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1、光学电流互感器调研总结1 研究意义在电力系统中,为了计量和保护的需要,对高压输电线路中的电流进行实时测量是必不可少的。这种电流测量系统可分为3部分,如图1所示。传感头位于户外被测高压线处,传输线路用来将信号传输到控制室,显示及接口单元位于控制室内。目前普遍使用的高压电流测量系统是充油式电流互感器(Current Transducer,简称CT),其传感头利用电磁感应原理,信号通过导线传输。为了解决高压隔离及电磁干扰问题,造成其传输线路非常笨重,使得整个系统体积庞大, 图1 高压电流测量系统造价昂贵,这是传统电流互感器的主要缺点。此外,这种互感器在故障电流情况下还会发生磁饱和现象,且存在起火及爆
2、炸的危险。相比之下,近年来广受关注的光学电流互感器(Optical Current Transducers,简称OCT)技术,在理论上几乎能克服传统CT的所有缺点。光学电流互感器目前离大规模应用还有一定距离,许多技术问题还有待解决。2 基本原理目前对光学电流互感器的分类还不统一,但无论哪种形式,其传输线路都是采用光纤,这是OCT与传统CT的基本区别和主要优点。根据传感头形式不同,本文将光学电流互感器分为全光纤型、块状玻璃型及混合型3种。2.1全光纤型全光纤型以光纤作为传感材料,将光纤绕在被测电流导线周围,形成光回路。根据信号检出方法的不同,可分为偏振调制型和相位调制型2种。2.1.1 偏振调制
3、型图2为偏振调制型的基本结构。当线偏振光通过光纤圈时,电流产生的磁场使线偏振光产生法拉第旋转(旋转角度与被测电流成正比)。法拉第旋转角与被测电流的关系用下列两式描述:=VHdl (1)Hdl=I (2)（1）式表示法拉第效应,(2)式是安培环路定律。式中,为法拉第旋转角;V为代表光纤材料特性的维尔德常数;H为光传播方向上的磁场强度;l为光路长度;I 图2 全光纤型电流互感器为被测电流。从传感头返回的线振光经渥拉斯顿棱镜后分解成光矢量互相垂直的两束线偏振光,通过测试这两束线偏振光的相对强度,获得法拉第旋转角。2.1.2 相位调制型对法拉第效应的解释是,外加磁场使得物质对左旋和右旋圆偏振光的折射率
4、产生差别,而线偏振光可以分解为一个左旋圆偏振光和一个右旋圆偏振光,因而传播一段距离后就表现为线偏振光的振动面发生旋转。因此,通过测量左旋和右旋圆偏振光传播一段距离后产生的相位差,也可以得到外加磁场的强度,实现电流测量。图3是一种塞格奈克(Sagnac)干涉仪结构,其中/4波片用来将入射到传感头的线偏振光转换成2个旋向相反的圆偏振光,并将出射光还原成2束线偏振光,利用干涉原理测出这2束线偏振光的相位差。这和法拉第旋转角是等价的。由于法拉第旋转引起的相位差很小,因此图中使用了一个相位调制器引入偏置相位。图3 干涉型电流互感器通常可将保偏光纤绕在压电陶瓷筒(PZT)上制成相位调制器。当PZT加上调制
5、信号时,沿保偏光纤2个正交轴传播的线偏振光将引入与调制信号变化规律相同的相位差。如果不考虑光路损失,则探测器接收到的光强可表示为= /21+cos4VNI+(t)式中, 为光源发出的光强;(t)为相位调制器产生的相位差;I为待测电流;V和N分别为传感光纤的维尔德常数及光纤圈数; 4VNI为对应于法拉第旋转的相位差。如果用正弦信号作为调制信号,(t)= cos(t),用锁相放大检测技术得到中的一次谐波分量,则I可通过下式得到:VNI式中, 为一阶Bessel函数。除过Sagnac型之外,还有马赫-泽德尔、法布里-珀罗等干涉仪结构也属于相位调制型。全光纤型OCT的主要缺点是传感光纤的固有双折射难以
