光電式電流互感器的發展與應用

為了提高電力網電力系統的自動化程度，減小電力網變電站的占地面積和建筑空間，滿足“數字化、光纖化、智能化、一體化”的要求，新型的光電式電流互感器將取代傳統的電磁式電流互感器。該文闡述了光電式電流互感器的分類、特點和應用情況。

關鍵詞：光電式電流互感器；磁光效應

隨著電力網電力系統的發展，電力網發電和輸電力網變電容量的不斷增加，為了提高電力系統的自動化程度，減小變電站的占地面積和建筑空間，現在設計的電流互感器必須滿足“數字化、光纖化、智能化、一體化”的要求。數字化是指要盡量淘汰傳統的模擬信號的指針式讀數盤，而采用數字式的儀表，減小測量中因讀數而引起的人為誤差。光纖化是指在測量系統中，大力提倡光纖的使用，減小電磁場對測量結果的影響。智能化是指加大微機和網絡在電氣測量中的運用，賦予互感器一定的自我判斷和識別能力，這主要是在外圍的電路上作一些改進及在軟件上的優化。一體化是指將多相電流互感器甚至是多相電流互感器和電壓互感器做成成套設備，這樣可以節約大量的人力、物力。

針對電力網電力系統的發展趨勢可以預測，在不久的將來，傳統的電流互感器將逐步地淡出電力系統，新型實用的產品將取而代之，光電式電流互感器就是其中的代表，它完全可滿足上述的要求。

1 光電式電流互感器的分類

基于磁光效應的光電式電流互感器發展到現在，按其原理與結構可分為有源型、無源型及全光纖型三類。

1.1 有源型

有源型光電式電流互感器就是高壓側電流信號，通過采樣線圈將電信號傳遞給發光元件變成光信號，再通過光纖傳遞到低壓側，進行逆變，變換成電信號后放大輸出。高壓側電子器件的電源來源于光供電方式、母線電流供電方式以及超聲電源供電方式。其結構如圖1所示。有源型是較早期的結構，其優點是結構簡單，穩定性好，可靠性高。其缺點是取樣信號頂部結構復雜。

圖1 有源型光電式電流互感器結構
1.2 無源型

無源型光電式電流互感器的傳感頭不需要供電電源。傳感頭一般用法拉第磁光效應原理制成，處于低電位的光源發出的偏振光經光纖傳到高壓側，并通過處于被測電流產生的磁場中。偏振光的偏振面在磁光玻璃中發生旋轉，即電流信號偏振調制光波。帶電流信號的光波經光纖傳到低電位側，經光-電變換后放大輸出。其結構如圖2所示。無源結構的優點是結構簡單，且完全不采用傳統的電磁感應元件，無飽和問題，充分發揮了光電式電流互感器的特點，尤其是高壓側無源電子器件，無溫度穩定問題，互感器運行壽命容易保證。其缺點是光學器件制造難度大，測量的高精度難以達到，且長期穩定性不高。


圖2 無源型光電式電流互感器結構
1.3 全光纖型

全光纖型光電式電流互感器實際上也是無源型，只是傳感頭是光纖本身制成，其余與無源型完全一樣。其結構如圖3所示。全光纖型光電式電流互感器的優點是傳感頭結構簡單，比無源型易于制造，精度、壽命與可靠性比無源型要高。缺點是這種互感器的光纖是保偏光纖，比有源型和無源型兩種互感器所采用的普通光纖品質較高，要制造出高穩定性的光纖很難，工藝要求高，且造價昂貴。


圖3 全光纖型電流互感器結構
2 光電式電流互感器的優點

光電式電流互感器不用鐵芯做磁耦合，因此消除了磁飽和及鐵磁諧振現象，互感器運行暫態響應好，穩定性高，保證了系統運行的高可靠性。

電磁感應式電流互感器二次回路不能開路，低壓側存在因開路而引起的高電壓隱患。光電式電流互感器的高壓和低壓之間只存在光纖聯系，而光纖具有良好的絕緣性能，因此可保證高壓回路與二次回路在電氣上完全隔離，低壓側不存在因開路而產生高壓的危險。同時因沒有磁耦合，消除了電磁干擾對互感器性能的影響。

電網正常運行時，電流互感器流過的電流并不大，但發生短路時，短路電流非常大。電磁式電流互感器因存在磁飽和問題，難以實現大范圍測量并在一個通道同時滿足高精度計算和繼電保護的需要。而光電式電流互感器有很寬的動態范圍，過電流可達幾萬安培。

頻率響應范圍寬。光電式電流互感器可以測量出高壓電力網">電力線路上的諧波，而電磁式電流互感器難以進行這方面的工作。

不存在因充油而產生的易燃、易爆等危險。

絕緣性能好，造價低。電磁式電流互感器絕緣結構復雜，電壓等級越高，造價越高。光電式電流互感器中采用由絕緣材料做成的玻璃光纖，結構簡單，造價低。

體積小，重量輕，運輸和安裝方便。

適應了電力網">電力計量與保護數字化、微機化和自動化的發展的潮流。

3 光電式電流互感器的應用現狀

1994年ABB公司推出有源型光電式電流互感器，其電壓等級為72.5～765kV，額定電流為600～6000A。日本除研究500kV、1000kV高壓電網計量用的光電式電流互感器外，還進行500kV以下直到6.6kV電壓等級的GIS用光電式電流互感器。我國在這方面也取得了一定進展，特別是近幾年，在吸收國外經驗的基礎上，已有部分廠家生產光電式電流互感器。

光電式電流互感器可以代替體積大而笨重的傳統型電流互感器，并與斷路器組合成一體，從而實現設備的小型化、一體化。

在高壓直流電力網">輸電方面，直流測量用光電式電流互感器較之傳統型的電流互感器有更大的優勢，其重量僅為同等級的直流電流互感器的1/40，無電磁干擾和鐵磁損耗，并與電力網">電力自動化系統的網絡兼容。例如我國三峽至常州500kV直流輸電系統就使用了ABB公司的光電式電流互感器，用于線路的直流電流及諧波電流、交流側不平衡電流、橋臂電流等的測量。

除了在電網中使用外，光電式電流互感器還可做成類似鉗形表式的結構，方便移動，用于測量高壓電網中不同地點的電流。也可測量高頻電流。

4 結束語

目前國內在光電式電流互感器的研究方面，特別是高電壓等級上還面臨一些問題，如溫度和應力引起的雙折射現象及其降低方法，長期運行時的穩定性和精度方面還需要更進一步的試驗和現場考驗。

綜上所述，光電式電流互感器有著傳統電磁式電流互感器無法比擬的優點，是電磁式電流互感器理想的替代品，將會使互感器技術進入一個嶄新的時代。