光電電流、電壓互感器及原理

1、光電電流、電壓互感器的原理關(guān)鍵詞： 光電電流互感器、 光電電壓互感器、法拉第磁光效應(yīng)、光的干涉、偏振光、 雙折射、普克爾效應(yīng)前言為適應(yīng)輸變電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性的需要及向大容量、數(shù)字化保護(hù)、控制的發(fā)展。國內(nèi)外許多企業(yè)、高校、研究機(jī)構(gòu)花費(fèi)大量的資金、人力研究把光學(xué)技術(shù)應(yīng)用于電力工業(yè)。自上世紀(jì)70年代日本、美國、法國、前蘇聯(lián)研究光電式互感器。光電式互感器的工作原理與傳統(tǒng)的電磁式互感器是完全不同的。光電式互感器的動態(tài)測量范圍廣、體積小、重量輕，不存在飽和現(xiàn)象，絕緣結(jié)構(gòu)簡單，抗電磁干擾性能好.此外光電互感器的一個(gè)探頭的信號通過信號處理可以得到測量與繼電保護(hù)用的信號。測量用的信號要求高的準(zhǔn)確度，繼電

2、保護(hù)用的信號要求高的頻率響應(yīng)，現(xiàn)在信號處理系統(tǒng)完全可以作到。（1）日本早在上世紀(jì)80年代已經(jīng)用光電互感器解決三相一體化氣體絕緣裝置（GIS）的小型化問題。日本關(guān)西電力公司與電新電機(jī)公司在住友電氣公司的協(xié)作下通過采用BSO元件（鉍硅氧化物）在84kV氣體絕緣開關(guān)裝置（GIS）中采用了光電電流、電壓互感器，進(jìn)行長期的帶電試驗(yàn)。 （2）在上世紀(jì)90年代美國的Tennessee Valley Authority 與West-inghouse Electric Corporation 在實(shí)際運(yùn)行條件下成功地采用光電電流互感器進(jìn)行高準(zhǔn)確度測量及快速的繼電保護(hù)任務(wù)。我國的清華大學(xué)、華中理工大學(xué)、上海科技大學(xué)

3、也開展這個(gè)領(lǐng)域的研究工作。清華大學(xué)的光電電流互感器作為國家八五科技攻關(guān)項(xiàng)目得出階段性的成果。華中理工大學(xué)研制的光電電流互感器已于1993年12月在廣東新會市大澤變電所110kV 電網(wǎng)上試運(yùn)行。雖然經(jīng)過幾十年的研究，但是光電式互感器的商品化程度不高。究其原因輸變電設(shè)備的環(huán)境惡劣、環(huán)境的溫度變化大，但是光電互感器的測量精度受環(huán)境溫度的影響較大，為保證測量的準(zhǔn)確、運(yùn)行可靠需要采取各種措施減低溫度變化對光電互感器性能的影響。有些方案在實(shí)驗(yàn)室中可行到現(xiàn)場實(shí)施有困難。此外，批量制造的工藝尚不成熟。隨著光學(xué)技術(shù)、微電子技術(shù)、激光技術(shù)、光通訊技術(shù)的發(fā)展光電互感器的研究有較大的進(jìn)展。目前我國有多條輸電線路采用國

4、外的光電互感器作為計(jì)量及繼電保護(hù)的裝置。一、 光纖式電流互感器1、 工作原理原理圖如圖所示。是基于單模光纖的法拉第（Faraday）磁光效應(yīng)。即偏振光通過位于磁場中的單模光纖時(shí)光的偏振面會發(fā)生旋轉(zhuǎn)。其旋轉(zhuǎn)角與磁場強(qiáng)度H、光在磁場中通過的路程L、磁場強(qiáng)度的方向與光傳播的方向之間的夾角、光纖材料的費(fèi)爾德常數(shù)(Verdet)。旋轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式：=VH· dl .(1)L設(shè)被測的電流i通過被單模光纖纏繞的金屬導(dǎo)體，單模光纖繞金屬導(dǎo)體N匝。每匝光纖是封閉的回路，根據(jù)全電流定律有：=VH· dl =V·N·ii=/V/N由于V、N是常數(shù)電流i 與旋轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系，測

