光电电流、电压互感器的原理.docx

光电电流、电压互感器的原理关键词：光电电流互感器、 光电电压互感器、法拉第磁光效应、光的干涉、偏振光、双折射、普克尔效应刖言为适应输变电系统运行的可靠性、稳定性的需要及向大容量、数字化保护、控制的发展 国内外许多企业、高校、研究机构花费大量的资金、人力研究把光学技术应用于电力工业自上世纪70年代日本、美国、法国、前苏联研究光电式互感器光电式互感器的工作 原理与传统的电磁式互感器是完全不同的光电式互感器的动态测量范围广、体积小、重量 轻，不存在饱和现象，绝缘结构简单，抗电磁干扰性能好.此外光电互感器的一个探头的信 号通过信号处理可以得到测量与继电保护用的信号测量用的信号要求高的准确度，继电保 护用的信号要求高的频率响应，现在信号处理系统完全可以作到1）日本早在上世纪80年代已经用光电互感器解决三相一体化气体绝缘装置（GIS）的小 型化问题日本关西电力公司与电新电机公司在住友电气公司的协作下通过采用BSO元件 （铋硅氧化物）在84kV气体绝缘开关装置（GIS）中采用了光电电流、电压互感器，进行 长期的带电试验2）在上世纪90年代美国的Tennessee Valley Authority与West-inghouse Electric Corporation在实际运行条件下成功地采用光电电流互感器进行高准确度测量及快 速的继电保护任务。

我国的清华大学、华中理工大学、上海科技大学也开展这个领域的研究工作清华大学 的光电电流互感器作为国家'八五'科技攻关项目得出阶段性的成果华中理工大学研制的 光电电流互感器已于1993年12月在广东新会市大泽变电所110kV电网上试运行虽然经过几十年的研究，但是光电式互感器的商品化程度不高究其原因输变电设备的 环境恶劣、环境的温度变化大，但是光电互感器的测量精度受环境温度的影响较大，为保证 测量的准确、运行可靠需要采取各种措施减低温度变化对光电互感器性能的影响有些方案 在实验室中可行到现场实施有困难此外，批量制造的工艺尚不成熟随着光学技术、微电 子技术、激光技术、光通讯技术的发展光电互感器的研究有较大的进展目前我国有多条输 电线路采用国外的光电互感器作为计量及继电保护的装置一、光纤式电流互感器1、工作原理原理图如图所示是基于单模光纤的法拉第（Faraday）磁光效应即偏振光通 过位于磁场中的单模光纤时光的偏振面会发生旋转其旋转角与磁场强度H、 光在磁场中通过的路程L、磁场强度的方向与光传播的方向之间的夹角①、光 纤材料的费尔德常数（Verdet）旋转角的计算公式：i3 2 167 8全光纤电流互感器原理图9信号处理单元0 =V ^H • dl ⑴L设被测的电流i通过被单模光纤缠绕的金属导体，单模光纤绕金属导体N 匝。

每匝光纤是封闭的回路，根据全电流定律有：0 =V • df=V • N • ii= 0/V/N由于V、N是常数电流i与旋转角0成线性关系，测出旋转角0就可以计 算被测电流i•2、测量旋转角0的原理如下：检测通过测试系统的线偏振光的光强的变化可以测出偏转角0图中，光 源（激光器或LED） 1发出光强稳定的单色非偏振光束光束经过起偏器2后变成光强稳定 的线偏振光通过准直透镜3后，线偏振光导入光纤4线偏振光通过处于磁场中的单模光 纤后偏振面发生旋转（该磁场由被测电流i产生），旋转角的大小为0由光纤出射的偏振 光经过准直透镜6后进入检偏器7,检偏器与起偏器之间的偏振之间的夹角为巾，由检偏器 出射的光束被光电接收器接收，光束的光强转换成光电流该光电流的信号包含旋转角0的 信息光电接收器接收的光强为：J=J0 • COS （血一0）・COS （血-0）设巾二n/4J=J0・ （1+Sin 20）/2因e值很小所以可以认为Sin 2 0^20J=J0・（1+ 20）/2考虑光学系统的光损耗a：J=aJ0・（1+ 20） /2j值由两部分组成：a T0 :是直流分量a J • 2 00 :是交流分量2将光电探测器输出的光电流的交流分量除以直流分量即可计算出偏转角0 的值。

