基于光學(xué)技術(shù)的電磁式電流互感器ov

基于光學(xué)技術(shù)的電磁式電流互感器ov

1光電式傳感器在能源系統(tǒng)中，必須依靠供電裝置和電壓裝置，將節(jié)省源電流轉(zhuǎn)換為二次小電流（5a或a1），將高壓轉(zhuǎn)換為二次低電壓（100v或58v）。它們的基本原理都是利用電磁感應(yīng)原理。這是一種傳統(tǒng)式的互感器。然而,隨著電力傳輸容量的不斷增長(zhǎng)和電網(wǎng)電壓的提高,傳統(tǒng)的電磁式結(jié)構(gòu)的互感器已暴露出許多缺點(diǎn),其主要缺點(diǎn)如下:(1)電壓等級(jí)越高,其制造工藝愈復(fù)雜,可靠性愈差,造價(jià)愈大。(2)帶導(dǎo)磁體的鐵心易產(chǎn)生磁飽和和鐵磁諧振,且有動(dòng)態(tài)范圍小、使用頻帶窄等缺陷。上述問(wèn)題難以滿足系統(tǒng)要求。自20世紀(jì)60年代以來(lái),一些科技發(fā)達(dá)的國(guó)家已在研究一種新型的互感器,他們利用光學(xué)技術(shù)。光纖傳感技術(shù)開(kāi)發(fā)研制出光電式電壓互感器(OVT)和光電式電流互感器(OCT)以及組合式光電互感器(OMU)。它們具有傳統(tǒng)式互感器不可比擬的優(yōu)點(diǎn),其優(yōu)點(diǎn)如下:(1)體積小,重量輕;(2)無(wú)鐵心、不存在磁飽和和鐵磁諧振問(wèn)題;(3)暫態(tài)響應(yīng)范圍大,頻率響應(yīng)寬;(4)抗電磁干擾性能佳;(5)無(wú)油化結(jié)構(gòu)、絕緣可靠、價(jià)格低;(6)便于向數(shù)字化、微機(jī)化發(fā)展。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始,我國(guó)一些科研單位和高等院校已參與開(kāi)發(fā)和研制光電式互感器,并在電網(wǎng)中掛網(wǎng)運(yùn)行,取得了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)。光電式互感器的開(kāi)發(fā)已引起許多制造部門和發(fā)供電單位的關(guān)注。下面對(duì)它們的工作原理和結(jié)構(gòu)作分別介紹。2電電壓傳感器ovt2.1偏振光的測(cè)量和測(cè)量系統(tǒng)某些晶體在沒(méi)有外電場(chǎng)作用時(shí),其各向同性,光率體為一圓球體。在外電場(chǎng)作用下,導(dǎo)致其入射光折射率改變,這種效應(yīng)就是光學(xué)的Pockels效應(yīng)。其表達(dá)式為:Δn=K1E式中Δn——入射光的折射率E——外加電場(chǎng)強(qiáng)度K1——常數(shù)這種折射率的變化將使某一方向入射晶體的偏振光產(chǎn)生的電光相位延遲,且延遲量與外加電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。常用于OVT的晶體有鍺酸鉍(BiGe3O12,簡(jiǎn)稱BGO)、硅酸鉍(Bi12SiO20,簡(jiǎn)稱BSO)和鈮酸鋰(LiNbO3,簡(jiǎn)稱LN)。測(cè)量光的折射率通常是通過(guò)干涉法進(jìn)行間接測(cè)量,其基本結(jié)構(gòu)主要由傳感頭、信號(hào)傳輸光纖和測(cè)量系統(tǒng)組成,如圖1所示。圖2為BGO光纖電壓傳感頭的工作原理和結(jié)構(gòu)。它由起偏器、1/4入波長(zhǎng)片、BGO晶體、檢偏器構(gòu)成。光纖傳輸?shù)淖匀还饨?jīng)透鏡準(zhǔn)直,由起偏器變成線偏振光,經(jīng)1/4入波片將偏振光再變成圓偏振光。由于加在BGO晶體上的電壓或電場(chǎng)的作用,這個(gè)圓偏振光又變成橢圓偏振光,經(jīng)檢偏器檢偏后的光信號(hào),其調(diào)制度相當(dāng)于交流電壓或電場(chǎng)。