5、出旋轉(zhuǎn)角就可以計(jì)算被測電流 i .：2、 測量旋轉(zhuǎn)角的原理如下:檢測通過測試系統(tǒng)的線偏振光的光強(qiáng)的變化可以測出偏轉(zhuǎn)角。圖中，光源（激光器或LED）1發(fā)出光強(qiáng)穩(wěn)定的單色非偏振光束。光束經(jīng)過起偏器2后變成光強(qiáng)穩(wěn)定的線偏振光。通過準(zhǔn)直透鏡3后，線偏振光導(dǎo)入光纖4。線偏振光通過處于磁場中的單模光纖后偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)（該磁場由被測電流 i 產(chǎn)生）,旋轉(zhuǎn)角的大小為。由光纖出射的偏振光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡 6后進(jìn)入檢偏器7，檢偏器與起偏器之間的偏振之間的夾角為，由檢偏器出射的光束被光電接收器接收，光束的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成光電流。該光電流的信號包含旋轉(zhuǎn)角的信息。光電接收器接收的光強(qiáng)為：J=J0·COS（-）·

6、;COS（-）設(shè)=/4J=J0·（1+Sin 2）/2 因值很小所以可以認(rèn)為Sin 22J=J0·（1+ 2）/2考慮光學(xué)系統(tǒng)的光損耗：J=J0·（1+ 2）/2J值由兩部分組成：J0 ：是直流分量 2J0· 2：是交流分量 2 將光電探測器輸出的光電流的交流分量除以直流分量即可計(jì)算出偏轉(zhuǎn)角的值。J0· 2÷J0 =2 2 2 目前的電子技術(shù)是很容易處理上述信號，求出偏轉(zhuǎn)角。3、 設(shè)計(jì)需要注意的問題 光源的光強(qiáng)要穩(wěn)定，光強(qiáng)不應(yīng)受環(huán)境的影響。光源發(fā)出的應(yīng)是單色光，因?yàn)閂erdet常數(shù)與光的波長有關(guān)。 單模光纖由于存在機(jī)械應(yīng)力從而產(chǎn)生雙折

7、射，光纖的雙折射將也會引起光束的偏振面的偏轉(zhuǎn)。這種附加的偏轉(zhuǎn)引起測量的誤差。此外當(dāng)環(huán)境的溫度發(fā)生變化時(shí)，光纖的應(yīng)力也會發(fā)生變化，導(dǎo)致雙折射的變化、最終使得所測出的角與被測的電流之間產(chǎn)生誤差。這是該系統(tǒng)存在的致命缺陷。為了改進(jìn)需要采用雙折射很小的保偏光纖、或高圓雙折射、橢圓雙折射光纖。這種光纖制作復(fù)雜、價(jià)格昂貴、穩(wěn)定性差。 結(jié)構(gòu)上要使起偏器與檢偏器的偏振方向之間的夾角保持一致，夾角為45°，使得系統(tǒng)的靈敏度最大（在同樣匝數(shù)的光纖條件下）。 該系統(tǒng)的要求光電探測器工作在線性范圍內(nèi)即輸出的光電流與輸入的光強(qiáng)成線性關(guān)系。 由于項(xiàng)中提到的問題該方案只是在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)電流的測量，無法在戶外掛網(wǎng)運(yùn)

