學(xué)電壓互感器中。調(diào)節(jié)電極間的距離以降低電場(chǎng)強(qiáng)度的大小實(shí)現(xiàn)對(duì)高電壓的測(cè)量，這時(shí)也可以不需要分壓器，高低壓電極之間用絕緣材料連接起來。電光晶體處在電場(chǎng)中，受該電場(chǎng)作用。橫向調(diào)制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，但是電極間的距離受溫度的影響而變化，引起電場(chǎng)強(qiáng)度的改變，從而影

20、響互感器的穩(wěn)定性；外電場(chǎng)和極間電場(chǎng)分布對(duì)互感器也有影響，因此應(yīng)該采取措施加以克服。縱向調(diào)制就是通光方向與外加電場(chǎng)方向一致，如圖6所示。沿兩極間的電場(chǎng)積分與路徑無關(guān)，即以與路徑無關(guān)，所以這種結(jié)構(gòu)的半波電壓與晶體的外觀尺寸無關(guān)，外電場(chǎng)的干擾和極間電場(chǎng)分布的不均勻都不會(huì)對(duì)電壓測(cè)量造成影響，傳感頭的設(shè)計(jì)相對(duì)比較容易。設(shè)計(jì)中應(yīng)注意內(nèi)部晶體絕緣和傳感頭內(nèi)外絕緣。有源式電子式電流互感器作為從電磁式電流互感器向光纖電流互感器的過渡產(chǎn)物的有源電子式電流互感器目前己進(jìn)入實(shí)用化階段。該型互感器的傳感頭不是光學(xué)元件，而采用了傳統(tǒng)的空心互感器(即Rogowski線圈)14,25。Rogowski線圈實(shí)際上是一種具有特殊

21、結(jié)構(gòu)的空心線圈，也是一種較理想的敏感元件，它將測(cè)量導(dǎo)線均勻地密繞在截面均勻的非磁性材料的骨架上，消除了磁飽和現(xiàn)象，線性度好，測(cè)量頻帶寬，提高了電磁式電流互感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍。它根據(jù)被測(cè)電流的變化，感應(yīng)出被測(cè)電流變化的信號(hào)，反應(yīng)速度快，可以測(cè)量前沿上升時(shí)間為納秒級(jí)的電流，且精度可高達(dá)0.1%。它不與被測(cè)電路直接接觸，可方便地對(duì)高壓回路進(jìn)行隔離測(cè)量。如圖7所示，若線圈的匝數(shù)密度n及截面積s均勻，Rogowski線圈輸出的信號(hào)與被測(cè)電流有如下關(guān)系： （8）如圖8，式中e(t)經(jīng)積分變換及AD變換后由LED轉(zhuǎn)換為數(shù)字光信號(hào)輸出，控制室的PIN及信號(hào)處理電路對(duì)其進(jìn)行光電變換及相應(yīng)的信號(hào)處理便可輸出供微機(jī)

22、保護(hù)和計(jì)量用的電信號(hào)20。（OET700系列數(shù)字式電流傳感器如圖8）。圖7 Rogowski線圈圖8 有源電子式電流互感器結(jié)構(gòu)示意圖Faraday電磁感應(yīng)原理是Rogowski線圈電流互感器的傳感基礎(chǔ)，這在基本原理上決定了Rogowski線圈電流互感器不能用于測(cè)量穩(wěn)恒直流。對(duì)于變化比較緩慢的非周期分量的測(cè)量也有一定局限性，即基于Rogowski線圈原理的電流互感器存在測(cè)量信號(hào)頻帶的限制。有源式電子式電壓互感器目前，基于電阻分壓器的電壓互感器最高只做到132 kV電壓在超高壓交流電網(wǎng)中使用還將會(huì)受電阻功率和準(zhǔn)確度的限制，實(shí)際使用不多。從測(cè)量原理上分析,基于電容分壓的交流高電壓測(cè)量系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)十分明顯

23、,但是現(xiàn)在普遍采用的電容分壓型EVT在一次傳感結(jié)構(gòu)和電磁屏蔽方面均存在較為嚴(yán)重的缺陷,其應(yīng)用尚需要積累工程經(jīng)驗(yàn)。有源電子式電壓互感器多采用電容式分壓器26，原理圖如圖9。圖9 電容式分壓器等效電路圖圖10 有源電子式電壓互感器的結(jié)構(gòu)示意圖電壓傳感器的工作基于電容分壓器，電容分壓器的中間電極與一次導(dǎo)桿形成的高壓電容C由下式確定： （9）式（9）中b是中間電極的長(zhǎng)度，D是中間電極的內(nèi)徑，d是高壓一次導(dǎo)桿的直徑。C是壓縮氣體介質(zhì)電容，其穩(wěn)定性較好。中間電極與接地外殼形成電容分壓器的另一電容，是固體介質(zhì)電容，其溫度穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性均不能滿足高精度測(cè)量的要求。為了提高電壓測(cè)量的精度，在兩端并聯(lián)一個(gè)精密