因而,加在BGO上的電信號(hào)就可以通過(guò)檢測(cè)光信號(hào)來(lái)測(cè)量。2.2全光纖傳感icp-當(dāng)壓電晶體受到外加電場(chǎng)作用時(shí),晶體除了產(chǎn)生極化現(xiàn)象外,同時(shí)形狀也產(chǎn)生微小變化即產(chǎn)生應(yīng)變,這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。利用逆壓電效應(yīng)引起晶體形變轉(zhuǎn)化為光信號(hào)的調(diào)制并檢測(cè)光信號(hào),則可實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)(或電壓)的光學(xué)傳感。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。這種傳感器僅采用石英晶體作為敏感器件,晶體圓柱表面纏繞橢圓芯雙模光纖。當(dāng)交流電壓施加在晶體上時(shí),引起晶體的交變形變,這種形變由橢圓形雙模光纖感知,光纖的兩種空間模式(即LP01和LP11)在傳播中的經(jīng)過(guò)調(diào)制的光學(xué)相位差通過(guò)弱相關(guān)干涉法測(cè)量得到。與上述塊狀的電光晶體比較而言,這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)就是簡(jiǎn)潔。除了石英晶體外,這種傳感器是一種不需要類似準(zhǔn)直儀、起偏器、波片等光學(xué)分離元件的全光纖傳感器。此種全光纖傳感器由于對(duì)環(huán)境噪聲具有較低的敏感性,以及不需要光纖耦合器件而具有的較低的復(fù)雜性,且成本低。據(jù)報(bào)道,該類OVT精度能達(dá)到0.2%～0.3%。2.3光電電壓傳感技術(shù)如圖4所示,母線電壓經(jīng)電容器串聯(lián)而取得分壓,經(jīng)傳感器的Pockels晶體,把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),光信號(hào)由光纖傳送至信號(hào)處理器,把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),輸出電壓。這種結(jié)構(gòu)的光電電壓互感器,通常有兩種取壓方法,即從高電位端取壓和從低電位端取壓。這種結(jié)構(gòu)在國(guó)外已在1000kV等級(jí)母線上運(yùn)行,我國(guó)也已在20世紀(jì)90年代初研制出此類結(jié)構(gòu)互感器,并掛網(wǎng)在110kV母線上運(yùn)行。3電流傳感器rc3.1多重組合式組合結(jié)構(gòu)光路基本原理圖5所示的是一種基于Faraday效應(yīng)的光纖電流傳感器。它是將一根單模光纖繞在被測(cè)導(dǎo)線上,激光器發(fā)出的激光經(jīng)起偏器變?yōu)榫€偏振光后,再由顯微物鏡耦合進(jìn)光纖中,如果忽略光纖的雙折射,則出射光仍為一線偏振光。設(shè)導(dǎo)線中的電流為I,根據(jù)Faraday效應(yīng),線偏光的旋轉(zhuǎn)角度Φ為:Φ=V∮Hdl=VNI式中H——磁場(chǎng)強(qiáng)度l——光纖的線矢量V——Verdet常數(shù)N——光纖繞在導(dǎo)線上的匝數(shù)出射時(shí)線偏振光由Wollaston棱鏡分為二束,其偏振面互相垂直,如圖6所示。圖中E0、E0′分別代表導(dǎo)線中無(wú)電流和有電流時(shí)的出射線偏振光的電場(chǎng)矢量,E1和E2分別表示經(jīng)Wollaston棱鏡分開(kāi)的二束光的電場(chǎng)矢量。上述采用全光纖結(jié)構(gòu)的OCT是國(guó)外某公司利用Faraday效應(yīng)研制的互感器。