8、行。二、 封閉光學(xué)玻璃塊型電流互感器利用封閉光學(xué)玻璃塊圍繞通電導(dǎo)體來測量電流的方案的測量原理與光纖電流互感器的原理是相同是利用法拉第磁光效應(yīng)進(jìn)行電流的測量。1、 測量原理圖由光源1發(fā)出的單色光 經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2、起偏器3形成線偏振光后，進(jìn)入光環(huán)的一臂4、到達(dá)4的端部后反射至另一臂5 ，光束如此傳播經(jīng)過臂6、臂7，由臂7出射后通過檢偏器8、透鏡9被光電探測器10 接收。由光電探測器輸出光電流，通過信號處理單元可以測出光環(huán)所圍繞的通電導(dǎo)體中通過的電流。 光環(huán)可由四塊光學(xué)玻璃膠合成整體或整塊光學(xué)玻璃加工而成。由全電流定律偏轉(zhuǎn)角由以下公式計(jì)算：=VH· dl =V·i光電流信號的處理及

9、被測電流i的計(jì)算方法同與全光纖的電流互感器。2、 傳感頭設(shè)計(jì)要考慮的問題光束經(jīng)過光環(huán)傳感頭中間將存在6次反射。光在反射面（反射面兩邊的折射率不同）上反射后，電矢量的兩個(gè)相互垂直的分量之間將產(chǎn)生相位差線偏振會變成橢圓偏振光將降低測量精度。需要對此相位差進(jìn)行補(bǔ)償。一般采用有幾何補(bǔ)償，即使得反射的次數(shù)為偶數(shù)。此外奇數(shù)次反射的電矢量中的平行于入射面的分量在偶數(shù)次反射時(shí)成為垂直于入射面的分量。奇數(shù)次反射的電矢量中的；垂直于入射面的分量在偶數(shù)次反射時(shí)成為平行于入射面的分量。相互垂直的兩個(gè)分量經(jīng)過偶次反射后相位差相同。從傳感頭輸出的光束的這兩個(gè)分量的相位差為零。玻璃的材料應(yīng)選擇雙折射小、內(nèi)應(yīng)力小。全光纖電流

10、互感器中溫度對測量精度的影響在光環(huán)傳感頭中同樣存在。但是，對玻璃材料而言溫度變化引起的雙折射較全光纖小，同時(shí)對晶體而言存在著一個(gè)特征方向，當(dāng)光束沿該特征方向入射時(shí) 溫度變化對光環(huán)傳感頭的雙折射的影響大大減小。 選擇Verdet常數(shù)較大的材料。當(dāng)采用膠合的方法制造的光環(huán)傳感頭，光學(xué)膠的折射率應(yīng)與光學(xué)材料接近，對光環(huán)傳感頭的密封性要好，以免濕氣對光學(xué)膠的影響。光環(huán)傳感頭的加工要求很高使得成本大為提高。3、 光環(huán)傳感頭的樣機(jī)盡管光環(huán)傳感頭的加工難度較大，但是在光學(xué)加工的工廠還是可以加工出來。另外其抗干擾性強(qiáng)、磁場利用率高、溫度的影響較小，前期的光電電流互感器大多采用光環(huán)傳感頭式的電流互感器。我國華中

11、理工大學(xué)在廣東新會掛網(wǎng)的光電電流互感器采用該方案。1*三、 光纖干涉式光電電流互感器1、 光的干涉 依據(jù)光的波動理論，設(shè)兩束振動方向相同、波長相同、頻率相同的光波的振動方程為： S1=a1 sin(t+1)=a1 sin(t+2d1/)S2=a2 sin(t+2)=a2 sin(t+2d2/+0)兩束光相疊加形成同一周期的合振動：S=S1+S2=A sin(t+)tg=(a1sin1+ a2sin2)/ (a1cos1+ a2cos2)A*A=a1*a1+a2*a2+2a1a2cos(2-1) = a1*a1+a2*a2+2a1a2cos (d1-d2) 2/-0如果振動的相位差2-1在整個(gè)時(shí)