24、取樣電阻R，如圖9所示。電壓傳感器的輸出與被測(cè)電壓的關(guān)系式為： （10）若,為被測(cè)電壓的角頻率，則(2-5)式可簡(jiǎn)化為：（11）上式表明，若，則電壓傳感器的輸出與被測(cè)電壓的微分成正比，利用電子電路對(duì)進(jìn)行積分變換便可求得被測(cè)電壓。圖10所示為有源電子式電壓互感器的結(jié)構(gòu)示意圖。被測(cè)高壓經(jīng)電容分壓器分壓后，經(jīng)信號(hào)預(yù)處理、A/D變換及LED電光轉(zhuǎn)換，以數(shù)字光信號(hào)的形式送至控制室，控制室的P1N及信號(hào)處理電路對(duì)其進(jìn)行光電變換及相應(yīng)的信號(hào)處理，便可輸出供微機(jī)保護(hù)和計(jì)量用的電信號(hào)。（OET700系列數(shù)字式電壓傳感器）有源電子式ECT、EVT的一次高壓側(cè)有電子電路，其電源的供給方式主要有兩類，一類是光供電，即

25、控制室內(nèi)LD發(fā)出的光由光纖送至高壓側(cè),再經(jīng)光電變換轉(zhuǎn)換為電能供電路工作;另一類是利用一小CT從高壓線路上獲取電能供電路工作20。目前有源式ECT、EVT的已進(jìn)入實(shí)用化的階段。在光學(xué)互感器穩(wěn)定性、測(cè)量精度沒解決之前，這是另一條發(fā)展數(shù)字化的道路，無源光電互感器可能更適合超高壓電網(wǎng)。3非常規(guī)互感器存在的問題3.1 有源型式互感器存在的問題有源型式互感器工作時(shí)需要工作電源，利用激光供電技術(shù)對(duì)高壓側(cè)電子模塊進(jìn)行供電，激光供電的合并單元與有源互感器之間的物理距離受到一定限制，激光供電器件的穩(wěn)定性直接影響互感器的使用效果。另外，Rogowski線圈易受電磁干擾，其輸出的信號(hào)與其結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的相關(guān)性，易受溫度變

26、化，影響電子線路測(cè)量準(zhǔn)確度，因此在運(yùn)行中應(yīng)嚴(yán)格屏蔽傳感線圈。主要研制難點(diǎn)有以下幾方面18：(1)傳感頭電源的供應(yīng)問題和電子線路功耗問題；(2)傳感頭的抗干擾問題；(3)信號(hào)的傳送和接收等。3.2 無源型式互感器存在的問題無源型互感器存在測(cè)量精度不穩(wěn)定且有偏差的問題，這是由于線性雙折射現(xiàn)象及發(fā)光源（LED)器件發(fā)光強(qiáng)度下降、光傳輸環(huán)節(jié)引起偏振角變化和不同材料的維爾德常數(shù)受外界溫度的影響也不同等因素造成的。基于法拉第磁光效應(yīng)的光學(xué)電流互感器的研究已經(jīng)取得了許多可喜的成果。然而，目前光學(xué)電流互感器還是難以實(shí)用化，存在著許多難題問題沒有解決，如溫度和雙折射引起的精度問題等;從光學(xué)電流互感器的外特性來看

27、，光學(xué)電流互感器實(shí)用化的難點(diǎn)主要是:（1）測(cè)量精度受到運(yùn)行環(huán)境溫度的影響，達(dá)不到計(jì)量的要求;（2）運(yùn)行穩(wěn)定性差，無法在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期使用?；赑ockels電光效應(yīng)的光學(xué)電壓互感器(OVT)測(cè)量品質(zhì)優(yōu)良，不存在運(yùn)行安全性問題，長(zhǎng)期受到世界電力系統(tǒng)界的關(guān)注。由于存在測(cè)量精度的溫度漂移問題和運(yùn)行可靠性問題，目前還達(dá)不到工業(yè)化應(yīng)用的程度，離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離，還有很多問題需要解決，這些問題主要有22：（1）光源光學(xué)電壓互感器用的光源多是LED，它具有較長(zhǎng)的使用壽命、可靠性高。試驗(yàn)研究表明，隨著環(huán)境溫度的變化，LED的中心波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生漂移，溫度變化的LED，中心波長(zhǎng)受工作電流的影響也較大，波長(zhǎng)的變化會(huì)引起相