6、处理。由于普通硅光纤的维尔德常数较小(波长633 nm时约为4.7rad/A),光纤固有双折射引起的光偏振态的改变倾向于淹没法拉第旋转角。要提高灵敏度,就必须增加传感光纤圈数,但与此同时又会增加本征双折射和弯曲引起的线性双折射,从而使传感器灵敏度远远低于理论预计值。此外,光纤的双折射及维尔德常数还是温度的函数,这进一步增加了研制的难度。全光纤型OCT自20世纪70年代被提出以来,近30年的研究始终围绕着光纤固有双折射的处理问题,至今没有得到圆满的解决。从报道的情况看,目前采用的方法主要有以下几种:(1)采用扭转光纤将传感光纤沿轴向扭转多圈以增加其固有圆双折射。这样,电流磁场产生的法拉第旋转将叠
7、加在其固有圆双折射上,使测量灵敏度增加。这种方法的主要问题是扭转产生的圆双折射随温度变化,为了满足实际工作环境的要求,需要采取复杂的温度补偿措施。(2)采用退火光纤所谓退火,就是将绕制完成后的传感光纤圈加热到大约800,然后慢慢冷却,这样可以消除光纤弯曲引起的线性双折射。如果在绕制光纤圈之前先将光纤扭转多圈,退火后还可以消除光纤几何形状误差引起的线性双折射。这种方法的缺点是退火后的光纤变得非常脆,且光纤的透光率会受到影响。(3)光纤圈特殊绕法在绕制光纤圈时不断改变缠绕方向,可以使光纤固有双折射在一定程度上得到抵消,使法拉第效应只与磁场方向有关而与光传播方向无关,因而不会受到光纤固有双折射的影响
8、。(4)补偿法采用2种不同偏振态的传感光波,一种为线偏振光,一种为圆偏振光,将其交替输入传感头,则输出信号可同时反映法拉第旋转和线性双折射效应,通过数据处理算法补偿双折射影响。以上方法均能在一定程度上减小光纤固有双折射的影响。要进一步提高精度,还可以通过测量传感头处的温度,从外部进行补偿。除温度外,振动也会对OCT测量精度产生一定影响。全光纤型光学电流互感器的另一个关键问题是长期运行稳定性。磁光玻璃的Verdet常数、LED或LD以及PIN的灵敏度都可能受到外界气候条件的影响。OCT出现运行稳定性的另一原因：传感头部分光程长，光路复杂，目前普遍采用的双层光路的传感结构仅反射面就至少有六个以上，
9、传感器经过较长时间的运行后，输出光强明显减弱，这些都使得传感头的长期运行稳定性降低。2.2 块状玻璃型由于光纤的线性双折射问题很难解决,一种替代方案应运而生。用块状玻璃作为传感头(如图4所示),通过材料内部多次反射形成环绕导体的闭合光路,其基本原理与光纤传感头相同,可用(1)、(2)两式表示。这种传感头可以选用高维尔德常数的玻璃材料,它不受光纤中存在的本征双折射及弯曲引起的线性双折射的影响,温度双折射和应力双折射也都比较小。图4 块状玻璃传感头块状玻璃型OCT存在的主要问题是反射引起的光偏振态变化。这种传感头中,线偏振光是通过多次全反射形成围绕被测电流的光回路的。由电磁场理论可知,当入射角大于
10、临界角时,光矢量的s分量和p分量全反射后会产生一定的相位差,使线偏振光的偏振态发生变化,这与光纤中双折射产生的效果是一样的。因此,如何消除内反射引起的偏振态变化是研制这种传感器的关键。采取的措施主要有双正交反射保偏、反射面镀膜保偏及临界角反射保偏等方法,并形成了正方形、三角形、圆环形等多种结构形式。块状玻璃传感头结构设计灵活,易实现无信号时的保偏性,因此其稳定性和灵敏度均优于全光纤结构。块状玻璃型OCT的主要缺点是对传感头的加工精度要求较高,且加工时易碎裂,因而成本较高。2.3 混合型传统电磁式电流互感器经过多年发展,在测试精度及可靠性等方面已非常成熟,其主要缺点是高压隔离问题造成的系统复杂和
11、高造价。利用电磁式互感器作为传感头,将其信号通过光纤传输到控制室传统型也是传输到控制室吗？,这就是混合式电流传感器。它既可以解决高压隔离问题,又使系统简单紧凑。对光信号的调制可以采用频率调制、波长调制及强度调制等多种方法。混合型OCT的传感头侧都要有偏置电源,供给电子或光电元件,而光纤的作用与普通光通信系统相同,因而技术比较成熟。图5是采用光强调制的一种方案,电信号通过A/D转换量化成数字信号,经过编码后对光源进行强度调制,再通过光纤实现信号传输。图5 混合型传感头结构混合型OCT的主要问题是传感头部分涉及到有源电路,其电功率提供相当困难,目前采取的方法主要有3种:(1) 母线供电利用另一个电