12、間內(nèi)是恒定值，則合振動的總光強(qiáng)隨相位差2-1或光程差d1-d2的變化而變化，合振動的光強(qiáng)由極小值（a1-a2）*（a1-a2）變到極大值（a1+a2）*（a1+a2）光波的這種性質(zhì)稱之為干涉。如果兩束相干光的振幅相同即a1=a2=a A=2acos (d1-d2) /+0/2若0=0 A=2acos(d1-d2) /當(dāng)(d1-d2)=m時(shí)合振動的光強(qiáng)為A*A=4a*a 得到光強(qiáng)的最大值，當(dāng)(d1-d2)=（m+1/2）時(shí)合振動的光強(qiáng)為A*A=0得到光強(qiáng)的最小值，m為正整數(shù)干涉的圖案為明暗相間的條紋，兩個(gè)條紋之間的光程差（相位差）為光波的波長或相位差為。2、 光纖干涉電流測量原理測量原理如下：被

13、測電流通過導(dǎo)體（母線），在導(dǎo)體外套有一個(gè)儒可夫斯基線圈，線圈的兩出線端接于電致伸縮晶體，在晶體上繞有單模光纖。當(dāng)電致伸縮晶體的軸向兩端施加電壓時(shí)晶體徑向的尺寸將發(fā)生變化，徑向的尺寸變化與所施加的電壓大小成比例。電致伸縮晶體徑向的尺寸變化導(dǎo)致纏繞其上的光纖長度的變化，引起光纖中轉(zhuǎn)播的光束的光程的變化。利用上述的變化關(guān)系可以測出通過導(dǎo)體的電流。 傳感頭的原理圖如下： 激光器作為入射光的光源，其所發(fā)出的光是單色光。激光器發(fā)出的光經(jīng)過單模光纖進(jìn)入耦合器/分束器分別進(jìn)入測試臂光纖繞組及參考臂光纖繞組，測試臂光纖繞組繞于圓柱形電致伸縮晶體上，圓柱形電致伸縮晶體的兩個(gè)電極分別接于儒可夫斯基線圈的兩輸出端，儒

14、可夫斯基線圈套于通電導(dǎo)體母線）外。當(dāng)導(dǎo)體中通過電流時(shí)在儒可夫斯基線圈的輸出端產(chǎn)生電勢V，電勢的大小比例于導(dǎo)體中通過的電流 i 。V i電勢V施加到圓柱形電致伸縮晶體的兩個(gè)電極上引起圓柱形電致伸縮晶體徑向尺寸的變化 D DVL的變化引起測試臂光纖的長度變化L，引起光程的變化 LD參考臂的光纖長度未發(fā)生變化，因此當(dāng)測試臂光纖出射的光與參考臂出射的光通過耦合器/分束器8疊加時(shí)在8處產(chǎn)生干涉。產(chǎn)生干涉的光出射后被光電探測接收，經(jīng)過信號處理單元處理后，可以計(jì)算出被測的電流i 。3、系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 隨著光通訊技術(shù)的發(fā)展，激光器、單模光纖、耦合器/分束器等光學(xué)元件的發(fā)展非常迅速，因此系統(tǒng)中用到的光學(xué)元件在市場上

15、可以方便地買到。儒可夫斯基線圈是沒有磁性材料，不存在磁飽和現(xiàn)象。儒可夫斯基線圈輸出的電勢與通過母線的電流成比例，線性度好。干涉圖形是明暗相間的條紋，光強(qiáng)的變化是周期函數(shù)，信號處理方便。由于溫度變化引起的的光程差的變化對于參考臂、測試臂是相同的，因此互相可以抵消。結(jié)構(gòu)簡單4、需要解決的問題儒可夫斯基線圈輸出的電勢受到其幾何尺寸的影響，而溫度的變化將影響到儒可夫斯基線圈的幾何尺寸。因此，要考慮溫度的補(bǔ)償問題。 測試臂上的光纖與圓柱形電致伸縮晶體熱膨脹系數(shù)應(yīng)接近以免由于熱膨脹系數(shù)的不一致引起測量誤差。四、 干涉法光電電壓互感器 干涉法測量電流的方法同樣可以用于測量電壓。測量的原理圖如下：設(shè)高壓母線對