28、位延遲的變化。同時(shí)，光強(qiáng)與激勵(lì)電流成正比，光強(qiáng)變化會(huì)影響測(cè)量的精度，因此有必要保持LED裝置的恒溫和激勵(lì)電流的恒定。（2）光電檢測(cè)光電轉(zhuǎn)換中的響應(yīng)電流十分微弱。信號(hào)處理電路應(yīng)該嚴(yán)格限制溫漂的影響和外界電磁場(chǎng)的干擾。故需要采取有效的屏蔽措施，同時(shí)設(shè)計(jì)合理的電路也是減少噪聲、提高信噪比的方法。光源和光電檢測(cè)可以先調(diào)制好。然后放在一個(gè)恒溫的裝置里，由于這些設(shè)備都是在控制室里。所以溫度的恒定是可以做到的。（3）傳感頭目前，所用的電光晶體中多數(shù)是BGO晶體。實(shí)際的BGO晶體存在兩種典型缺陷：沉淀和黃顏色。沉淀物會(huì)引起雙折射，帶來附加的相位延遲。同時(shí)，晶體還存在彈光效應(yīng)、熱光效應(yīng)、吸收和色散、旋光性的影響

29、，晶體的折射率都會(huì)發(fā)生變化。因此，要求使用純凈且經(jīng)多次提拉的BGO晶體；改善加工和生長(zhǎng)工藝，降低內(nèi)部殘余應(yīng)力和不均勻性；減少溫度變化以提高傳感器的精度。在光學(xué)電壓互感器中較多的采用了14波片，它受溫度變化的影響較大，應(yīng)加以重視，通過適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)可以減少甚至消除它的影響。光學(xué)材料的溫度穩(wěn)定性是一個(gè)重要的內(nèi)容，應(yīng)選擇受溫度影響小的材料以降低溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。因?yàn)閭鞲蓄^置于室外，受環(huán)境影響較大，必須采取措施加以克服。（4）光纖光纖傳輸信號(hào)過程中存在模式噪聲，它是一種乘性噪聲，如果光源的相干性強(qiáng)，光纖的模間色散小，各模間可產(chǎn)生干涉；接頭工藝的限制，只有部分光功率(或光斑)通過接頭；光源頻率的微小漂移

30、或光纖的微弱振動(dòng)會(huì)使光功率發(fā)生變化。模式噪聲的存在影響測(cè)量精度。由于光纖長(zhǎng)度一般不長(zhǎng)，可以采用半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED，發(fā)射的是非相干的光，能與多模光纖配合使用，而且相干性較差的LED，可減小模式噪聲。同時(shí)，應(yīng)盡量改善光纖接頭性能，避免光纖擾動(dòng)22。4制約光學(xué)電流互感器實(shí)用化的原因及相應(yīng)解決方法 基于Faraday磁光效應(yīng)的OCT是一種開環(huán)的測(cè)量結(jié)構(gòu)，光路的任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)的誤差，都會(huì)直接影響最終的測(cè)量結(jié)果。導(dǎo)致OCT測(cè)量精度不高的外因是環(huán)境溫度，內(nèi)因則是OCT自身的開環(huán)機(jī)理，環(huán)境溫度的外因也只是由于OCT開環(huán)機(jī)理的內(nèi)因才能起作用。為了解決OCT的溫漂問題，與其等待遙遙無期的小溫漂Faraday磁光

31、材料的誕生，不如尋求一種可以自動(dòng)剔除干擾，包括溫漂干擾的光學(xué)電流測(cè)量新原理。光學(xué)電流互感器有塊狀玻璃傳感和光纖傳感兩種結(jié)構(gòu)。對(duì)于光纖傳感結(jié)構(gòu)，由于溫度對(duì)線性雙折射的影響更為嚴(yán)重，所以研究工作主要集中在塊狀玻璃結(jié)構(gòu)上，并趨向采用雙層光路的傳感結(jié)構(gòu)。這樣做的最重要理由是：按照安培環(huán)路定律，塊狀玻璃的雙層閉合光路被認(rèn)為是理想的抗電磁干擾的光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)。然而，這種結(jié)構(gòu)的光路結(jié)構(gòu)復(fù)雜光程長(zhǎng)、環(huán)節(jié)多，光路的轉(zhuǎn)向靠全反射實(shí)現(xiàn)，而反射面長(zhǎng)期暴露在空氣中，非常容易著灰或受到腐蝕，使全反射條件遭到破壞，光強(qiáng)產(chǎn)生很大損失。這些因素的綜合，使得光學(xué)電流互感器的運(yùn)行穩(wěn)定性大大降低，最終導(dǎo)致OCT失去了測(cè)量電流的功能。O