12、磁式互感器,直接从母线上得到电功率,稳压后供给电子电路。稳压电源应保证在母线电流很小时能提供足够的功率,在系统出现短路且母线电流很大时能够吸收多余的能量,给电子线路提供一个稳定的电源,因此其技术相当复杂。(2)光供电在系统中增加一根传能光纤,将光功率从控制室传送到传感头后经光电变换获得电源。这种方式能够提供的功率非常小,对电子线路的设计带来了困难。(3)电池供电利用可充电电池提供电功率,电池由太阳能板充电。这种方式受制于天气条件,太阳能板长期工作的效率也难以保证。混合型OCT的主要缺点是传感头中的电子元件及光源的长期工作可靠性问题,由于电力系统不间断运行的特点,限制了传感头的维修或更换频率。3
13、 发展现状光学电流互感器的研究始于上世纪70年代,由于全光纤型具有结构简单、重量轻、形状随意等优点,因而最先被提出并始终是研究者追求的目标。早在1977年英国电力研究中心的A.J.Rogers和A.M.Smith等人分别对全光纤OCT的原理进行了分析,并在实验室对实验装置进行试验获得成功,于1979年安装在发电站试运行。而后,德国A.Papp等人对全光纤式OCT的原理、构成、特性、测量及信号处理进行了系统专题研究。从90年代起,工作进一步深入,许多作者在解决温度及振动对测量精度的影响方面进行了大量的研究,使得偏振计量型和相位调制型的研制工作均取得了显著的进展。其中,NxtPhase公司研制的2
14、30 kV和138 kV两个等级的全光纤型OCT采用相位调制原理,其正常计量范围精度达到0.2%,目前已通过各种工业性试验,进入商业生产阶段。在最初的全光纤型OCT遇到光纤的固有双折射问题之后,人们将目光转向了块状玻璃型传感头结构。在美国,一台由块状玻璃作为传感元件,光纤作为信号传输的OCT于1980年在1 200 kV的电网上挂网成功。这是最早的块状玻璃型磁光式电流传感器。随后,美国研究人员在传感头结构、温度影响、信号处理及其长期稳定运行方面进行了深入的研究。从1986年起用于单、三相计量与继电保护等方面的样机连续3次挂网试验成功,且在动态范围204 000 A内精度达到了0.3%。进一步的
15、工作集中在传感头的改进方面,主要是提高测量精度和对实际工作环境的适应性。例如,N. Pawel等人用FR5玻璃作为块状传感头所进行的现场试验表明,在-45140范围内,温度变化引起的测量误差小于0.2%。块状玻璃型传感器,采用新颖的双环光路,使光沿原路返回,抵消了双折射引起的相位差,使得在-1540范围内测量时,温度影响可以忽略不计。采用环形块状玻璃传感头和特殊的装配方法消除热和应力引起的双折射,其现场试验表明,在温度-3070、测试电流1002 400A的范围内,精度达到了0.3%。清华大学对块状结构进行的研究表明,在801 500 A的电流范围内,精度达到了0.3%。华中理工大学研究的块状结构互感器在110 kV电网运行中,在20800 A范围内精度为0.2%,但在光强、振动、温度对传感器的影响及长期稳定运行方面还有待进一步完善。在全光纤型和块状玻璃型OCT发展的同时,混合型OCT也不断取得进展,其工作主要集中于二次稳压电源及微功耗电子线路的研究。一种采用Rogowski线圈将待测电流转换为电压信号,采用脉冲调频传输的混合型OCT,已经实现了2年的挂网运行试验。4 发展趋势及产业化前景通过近30年的探索,已经形成了各种各样的OCT结构,上面介绍的几种主流结构也都有挂网运行的经历及产品出现,但由于成本、精度、长期运行的可靠性
