光纤电流传感器

概述

　　光纤电流传感器是一种新型的电流传感器，与电磁式电流互感器相比，基于光学、微电子、微机技术的光纤式电流传感器（OFCT），具有无铁心、绝缘结构简单可靠，体积小、重量轻、线性度好、动态范围大、无饱和现象，输出信号可直接与微机化计量及保护设备接口等优点。这些优点既满足、推动了电力系统的发展，而且应用前景十分广阔。

　　当线偏振光（见光的偏振）在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即ψ＝VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。上述现象称为法拉第效应。1845年由M.法拉第发现。

　　由于光在光纤中，一边反射，一边行进，偏振波相应于曲线的形状会出现旋转。针对此现象，在光纤的一端设置一块镜面导致光纤中光线的往返，借助光的来回往返，成功补偿和解决了偏振波的旋转问题。将铅玻璃光纤用于传感器元件，并结合利用镜面的方法，只需把光纤卷绕在载流导体上，用于电流计测的反射型传感器就基本完成。其次，开发了调制程度的平均处理与信号处理方式，这有利于特性的稳定及噪音的抑制。此外，对光源、受光元件、信号传输光纤等种类与传感器特性的关系进行了研究，而且，慎重选择了旨在降低成本和实现小型化的传感器制作技术。目前，光纤传感器技术正朝实用化的方向进展，以适应电力系统的广泛需求。

分类

　　1、全光式光电电流传感器

　　全光式光电电流传感器(MOCD）在高压侧不需要电源供电,所以也称为无源型0CT. M0cT的工作原理为普遍采用的法拉第磁光效应.当一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时,线偏振光的偏振面就会线性地随着平行于光线方向的磁场大小发生旋转.通过测量载流导体周围线性偏振光偏振面的旋转角度,就可间接地测量出导体中的电流值.

　　2、混合式光电电流传感器

　　混合式光电电流传感器（HOCT）在高压部分没有光学元件，只是采用了有源电子线路，利用光纤的耐高压特性，把光纤仅作为信号传输通道来研制光电式电流互感器。由于光纤的主要成分是二氧化硅，它具有耐高压等特性，将光纤用于信号的传输，使得电流互感器无论从质量上还是从体积上都有很大的改善。由于HOCT在高压侧是需要电源供电的，所以也称为有源型OCT。

结构

　　光纤电流传感器主要由传感头、输送与接收光纤、电子回路等三部分组成，如图1所示。传感头包含载流导体，绕于载流导体上的传感光纤，以及起偏镜、检偏镜等光学部件。电子回路则有光源、受光元件、信号处理电路等。从传感头有无电源的角度，可分为无源式和有源式两类。

优点

　　（１）绝缘结构简单，尺寸小，造价低．由于光纤具有良好的绝缘特性，高低压之间的绝缘通过光纤再加上绝缘套来完成，从而使互感器的结构大为简化．虽然ＨＯＣＴ　仍然具有铁心和线圈，但由于一，二侧均处于高压侧，一，二侧之间的电位差比较小，　故不需要高压绝缘隔离，因此磁路短，尺寸小．电压等级的提高也不会带来太多的改变，　因此适用于高压电力系统中．

　　（２）测量准确度高．利用光的磁光效应测量电流，彻底抛弃的电磁式铁心绕组的结构，没有故障电流下的饱和漏电，测量也无磁滞效应，同时具有高的抗电磁干扰的能　力和灵敏度，准确度．由于对一，二侧的绝缘不如传统的电磁式互感器高，因此采样电　流的铁心线圈可以采用准确度较高的电流互感器，或者采用带气隙的铁心线圈，较好的暂态性能．二次侧所带的负载一般是电子线路，负载恒定，因此不要求二次线圈提供较　大的功率，这样也有利于测量精度的提高．

　　（３）设备安装和检修方便．只需要更换线圈的规格来适应不同的电压等级，而其　他部件不需要更换，具有良好的升级性．

　　（４）运行安全，不会产生二次开路的高压和采用油浸式所引起的爆炸等现象．

　　（５）有利于变电站综合自动化水平的提高．由于传递到低压侧的信号都有数字接　口，由数据采集系统进行数据处理，可以得到系统的运行情况．直接可以供测量和保护　使用．此外采用数字化接口，还可以实行远距离遥控．