32、CT的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性成為了阻礙OCT實(shí)用化的主要原因之一。4.1、自適應(yīng)光學(xué)電流互感器4光學(xué)電流互感器的開環(huán)機(jī)理（1）Faraday磁光效應(yīng)數(shù)學(xué)模型一束沿著外磁場(chǎng)方向在磁光材料中傳播的線偏振光的偏振面在外磁場(chǎng)作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度與磁場(chǎng)強(qiáng)度和在磁光材料中與磁場(chǎng)發(fā)生作用的長(zhǎng)度以及磁光材料的性質(zhì)有關(guān)，這種現(xiàn)象稱為Faraday磁光效應(yīng)。線偏振光可以分解為兩個(gè)相反轉(zhuǎn)動(dòng)的左、右圓偏振分量，這兩個(gè)分量無相互作用地以不同速度、以進(jìn)行傳播。出射后的兩個(gè)分量之間僅存在相位差，合成后光仍為線偏振光，但其偏振面向?qū)τ谌肷涔庑D(zhuǎn)了一個(gè)角度 (法拉第旋轉(zhuǎn)角)： （12）式（12）中和分別為左、右旋圓偏振光的折射率，

33、它們是有效場(chǎng)的函數(shù)，有效場(chǎng)包括外磁場(chǎng)和溫度作用場(chǎng)，L為傳播距離。光電轉(zhuǎn)換器對(duì)于法拉第旋轉(zhuǎn)角并不響應(yīng)，為此，須應(yīng)用馬呂斯定律，將不可測(cè)的偏轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為可測(cè)的偏振光的光強(qiáng)信號(hào)。由光源發(fā)出的自然光經(jīng)過起偏器后成為線偏振光，入射到有外磁場(chǎng)作用下的磁光材料中，經(jīng)過偏振分束器分成兩束光，分別入射到兩只光電轉(zhuǎn)換器中。兩只光電轉(zhuǎn)換器所接收的光強(qiáng)分別為式（5）法拉第旋轉(zhuǎn)角以通過對(duì)的運(yùn)算得到，如式（6）。（2）線性雙折射的數(shù)學(xué)模型溫度變化對(duì)光學(xué)電流互感器的影響不僅引起了磁光材料Verdat常數(shù)的變化，而且在磁光材料中產(chǎn)生了線性雙折射，使得原來的線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓偏振光，從而產(chǎn)生了誤差，反映在兩只光電轉(zhuǎn)換器所接收的光

34、強(qiáng)由式(14)轉(zhuǎn)變?yōu)?（14）其中，為線性雙折射。（3）光電轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型光電轉(zhuǎn)換器將攜帶有被測(cè)電流信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可測(cè)的電信號(hào)。根據(jù)光電轉(zhuǎn)換器的特性，其輸出方程可以用式(15)表示 （15）式（15）中為輸出電流；為照射到光電轉(zhuǎn)換器上的光通量；為光電轉(zhuǎn)換器兩端的電壓；表示光電探測(cè)器輸出端短路時(shí)，單位光通量變化所產(chǎn)生的光電流變化量，稱為光電探測(cè)器的靈敏度；表示光通量為常量是光電探測(cè)器的電導(dǎo)參量。（4） 光學(xué)電流互感器的開環(huán)機(jī)理分析由以上數(shù)學(xué)模型構(gòu)成了光學(xué)電流互感器的系統(tǒng)特性框圖，如圖11所示。從圖中可以看出，在輸入量、和與輸出量之間只有正向作用而沒有反饋?zhàn)饔?，由控制論可知，OCT的特性

35、就是開環(huán)特性。實(shí)際上，OCT測(cè)量值是對(duì)被測(cè)電流和溫度等因素的綜合反映；OCT的總體測(cè)量精度取決于各個(gè)部分的精度，只有當(dāng)各個(gè)部分的精度遠(yuǎn)高于總體精度，這樣OCT的測(cè)量精度才可能滿足實(shí)際需要。事實(shí)上，這樣的要求對(duì)于OCT而言是無法滿足的。圖11 光學(xué)電流互感器的系統(tǒng)特性框圖1在圖11中，虛線框1描述的是法拉第磁光效應(yīng)，虛線框2描述的是線性雙折射和OCT的直接時(shí)域調(diào)制;虛線框3描述的是OCT的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng);虛線框4所描述的是將OCT光電轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)經(jīng)過一個(gè)可以整定的比例系數(shù)K后輸出到計(jì)量?jī)x表或繼電保護(hù)裝置中。 從圖11可以看出，在輸入量,T和與輸出量之間只有正向作用而沒有反饋?zhàn)饔?。由控制論可知?/p>