aj0・ 20 * aJ0 =2 02 壬目前的电子技术是很容易处理上述信号，求出偏转角03、设计需要注意的问题⑴光源的光强要稳定，光强不应受环境的影响光源发出的应是单色光，因 为Verdet常数与光的波长有关⑵单模光纤由于存在机械应力从而产生双折射，光纤的双折射将也会引起光 束的偏振面的偏转这种附加的偏转引起测量的误差此外当环境的温度 发生变化时，光纤的应力也会发生变化，导致双折射的变化、最终使得所 测出的0角与被测的电流之间产生误差这是该系统存在的致命缺陷为 了改进需要采用双折射很小的保偏光纤、或高圆双折射、椭圆双折射光纤 这种光纤制作复杂、价格昂贵、稳定性差⑶ 结构上要使起偏器与检偏器的偏振方向之间的夹角保持一致,夹角为45 °， 使得系统的灵敏度最大（在同样匝数的光纤条件下）⑷该系统的要求光电探测器工作性范围内即输出的光电流与输入的光强 成线性关系⑸由于⑵项中提到的问题该方案只是在实验室中实现电流的测量，无法在户 外挂网运行封闭光学玻璃块型电流互感器利用封闭光学玻璃块围绕通电导体来测量电流的方案的测量原理与光纤电流互感器的原理是相同是利用法拉第磁光效应进行电流的测量1、测量原理图由光源1发出的单色光经准直透镜2、起偏器3形成线偏振光后，进入光环的 一臂4、到达4的端部后反射至另一臂5，光束如此传播经过臂6、臂7,由 臂7出射后通过检偏器8、透镜9被光电探测器10接收。

由光电探测器输出 光电流，通过信号处理单元可以测出光环所围绕的通电导体中通过的电流TTn u玻璃光环式光电电流互感器光环可由四块光学玻璃胶合成整体或整块光学玻璃加工而成由全电流定律偏转角e由以下公式计算：e=W F・ dT=V • i光电流信号的处理及被测电流i的计算方法同与全光纤的电流互感器2、传感头设计要考虑的问题⑴光束经过光环传感头中间将存在6次反射光在反射面（反射面两边的折 射率不同）上反射后，电矢量的两个相互垂直的分量之间将产生相位差线偏振会变 成椭圆偏振光将降低测量精度需要对此相位差进行补偿一般采用有几何补偿, 即使得反射的次数为偶数此外奇数次反射的电矢量中的平行于入射面的分量在偶 数次反射时成为垂直于入射面的分量奇数次反射的电矢量中的;；垂直于入射面 的分量在偶数次反射时成为平行于入射面的分量相互垂直的两个分量经过偶次反 射后相位差相同从传感头输出的光束的这两个分量的相位差为零⑵玻璃的材料应选择双折射小、内应力小全光纤电流互感器中温度对测量 精度的影响在光环传感头中同样存在但是，对玻璃材料而言温度变化引起的双折 射较全光纤小，同时对晶体而言存在着一个特征方向，当光束沿该特征方向入射时 温度变化对光环传感头的双折射的影响大大减小。

⑶ 选择Verdet常数较大的材料⑷当采用胶合的方法制造的光环传感头，光学胶的折射率应与光学材料接近，对光环传感头的密封性要好，以免湿气对光学胶的影响⑸光环传感头的加工要求很高使得成本大为提高3、光环传感头的样机尽管光环传感头的加工难度较大，但是在光学加工的工厂还是可以加工出来 另外其抗干扰性强、磁场利用率高、温度的影响较小，前期的光电电流互感器 大多采用光环传感头式的电流互感器我国华中理工大学在广东新会挂网的光 电电流互感器采用该方案1*三、光纤干涉式光电电流互感器1、光的干涉 依据光的波动理论，设两束振动方向相同、波长相同、频率相同的光波的振动 方程为：S1=ai sin( s t+ © 1)=ai sin( s t+2 nd/ 入)S2=a2 sin( s t+ © 2)=a2 sin( s t+2 n d2/ 入 + © 0)厶 厶 厶 厶 厶 \j两束光相叠加形成同一周期的合振动：1+ a2sin © 2)/ (a1cos © 1+ a2cos © 2)S=S]+S2=A sin( s t+ 9 )tg 9 =(a1sin ©A*A=a *a +a *a+2a a cos( ©「© J112 2 1 2 ' 2 1 丿=a1*a1+a2*a2+2a1a2cos[ (d1-d2) 2 n / 入-©J如果振动的相位差©2-©1在整个时间内是恒定值，则合振动的总光强随 相位差©2-©1或光程差d1-d2的变化而变化，合振动的光强由极小值(a1-a2)* (a1-a2)变到极大值(a1+a2)*(a1+a2)光波的这种性质称之为干涉。