16、地的被測電壓為V。圓柱形電致伸縮晶體及其兩個(gè)電極之間形成一電容，設(shè)其電容量為C1，圓柱形電致伸縮晶體的低壓端與地之間串連一個(gè)電容（電容的電感應(yīng)為0），電容量為C2。加在圓柱形電致伸縮晶體兩極的電壓為：V1=C2*V/（C1+C2）標(biāo)定出C2/（C1+C2）測出V1可以計(jì)算出被測電壓V值。V1值可以直接由測量的光程差中計(jì)算出。五、 利用普克爾效應(yīng)的光電電壓互感器1、 普克爾效應(yīng)某些各向同性的晶體在電場的作用下會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，即沿晶體的不同晶軸的光的折射率產(chǎn)生差異。因而，使得光沿不同的晶軸傳播的速度不同，產(chǎn)生光程差，而折射率之差與電場強(qiáng)度成正比。晶體的這種效應(yīng)稱之為普克爾效應(yīng)。2、 光電電壓互感

17、器的工作原理光電電壓互感器就是通過測量普克爾效應(yīng)產(chǎn)生的雙折射所造成的相位差，計(jì)算出電場強(qiáng)度即被測的電壓值。其原理圖如下：光源1發(fā)出一束光，經(jīng)透鏡2、起偏器3成為線偏振光，其偏振方向與普克爾晶體4的兩個(gè)相互垂直的光軸X、Y成45°。普克爾晶體元件的厚度為L，施加電壓兩面的距離為d。并施加電壓為V，線偏振光通過上述普克爾晶體元件在X、Y軸上的分量產(chǎn)生相位差。=2*n0*n0*n0*22*L*V/d：X、Y軸上分量的相位差；n0：普克爾晶體元件的正常折射率22：普克爾晶體元件的普克爾系數(shù)（cm/V）：波長（cm）L：光通過普克爾晶體元件的幾何路程（cm）d ：施加電壓V兩極板之間的距離（c

18、m）V/d ：施加的電場強(qiáng)度（ V/cm） 由普克爾晶體元件出射光經(jīng)過1/4波片5后相位差為+/2。由1/4波片出射的光經(jīng)過振動方向與起偏器的振動方向垂直的檢偏器6后被光電探測器8接收，把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過信號處理單元可以計(jì)算出通過普克爾晶體元件后的相位差，也同時(shí)計(jì)算出被施加的電壓值即被測的電壓值。 普克爾晶體可以采用LiNbO3(鈮酸鋰)晶體。3、 設(shè)計(jì)需要考慮的問題 溫度對系統(tǒng)的影響 普克爾晶體的雙折射同樣要受到溫度的變化的影響。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)晶體的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，從而產(chǎn)生非電場產(chǎn)生的雙折射，影響了測量的準(zhǔn)確度。為此，選擇晶體時(shí)應(yīng)使晶體的剩余內(nèi)應(yīng)力盡量的小?？梢钥紤]采用溫度的補(bǔ)償?shù)姆椒?。普克爾晶體的耐壓場強(qiáng)是有一定限度，因此在超高壓測量時(shí)需要采用電容分壓的方法，電容器的性能將影響測量準(zhǔn)確度。六、 結(jié)束語 光電電流、電壓互感器已經(jīng)不是采用電磁學(xué)中的“互感”概念。此處的“互感器“名詞已經(jīng)是詞不達(dá)意。應(yīng)稱為光電電流、電壓測量傳感器。由于這種測量裝置體積小、重量輕、動態(tài)測量范圍大、無磁飽和現(xiàn)象、頻響應(yīng)快