36、光學(xué)電流互感器的系統(tǒng)特性就是開環(huán)控制特性。對(duì)于光學(xué)電流互感器而言，每一個(gè)輸入量就對(duì)應(yīng)于一個(gè)相應(yīng)的工作狀態(tài)和輸出量，光學(xué)電流互感器的測(cè)量值實(shí)際上是對(duì)被測(cè)電流和溫度等因素的綜合反映。光學(xué)電流互感器的總體測(cè)量精度取決于各個(gè)部分的精度，只有當(dāng)各個(gè)部分的擾動(dòng)很小(要遠(yuǎn)小于其總體精度的要求)，而且溫度對(duì)光學(xué)電流互感器測(cè)量精度的影響也很小(也要遠(yuǎn)小于其總體精度的要求)，這樣光學(xué)電流互感器的測(cè)量精度才可能滿足實(shí)際需要。事實(shí)上，這樣的要求對(duì)于目前的光學(xué)電流互感器而言是無法滿足的。溫度作用于光學(xué)傳感過程后產(chǎn)生了雙折射，導(dǎo)致在原法拉第旋轉(zhuǎn)角上乘以一個(gè)系數(shù)，這個(gè)系數(shù)無法直接測(cè)量且隨溫度的變化而變化。由于光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是

37、電子器件，其輸入輸出之間的比例關(guān)系并不是恒定的，它會(huì)隨溫度的變化而波動(dòng)的。在常溫的實(shí)驗(yàn)室中，由于溫度恒定使得光學(xué)電流互感器各個(gè)部分的系數(shù)變化都微小，這些系數(shù)的波動(dòng)不足以影響光學(xué)電流互感器的整體測(cè)量精度，通過整定合適的比例系數(shù)K，光學(xué)電流互感器就可以輸出高精度的二次電壓信號(hào)。但是，在實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境中，變化的溫度在有些時(shí)間內(nèi)梯度很大，使得遠(yuǎn)大于，此時(shí)光學(xué)電流互感器的精度就根本不可能滿足測(cè)量的要求了。導(dǎo)致OCT測(cè)量精度不高的外因是環(huán)境溫度，內(nèi)因則是OCT自身的開環(huán)機(jī)理，環(huán)境溫度的外因也只是由于OCT開環(huán)機(jī)理的內(nèi)因才能起作用。如果OCT具有了閉環(huán)系統(tǒng)特性，那么環(huán)境溫度對(duì)OCT測(cè)量性能也就不具有決定作用

38、了，即OCT的開環(huán)機(jī)理才是它在實(shí)際應(yīng)用中測(cè)量精度難以滿足要求的根本原因。OCT在本質(zhì)上是開環(huán)系統(tǒng)，若要實(shí)現(xiàn)OCT的高精度測(cè)量，就必須從外部為OCT引入新的獨(dú)立變量，構(gòu)成自適應(yīng)光學(xué)電流傳感原理1-8，才能徹底解決OCT測(cè)量溫漂的難題，從而實(shí)現(xiàn)OCT的實(shí)用化。4.1.2自適應(yīng)光學(xué)電流互感器解決測(cè)量精度的溫漂問題考慮到OCT 自身所特有的開環(huán)特性，若想實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，就必須從外部為OCT 構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行證明了通過測(cè)量環(huán)境溫度來對(duì)OCT 進(jìn)行補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的方法是不可取的。為了能夠綜合提高對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電流的測(cè)量準(zhǔn)確度，文獻(xiàn)2提出了一種新型的自適應(yīng)光學(xué)電流互感器（Adaptive

39、 Optical Current Transducer簡(jiǎn)稱AOCT），如圖12所示。圖12 自適應(yīng)光學(xué)電流互感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在AOCT 中，穩(wěn)態(tài)電流參考模型和OCT 的一次線圈相串聯(lián)來測(cè)量同一電流，其中穩(wěn)態(tài)電流參考模型的作用是提供高準(zhǔn)確度（0.2 級(jí)）的穩(wěn)態(tài)電流測(cè)量值。在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)，根據(jù)穩(wěn)態(tài)電流參考模型的測(cè)量值，應(yīng)用Kalman 濾波3和自適應(yīng)技術(shù)1對(duì)OCT 進(jìn)行校正消除外界因素對(duì)OCT 準(zhǔn)確度的影響，并且計(jì)算得到自適應(yīng)校正系數(shù)，通過橫向?yàn)V波器組來應(yīng)用所得到的自適應(yīng)校正系數(shù)，使得AOCT的準(zhǔn)確度達(dá)到參考模型的穩(wěn)態(tài)測(cè)量準(zhǔn)確度。當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，立即停止計(jì)算新的校正參數(shù)，采用故障前一時(shí)刻穩(wěn)