如果两束相干光的振幅相同即a1=a2=aA=2acos[ (d]-d2) n / 入 + © 0/2]若©o=0A=2acos[(d]-d2) n / 入]当(d1-d2)=m入时合振动的光强为A*A=4a*a得到光强的最大值， 当(d1-d2)=(m+1/2)入时合振动的光强为A*A=0得到光强的最小值，m为正整数干涉的图案为明暗相间的条纹，两个条纹之间的光程差（相位差）为光波 的波长入或相位差为n2、光纤干涉电流测量原理测量原理如下：被测电流通过导体（母线），在导体外套有一个儒可夫斯基线圈，线圈的两出 线端接于电致伸缩晶体，在晶体上绕有单模光纤当电致伸缩晶体的轴向两端 施加电压时晶体径向的尺寸将发生变化，径向的尺寸变化与所施加的电压大小 成比例电致伸缩晶体径向的尺寸变化导致缠绕其上的光纤长度的变化，引起 光纤中转播的光束的光程的变化利用上述的变化关系可以测出通过导体的电 流传感头的原理图如下：激光器作为入射光的光源，其所发出的光是单色光激光器发出的光经过单 模光纤进入耦合器/分束器分别进入测试臂光纤绕组及参考臂光纤绕组,测试臂 光纤绕组绕于圆柱形电致伸缩晶体上，圆柱形电致伸缩晶体的两个电极分别接 于儒可夫斯基线圈的两输出端，儒可夫斯基线圈套于通电导体母线）外。

当导 体中通过电流时在儒可夫斯基线圈的输出端产生电势V,电势的大小比例于导 体中通过的电流i电势V施加到圆柱形电致伸缩晶体的两个电极上引起圆柱形电致伸缩晶体 径向尺寸的变化DOCL的变化引起测试臂光纤的长度变化L,引起光程的变化 coL D参考臂的光纤长度未发生变化，因此当测试臂光纤出射的光与参考臂出射的 光通过耦合器/分束器8叠加时在8处产生干涉产生干涉的光出射后被光电探测接收，经 过信号处理单元处理后，可以计算出被测的电流i 3、 系统的优点⑴随着光通讯技术的发展，激光器、单模光纤、耦合器分束器等光学元件的发展 非常迅速，因此系统中用到的光学元件在市场上可以方便地买到⑵儒可夫斯基线圈是没有磁性材料，不存在磁饱和现象儒可夫斯基线圈输出的电 势与通过母线的电流成比例，线性度好⑶干涉图形是明暗相间的条纹，光强的变化是周期函数，信号处理方便⑷由于温度变化引起的的光程差的变化对于参考臂、测试臂是相同的，因此互相可 以抵消⑸结构简单4、 需要解决的问题⑴儒可夫斯基线圈输出的电势受到其几何尺寸的影响，而温度的变化将影响到儒 可夫斯基线圈的几何尺寸因此，要考虑温度的补偿问题⑵测试臂上的光纤与圆柱形电致伸缩晶体热膨胀系数应接近以免由于热膨胀系数 的不一致引起测量误差。

四、五、 干涉法光电电压互感器干涉法测量电流的方法同样可以用于测量电压测量的原理图如下：设高压母线对地的被测电压为V圆柱形电致伸缩晶体及其两个电极之间形成一电 容，设其电容量为C1，圆柱形电致伸缩晶体的低压端与地之间串连一。