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1、电工技术课程学习论文光电式电流互感器的应用与发展现状所在学院：机电工程学院 专业班级：机械设计制造及其自动化 004 班学号：0853010404 任课老师：唐秀明 日期：2010 年 11 月 2 日摘要：为了提高电力系统的自动化程度，减小变电站的占地面积和建筑空间，满足“数 字化、光纤化、智能化、一体化”的要求，新型的光电式电流互感器将取代传统的电磁式电流互感器。该文阐述了光电式电流互感器的分类、特点和应用情况。关键词：光电式电流互感器；磁光效应随着电力系统的发展，发电和输变电容量的不断增加，为了提高电力系统的自动化程 度，减小变电站的占地面积和建筑空间，现在设计的电流互感器必须满足“数字
2、化、光纤 化、智能化、一体化”的要求。数字化是指要尽量淘汰传统的模拟信号的指针式读数盘， 而采用数字式的仪表，减小测量中因读数而引起的人为误差。光纤化是指在测量系统中， 大力提倡光纤的使用，减小电磁场对测量结果的影响。智能化是指加大微机和网络在电气 测量中的运用，赋予互感器一定的自我判断和识别能力，这主要是在外围的电路上作一些 改进及在软件上的优化。一体化是指将多相电流互感器甚至是多相电流互感器和电压互感 器做成成套设备，这样可以节约大量的人力、物力。针对电力系统的发展趋势可以预测，在不久的将来，传统的电流互感器将逐步地淡出 电力系统，新型实用的产品将取而代之，光电式电流互感器就是其中的代表，
3、它完全可满 足上述的要求。1.电流互感器的工作原理 电流互感器利用变压器原、副边电流成比例的特点制成。其工作原理、等值电路也与一般 变压器相同，只是其原边绕组串联在被测电路中，且匝数很少；副边绕组接电流表、继电 器电流线圈等低阻抗负载，近似短路。原边电流（即被测电流）和副边电流取决于被测线 路的负载，而与电流互感器的副边负载无关。由于副边接近于短路，所以原、副边电压U1 和 Uc2 都很小 , 励磁电流 I0 也很小。电流互感器运行时，副边不允许开路。因为一旦开路，原边电流均成为励磁电流，使 磁通和副边电压大大超过正常值而危及人身和设备安全。因此，电流互感器副边回路中不 许接熔断器，也不允许在
4、运行时未经旁路就拆下电流表、继电器等设备。电压（或电流）互感器原边电压（或电流）在一定范围内变动时，一般规定为0.85 1.15U1N （或10120%l1N）,副边电压（或电流）应按比例变化，而且原、副边电压（或电 流）应该同相位。但由于互感器存在内阻抗、励磁电流和损耗等因素而使比值及相位出现误 差，分别称为比差和角差。比差为经折算后的二次电压（或二次电流）与一次电压（或一次电流）量值大小之差 对后者之比，对没有采取补偿措施的电压互感器，比差为负，角差一般为正值，比差的绝 对值和角差均随电压的增大而减小；铁心饱和时，比差与角差均随电压的增大而增大。对 于没有采取补偿措施的电流互感器，比差为负
5、值，角差为正值，比差的绝对值和角差均随 电流增大而减小。采用补偿的办法可以减小互感器的误差。一般通过在互感器上加绕附加 绕组或增添附加铁心，以及接入相应的电阻、电感、电容元件来补偿。常用的补偿法有匝 数补偿、分数匝补偿、小铁心补偿、并联电容补偿等。2 光电式电流互感器的分类 基于磁光效应的光电式电流互感器发展到现在，按其原理与结构可分为有源型、无源型及 全光纤型三类。（ 1 ）有源型 有源型光电式电流互感器就是高压侧电流信号，通过采样线圈将电信号传递给发光元件变 成光信号，再通过光纤传递到低压侧，进行逆变，变换成电信号后放大输出。高压侧电子 器件的电源来源于光供电方式、母线电流供电方式以及超声
6、电源供电方式。其结构如图1 所示。有源型是较早期的结构，其优点是结构简单，稳定性好，可靠性高。其缺点是取样 信号顶部结构复杂。（2）无源型无源型光电式电流互感器的传感头不需要供电电源。传感头一般用法拉第磁光效应原理制 成，处于低电位的光源发出的偏振光经光纤传到高压侧，并通过处于被测电流产生的磁场 中。偏振光的偏振面在磁光玻璃中发生旋转，即电流信号偏振调制光波。带电流信号的光 波经光纤传到低电位侧，经光-电变换后放大输出。其结构如图2所示。无源结构的优点是 结构简单，且完全不采用传统的电磁感应元件，无饱和问题，充分发挥了光电式电流互感 器的特点，尤其是高压侧无源电子器件，无温度稳定问题，互感器运
7、行寿命容易保证。其 缺点是光学器件制造难度大，测量的高精度难以达到，且长期稳定性不高。（3）全光纤型全光纤型光电式电流互感器实际上也是无源型，只是传感头是光纤本身制成，其余与无源 型完全一样。其结构如图3所示。全光纤型光电式电流互感器的优点是传感头结构简单， 比无源型易于制造，精度、寿命与可靠性比无源型要高。缺点是这种互感器的光纤是保偏 光纤，比有源型和无源型两种互感器所采用的普通光纤品质较高，要制造出高稳定性的光 纤很难，工艺要求高，且造价昂贵。3.光电式电流互感器的优点与传统的电磁感应式电流互感器相比，光电式电流互感器具有如下一系列优点：（1）优良的绝缘性能，造价低电磁感应式电流互感器高压