40、態(tài)所計(jì)算出的自適應(yīng)校正系數(shù)，通過橫向?yàn)V波器組直接輸出。由于外界因素對(duì)OCT的影響在暫態(tài)過程中是不變的,在故障前后的自適應(yīng)校正系數(shù)也就不變,因而在故障后自適應(yīng)OCT的準(zhǔn)確度就達(dá)到了參考模型穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確度的水平由于故障后的校正參數(shù)并不是以故障后參考模型的輸出為基礎(chǔ)計(jì)算出的,因此故障后由飽和等原因引起的參考模型的輸出誤差就不會(huì)對(duì)OCT的暫態(tài)準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響。電力系統(tǒng)由穩(wěn)態(tài)向暫態(tài)轉(zhuǎn)變瞬間會(huì)在被測(cè)電流中出現(xiàn)奇異點(diǎn),應(yīng)用實(shí)時(shí)小波分析1就可以檢測(cè)出轉(zhuǎn)變時(shí)刻,以閉鎖計(jì)算校正參數(shù)的自適應(yīng)濾波。文獻(xiàn)3將具有遞推持性的Kalman濾波理論引入到自適應(yīng)濾波中，針對(duì)Kalman自適應(yīng)濾波可能出現(xiàn)的由于計(jì)算舍入誤差所引起的發(fā)散

41、和時(shí)變?cè)肼暯y(tǒng)計(jì)問題，提出了具有時(shí)變?cè)肼暯y(tǒng)計(jì)的平方根Kalman自適應(yīng)濾波。4.2 螺線管聚磁光學(xué)傳感技術(shù)4螺線管聚磁光學(xué)傳感原理從光學(xué)電流互感器的原理可以知道，光學(xué)電流互感器實(shí)際上是測(cè)量平行于偏振光傳播方向的通電導(dǎo)體所形成的磁場(chǎng)，因此，為了能夠通過光學(xué)系統(tǒng)測(cè)量電流，必須滿足偏振光與電流所形成磁場(chǎng)之間的關(guān)系，同時(shí)，在光學(xué)系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)上也必須滿足偏振光學(xué)原理。目前人們所研究的光學(xué)傳感頭均以偏振光圍繞通電導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)的雙層光路傳感原理的結(jié)構(gòu)形式，如圖13所示，在這兩種光學(xué)傳感頭的結(jié)構(gòu)中，偏振光的光路與電流方向是滿足正交關(guān)系的。圖13(a)為單光路傳感頭結(jié)構(gòu)，是一種應(yīng)用比較普遍的光學(xué)傳感頭結(jié)構(gòu)，它包括4

42、塊條狀光學(xué)玻璃和6塊直角棱鏡，兩個(gè)條狀玻璃的端面分別為入射面和出射面，直角棱鏡斜面為傳感頭的反射面;通過六個(gè)反射面偏振光進(jìn)行了六次全反射而圍繞通電導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)一周。圖13(b)為多光路傳感頭結(jié)構(gòu)，它由4塊矩形棱鏡、一塊小的直角棱鏡構(gòu)成。通過改變?nèi)肷涔馓幍男〔ＡЮ忡R以調(diào)節(jié)光的入射點(diǎn)位置，可以改變閉合光路的圈數(shù)，使得光路多次環(huán)繞載流導(dǎo)體。圖13 偏振光路圍繞通電導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)的雙層光路以上兩種結(jié)構(gòu)的光學(xué)傳感頭之所以能夠測(cè)量電流，就是使偏振光與電流所形成磁場(chǎng)之間滿足電磁場(chǎng)的安培環(huán)路定律。這種傳感系統(tǒng)就是通過雙層光路結(jié)構(gòu)使偏振光圍繞著無限長(zhǎng)通電導(dǎo)旋轉(zhuǎn)來測(cè)量電流的，我們形象地稱之為“光繞電”光學(xué)傳感原理。在這里，

43、不考慮安培環(huán)路定理中的電流和磁場(chǎng)的具體承載形式，將無限長(zhǎng)載流直導(dǎo)體抽象為無限長(zhǎng)直線型電流，將磁場(chǎng)抽象為以直線為圓心以同一長(zhǎng)度為半徑的無限多圓磁場(chǎng)。理想螺線管是由不計(jì)線條直徑的密繞無限長(zhǎng)螺線管。根據(jù)理想螺線管的定義，以直線為圓心以同一長(zhǎng)度為半徑的無限多圓磁場(chǎng)就是理想螺線管型磁場(chǎng)，以直線為圓心以同一長(zhǎng)度為半徑的無限多圓電流也就是理想螺線管型電流；同時(shí)，定義“無限長(zhǎng)直線型”電流為通過無限長(zhǎng)載流直導(dǎo)體的電流，“無限長(zhǎng)直線型”磁場(chǎng)是在空間中沿著某一無限長(zhǎng)直線方向的磁場(chǎng)。那末，無限長(zhǎng)直線型電流會(huì)產(chǎn)生理想螺線管型磁場(chǎng)，如果若干個(gè)無限長(zhǎng)直線型電流平行排列，則任一直線型電流的磁場(chǎng)環(huán)流僅與本身的電流有關(guān)，與其他直