　　（６）基于光纤互感器技术的ＭＯｃＴ和ＨＯＣＴ的测量动态范围宽，灵敏度高．

兴起

　　光纤传感器是七十年代中期出现的一种新型传感器．一方面光参数被测量和调制，　光成为信息的载体；另一方面，用光纤来传送信息．有时光纤同时具有信息测量和信息传输两个功能．用光纤传输信息损耗小，频带宽，信息容量大，绝缘性能高，没有各种　短路事故的危害，不怕雷电，不受电磁干扰．此外，它尺寸小，重量轻，耐腐蚀且价格低廉．正是由于光纤的这些优点，光纤电流传感器特别适用于高压大电流的测量．它能　够解决传统电磁式电流互感器难以解决的一系列问题．电压等级越高，光纤电流传感器　便越能显示其无可比拟的优越性．正因为如此，在电力传输或光纤传感领域工作的各国。学者越来越多地把注意力投向光纤电流传感器。

研究现状

　　20世纪80年代,美国,日本,德国,英国,法国,中国等国投入光学电流互感器 研究的人员大约有150人,近20个课题组,其成就最突出的是美国和日本.

　　美国有许多大公司都介入,并且各自成立课题组,目标是16KV,345KV,500KV, 20～4000A,ANSIc57标准O.5级,0.3级,以Faraday块状结构的磁光式电流互感器为 主.美国利用80年代初日本,德国的有关研究和技术资料,迅速推进ocT的研究,选 定在超高压电力系统采用块状结构的OCT方案,并取得了成功,在1986～1988年实现 了161KV的继电保护的挂网运行成功.

　　日本除了研究500Kv,1000Kv高压电网计量用OcT,还进行500KV以下到6000V 电压等级的电流互感器使用的光学c1佃T的研究.三菱公司的一丹工厂制造的6.6KV, 600A的组合式光学互感器,在中部电力公司的配电网中安装,经过长期的户外试验, 满足JECl201.1985标准,已经在1989年末通过试验鉴定.此组合式光学电流互感器可 以挂接在电线杆上运行,重量3.5虹.还可以把这种互感器放在7.7KV的配电网中,根 据电流的流向判断电网的故障点.日立公司和东芝公司对用于GIS的光学互感器都进行 了大量研究,并且试运行良好.

　　1991年9月在美国德克萨斯州会议中心,有IEEE电机工程学会主办的输变电会议 上,3M公司的IEEE会员提出了以"用于电力系统的光纤电流互感器的研制"为课题 的全光纤电流互感器技术,描述了用于高稳定性的传感光纤线圈和把光纤线圈与新奇的 保偏光纤连接起来的新技术,还介绍了理论上的局限与初步特性曲线和数据.

　　我国研究的光电式电流互感器的单位有清华大学电机系,华中理工大学电力系,上 海科技大学,西安交通大学,沈阳沈变互感器制造有限公司和上海MwB互感器制造有限公司等.国内在许多基础性研究方面,例如温度和应力引起的双折射现象及其降低的 对策,还需要做深入的工作;在光电式电流互感器的精度和长期稳定性方面还需要做进一步和更长期的实验和现场考验.

　　近年来,国外的一些大电气公司和大学正加紧光电式电流互感器的现场实验和商品 化.1994年ABB公司推出了有源式光电电流互感器,其电压等级为72.5KV～765KV, 额定电流为600A～6000A.3M公司在1996年已宣称开发出用于138Kv电压等级的全光纤电流测量模块,据称也可应用于500KV电压等级.PhototIics公司也随后推出了一 种用光供能的光电式电流互感器,称为"混合式光电电流互感器",曾经在1995年至 1997年间在美国,瑞典,芬兰等国家的超高电压电网上运行.英国利物浦大学电机系也 在进行混合式光电电流互感器的研究.德国着名的互感器公司硒tz公司也在和德国大学 联合开发无源式和有源式光电电流互感器.此外,日本一些电气公司把光电电流互感器 应用于抽水蓄能电站电流的测量,电流范围为8000～35000A,频率范围为1/60～ 150Hz。

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