8、侧与二次侧之间通过铁心磁耦合。它们之间的绝缘结构复杂，其造价随电压等级呈指数关系上升。在OCT中，高压侧信息是通过由绝缘材料做成的玻璃光纤而传输到低电位的，其绝缘结构简单，造价一般随电压等级升高呈线性地增加。（2）不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题现代光电式电流互感器，一般不用铁心做磁耦合，因此消除了磁饱和及铁磁谐振现象而使互感器运行暂态响应好、稳定性好，保证了系统运行的高可靠性。（3）抗电磁干扰性能好，低压侧无开路高压危险电磁感应式电流互感器二次回路不能开路，低压侧存在开路高电压危险。由于光电式电流 互感器的高压与低压之间只存在光纤联系，而光纤具有良好的绝缘性能，因此可保证高压 回路与二
9、次回路在电气上完全隔离，低压侧没有因开路而产生高压的危险，同时因没有磁耦合，消除了电磁干扰对互感器性能的影响。（4）暂态响应范围大，测量精度高电网正常运行时，电流互感器流过的电流并不大，但短路电流越来越大。电磁感应式电流 互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量，并在一个通道同时满足高精度计量和继 电保护的需要。光电式电流互感器有很宽的动态范围，一个测量通道额定电流可测到几十 安培至几千安培，过电流范围可达几万安培。因此既可同时满足计量和继电保护的需要， 又可免除电磁感应式电流互感器多个测量通道的复杂结构。（5）频率响应范围宽光电式电流互感器传感头部分的频率响应取决于光纤在传感头上的渡越时间
10、，实际能测量 的频率范围主要决定于电子线路部分。现代光电式电流互感器的结构已经可以测出高压电 力线路上的谐波。而电磁感应式电流互感器是难以进行这诸多方面工作的。（6）没有因充油而产生的易燃、易爆炸等危险电磁感应式电流互感器一般采用充油办法来解决绝缘问题，这样不可避免地存在易燃、易 爆炸等危险。而光电式电流互感器绝缘结构简单，可以不采用油绝缘，在结构设计上就可 避免这方面的危险。（7）体积小、重量轻OCT的传感头本身的重量一般小于1KG。据美国西屋公司公布的345KV OCT，其高度为2.7 米，重量为109KG（。而同电压等级的充油电磁感应式电流互感器高为6.1M，重量达 7708KG，这给运
11、输与安装带来了很大的方便。（8）适应了电力计量与保护数字化、微机化和自动化发展的潮流 光电式电流互感器一般以数字量输出，这将最佳地适应日趋广泛采用的微机保护、电力计 量数字化及自动化发展的潮流。当然，目前光电式电流互感器还存在加工要求高、对温度 和振动比较敏感等问题需要克服。综上所述，光电式电流互感器有着传统电磁感应式电流 互感器无法比拟的优点，是传统电流互感器较为理想的替代产品。因此，主要发达国家竞 相投资研制，已成为电流互感器研究的一个热点。3 光电式电流互感器的应用现状1994年ABB公司推出有源型光电式电流互感器，其电压等级为72.5765kV，额定电流 为6006000A。日本除研究
12、500kV、1000kV高压电网计量用的光电式电流互感器外，还 进行500kV以下直到6.6kV电压等级的GIS用光电式电流互感器。我国在这方面也取得了 一定进展，特别是近几年，在吸收国外经验的基础上，已有部分厂家生产光电式电流互感 器。光电式电流互感器可以代替体积大而笨重的传统型电流互感器，并与断路器组合成一 体，从而实现设备的小型化、一体化。在高压直流输电方面，直流测量用光电式电流互感器较之传统型的电流互感器有更大的优 势，其重量仅为同等级的直流电流互感器的1/40 ，无电磁干扰和铁磁损耗，并与电力自动 化系统的网络兼容。例如我国三峡至常州500kV直流输电系统就使用了 ABB公司的光电式
13、 电流互感器，用于线路的直流电流及谐波电流、交流侧不平衡电流、桥臂电流等的测量。 除了在电网中使用外，光电式电流互感器还可做成类似钳形表式的结构，方便移动，用于 测量高压电网中不同地点的电流。也可测量高频电流。4 结束语目前国内在光电式电流互感器的研究方面，特别是高电压等级上还面临一些问题，如温度 和应力引起的双折射现象及其降低方法，长期运行时的稳定性和精度方面还需要更进一步 的试验和现场考验。综上所述，光电式电流互感器有着传统电磁式电流互感器无法比拟的优点，是电磁式电流互感器理想的替代品，将会使互感器技术进入一个崭新的时代。参考文献1 白忠敏.电力用互感器和电能计量装置设计选型与应用.北京：中国电力出版社，2004.2 袁季修，盛和乐，吴聚业.保护用电流互感器应用指南.北京：中国电力出版社，2004.3 肖耀荣，伍东风，李长库.互感器制造技术.北京：机械工业出版社，1999.4 乔峨，安作平，罗承沐.应用在混合式光电电流互感器中的线圈.变压