44、線型電流是無關(guān)的?？紤]這樣的問題:將無限長(zhǎng)直線型電流和以理想螺線管型磁場(chǎng)的形態(tài)互為交換，也就是，以理想螺線管型電流產(chǎn)生無限長(zhǎng)直線型磁場(chǎng)，在這樣的情形下是否存在對(duì)偶性規(guī)律呢?文獻(xiàn)1通過一系列推導(dǎo)得出了三個(gè)重要的結(jié)論：結(jié)論一：理想螺線管型電流的管外磁場(chǎng)在螺線管軸線方向上的分量為零，如果若干個(gè)理想螺線管型電流平行排列，當(dāng)各個(gè)螺線管型電流之間相互不重疊，則各個(gè)螺線管型電流內(nèi)部的磁場(chǎng)僅與該電流有關(guān)，與其他螺線管型電流無關(guān)。理想螺線管型電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)： （16）結(jié)論二:當(dāng)無限長(zhǎng)直線型電流和理想螺線管型電流相當(dāng)時(shí)，位于管外的無限長(zhǎng)直線型電流對(duì)于理想螺線管型電流的軸線磁場(chǎng)的影響可以忽略。結(jié)論三：當(dāng)理想螺線管

45、型電流與管外電流相當(dāng)時(shí)，理想螺線管型電流的軸線磁場(chǎng)僅與自身的電流有關(guān)，與管外電流無關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，理想螺線管并不存在，螺線管上的導(dǎo)體并不能密繞，也就是出現(xiàn)了非密繞螺線管，盡管非密繞螺線管的軸線上的磁場(chǎng)不僅在軸線上有分量，在其他方向上也有分量，但是，在軸線上的磁場(chǎng)與理想螺線管的磁場(chǎng)是一致的，這樣，關(guān)于理想螺線管所得出的三個(gè)結(jié)論在非密繞螺線管的情形下也是成立的1。將被測(cè)電流繞制成非密繞螺線管的型式，光學(xué)傳感系統(tǒng)制成直線型光路，位于非密繞螺線管的軸線上，偏振光通過螺線管的軸向方向測(cè)量電流，這樣構(gòu)成的新型光學(xué)電流測(cè)量系統(tǒng)與圖13中的光學(xué)電流互感器在光學(xué)測(cè)量上是一致的。與“光繞電”的光學(xué)傳感原理相對(duì)偶

46、，這種“偏振光通過螺線管的軸向方向測(cè)量電流”的傳感原理實(shí)際上就是“電繞光”光學(xué)傳感原理。由于采用了螺線管方式使得偏振光光路上的磁場(chǎng)聚集且均勻，因此，我們將“偏振光通過螺線管的軸向方向測(cè)量電流”稱為螺線管聚磁光學(xué)傳感原理。根據(jù)法拉第磁光效應(yīng)的計(jì)算公式，并將螺線管軸向磁場(chǎng)分量代入，可得經(jīng)過螺線管磁場(chǎng)后偏振光的法拉第偏轉(zhuǎn)角為: （17）其中，V是磁光材料的Verdet常數(shù)，L為偏振光的光路長(zhǎng)度，為真空磁導(dǎo)率，n為螺線管軸向單位長(zhǎng)度內(nèi)包含的線圈數(shù)，I為通過螺線管的電流。從公式(17)可以看出，V, L，和n在實(shí)際運(yùn)行中均為常數(shù)，因此，法拉第偏轉(zhuǎn)角與電流成線性關(guān)系。對(duì)比式和式(17)，除了比例系數(shù)不同以

47、外，“光繞電”和“電繞光”兩種光學(xué)傳感原理在光學(xué)傳感測(cè)量電流的意義上是等價(jià)的。在電力系統(tǒng)的常規(guī)應(yīng)用中，光學(xué)電流互感器分別被安裝在線路的A,B,C三相上，同一條線路的三相一定是平行布置的，在相鄰相線路上的螺線管及其兩端的平行導(dǎo)線中的電流對(duì)本線路上的光學(xué)電流互感器不會(huì)產(chǎn)生影響。當(dāng)然，相鄰相線路的導(dǎo)線不能完全平行，其所承載的電流對(duì)本線路產(chǎn)生了一定的影響，不過，線路相間和線路間為了滿足高壓絕緣的要求必須要保持足夠距離的安全凈距，在螺線管中的直線型光學(xué)傳感系統(tǒng)的長(zhǎng)度相比之下非常小，鄰相線路在不完全平行時(shí)其電流對(duì)本線路產(chǎn)生的影響非常小，可以忽略不計(jì)。同樣，在互感器安裝位置附近相鄰線路通常也是平行布置的，在