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,加工方便,精度及壽命與可靠性較高,但光纖是使用零雙折射的保偏光纖。由于零雙折射的保偏光纖價(jià)格昂貴,且做出有高穩(wěn)定性的光纖有困難。國(guó)內(nèi)外還開(kāi)發(fā)了選用重火石玻璃作為敏感材料,其Verdet常數(shù)較大且溫度系數(shù)小,本身各向同性,有良好的保偏性能。為了使實(shí)際測(cè)量電流時(shí)不受載流母線位置變化及另外兩相電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響,依安培環(huán)路定律使火石玻璃內(nèi)的光束在被測(cè)電流周圍取閉環(huán)(見(jiàn)圖7),此時(shí)Φ=V∮H·dl=VI式中I——載流導(dǎo)線中流過(guò)的交流電流由結(jié)構(gòu)可知,入射光在傳感頭內(nèi)經(jīng)歷了多次全內(nèi)反射,光在上下層光路傳布,通過(guò)外粘結(jié)一塊材料使光正入射和出射構(gòu)成立體閉合光路。調(diào)節(jié)起偏器和檢偏器的偏振軸夾角為45°,以獲得最大的測(cè)量靈敏度。3.2rogowski線圈該型互感器的傳感頭不是光學(xué)元件,而是采用空心線圈(即Rogowski線圈)。圖8是空心線圈的結(jié)構(gòu)和它的等效電路圖?？招木€圈由匝導(dǎo)線繞在非導(dǎo)磁的環(huán)形骨架上,骨架平均半徑為r,截面積為S,二次輸出電壓為E2,一次導(dǎo)線穿過(guò)空心線圈。由于骨架采用的是非導(dǎo)磁材料,等效電路中的互感M值因?qū)Т怕实投^小,負(fù)載電抗值而較大。根據(jù)電磁感應(yīng)定律:E2=?Mdidt=?ωMIE2=-Μdidt=-ωΜΙ這里:ω=2πf式中f——周波數(shù)M=μ?n2?S2πrΜ=μ?n2?S2πr式中μ——空氣導(dǎo)磁率當(dāng)一次側(cè)流過(guò)方均根值為I的正弦電流時(shí),Rogowski線圈的輸出電壓方均根值為E2=ωMI?？招木€圈與帶鐵心的線圈相比較有以下特點(diǎn):(1)二次電壓與一次電流、頻率成正比。(2)由于不使用鐵心,不存在直流電流和過(guò)電流的飽和問(wèn)題,因而頻率范圍寬。(3)一次電流通電時(shí),二次線圈開(kāi)路不會(huì)發(fā)生異常過(guò)電壓。(4)Rogowski線圈的線性度良好,精度高。實(shí)際應(yīng)用中,由于輸出二次電壓與一次電流的導(dǎo)數(shù)成正比,故在相位上二者相差90°,這樣需要在線路里加一RC積分環(huán)節(jié),使其相位一致。另外,為免受周圍磁場(chǎng)干擾,將Rogowski線圈置于一定厚度的屏蔽罩內(nèi)。由于空心線圈精度可設(shè)計(jì)到0.1%以上,且生產(chǎn)成本低,以及它具有測(cè)量其它技術(shù)不能使用的受限制領(lǐng)域的小電流,作為傳統(tǒng)互感器過(guò)渡到全光紆(或光學(xué)元件)互感器間的過(guò)渡傳感頭,Rogowski線圈已在一些產(chǎn)品中有些應(yīng)用。4組合光譜儀om所謂組合式光電互感器即組合式光學(xué)電壓電流互感器。4.1光電電流復(fù)合復(fù)合傳感技術(shù)這一類組合式光電互感器是把前述的Pockels晶體縱向電光效應(yīng)的光電電壓互感器和火石玻璃Faraday磁電效應(yīng)的光電電流互感器組合而成。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9。電壓和電流傳感器置于充滿SF6氣體的復(fù)合瓷套內(nèi),復(fù)合瓷套由起支柱作用的玻璃纖維筒和硅橡膠傘裙組成。4.2基于rogowki線圈和電壓分析原理的聯(lián)合袋傳感器該類互感器主要