48、螺線管中的直線型光學(xué)傳感系統(tǒng)的長(zhǎng)度與線路間的安全凈距之比也是非常小，相鄰線路的電流對(duì)本線路的直線型光學(xué)傳感系統(tǒng)的影響也就可以忽略不計(jì)。這樣，結(jié)合電力系統(tǒng)的實(shí)際情況，螺線管聚磁光學(xué)傳感系統(tǒng)也具有抗相間和線路間的電磁干擾能力，能夠滿足電力系統(tǒng)的實(shí)際需要。4螺線管聚磁光學(xué)傳感技術(shù)-解決長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性的問題我們知道，“光繞電”的光學(xué)傳感原理的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是抗電磁干擾，這是由安培環(huán)路定律所決定的，不過，閉合光路的光學(xué)傳感頭具有理想的抗電磁干擾能力的充分必要條件是:偏振光在光學(xué)傳感頭內(nèi)的傳感部分必須嚴(yán)格保偏，也就是要求各個(gè)反射棱鏡均無相移。通常采用光學(xué)膠將自聚焦透鏡粘結(jié)于光學(xué)傳感頭上，在實(shí)際運(yùn)行中由于溫度

49、的變化會(huì)使光學(xué)膠發(fā)生形變，從而使經(jīng)過自聚焦透鏡的光學(xué)傳感頭的入射光的入射方位發(fā)生變化，從而使保偏棱鏡并不能完全保偏。另外，盡管在理論上應(yīng)用雙正交全反射法可以使保偏棱鏡嚴(yán)格保偏，偏振光圍繞通電導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)一周后可以測(cè)量導(dǎo)體中的電流，而且具有抗電磁干擾能力，但是，在實(shí)踐中由于光學(xué)膠合的存在出現(xiàn)了反射光相位差，不僅降低了光學(xué)傳感頭的靈敏度，還影響了光學(xué)傳感頭的抗電磁干擾能力。另外，根據(jù)菲涅爾(Snell) 定律，若要使入射光在媒介1和媒介2(兩個(gè)媒介的折射率分別為和)界面發(fā)生全反射，就必須滿足公式（18）:, (18)在實(shí)際運(yùn)行中由于溫度、濕度等環(huán)境因素促使媒介2的性質(zhì)發(fā)生部分改變，導(dǎo)致在界面處的折射率

50、變小，最終不能（平行于入射面分量的反射光(P光)的反射前后的相位差），此時(shí)，入射的線偏振光在經(jīng)過界面后不僅不能保偏，而且會(huì)出現(xiàn)透射光，將入射光的能量大部分或幾乎全部透射出去，最終達(dá)到光學(xué)傳感頭的光輸出末端時(shí)就幾乎沒有光能量(基本光強(qiáng)為零)，對(duì)應(yīng)于光學(xué)傳感系統(tǒng)而言就是靜態(tài)工作點(diǎn)為零，光學(xué)傳感頭當(dāng)然也就無法工作了。入射光需要通過起偏器、三個(gè)保偏棱鏡、四個(gè)光學(xué)傳感元件和檢偏器后才能圍繞通電導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)一周，這其中的任何一個(gè)元件出現(xiàn)問題都會(huì)影響到光學(xué)傳感頭的工作。從系統(tǒng)穩(wěn)定性的角度上講，若要提高系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，需盡量減少入射光所經(jīng)過的元件。在光學(xué)傳感頭中，起偏器和檢偏器是系統(tǒng)所必需的，不能被省略：光學(xué)傳感元件也是必需的，但數(shù)量可以盡量少；保偏棱鏡是為了使偏振光的傳播方向發(fā)生改變，如果偏振光不需要改變傳播方向，保偏棱鏡就可以被省略。根據(jù)“螺線管聚磁傳感原理”，“光繞電”和“電繞光”兩種光學(xué)傳感原理在光學(xué)傳感測(cè)量電流的意義上是等價(jià)的。采用“電繞光”光學(xué)傳感原理：被測(cè)電流通過螺線管后產(chǎn)生聚磁作用，將磁場(chǎng)聚集于螺線管的軸線方向，并作用于偏振光的光路上，偏振光經(jīng)過的光路是一條直線，不需要保偏