光电互感器技术分析

摘要：光电互感器以光电子技术和光纤传感技术基础，以更优越的性能来适应现代电力工业对电压等级以及电流质量的不断提高，它逐渐取代着传统的电磁式互感器，包括光学电流互感器（OCT），光学电压互感器（OVT）和组合式光电互感器。本文主要介绍了光学电流、电压互感器的工作原理，现存问题以及目前的解决方法，光电互感器在现代电力工业中的部分应用，并展望了光电互感器的发展趋势。

关键词：光电互感器；罗夫斯基线圈；泡克而斯效应；法拉第效应

中图分类号：TP183文献标识码：Adoi:10.3969/j.issn.1003-6970.2010.10.006

The Analysis of Optical Transformer Technology

Lv PengHuang YuanliangJin Zhuoyun

(Electric automatization institute of Jinan University, Zhuhai,519070)

Abstract：Optical Transformer bases on Photonics technology and optical fiber sensing technology, it is fit for the constantly developing and progressing of the voltage degree and current quality in electrical industry due to its perfect performance. In addition, it will take the place of traditional transformer gradually. Optical transformer is constituted of Optical Current Transformer, Optical Voltage Transformer and the Combined Optical Transformer. This paper mainly introduces the principle, current problems, solutions and the usage of Optical Transformer, and prospecting the future develop trend.

Key words: Optical Transformer; Rogowski coil; Pockels effect; Faraday effect

1．引 言

光电互感器是利用光电子技术和光纤传感技术来实现电力系统电压、电流测量的新型互感器它是光学电压互感器、光学电流互感器、组合式光学互感器等各种光学互感器的通称。随着电力工业的不断发展，电网电压等级的不断提高，电力工业对电压、电流的测量要求也在不断提高。互感器作为输电线路中最基本最重要的检测设备，其暴露出来的一系列缺点迫使一种安全、可靠、理论完善性能优越的新方法来实现高电压和高电流的测量。基于光学传感技术的光学电流互感器（Optical Current Transformer, OCT)和光学电压互感器（Optical Voltage Transformer, OVT)能有效地克服传统电磁式互感器所固有的缺点，同时更适应电力系统的智能化，并为计算机高速网络在实时系统中的开发利用，为变电站信息的采集、传输实现数字化处理提供了条件。光电互感器的诸多优点，近三十年来引起了世界各国的关注，尤其美国、法国、日本和中国的学者和工程技术人员都进行了深入的研究。

2.光电互感器的产生与历史

早在20世纪60十年代，国外的诸多电气公司就开始了对光电互感器的相互研究，最早研制成功的是美国的西屋电气公司。但当时研制的基于法拉第光效应（电流互感器）和电光效应（电压互感器）的光电互感器还仅仅是纯光学式的光电元件，他受到温度限制无法达到户外环境下0.2级精度的要求。到了60年代，在世界范围内兴起了对光电式电流互感器应用的研究，70年代一度形成高潮，但当时仍处于初级阶段，温度等影响仍未得到较好的解决，精度比较低。直到上世纪80年代，随着电子技术的飞速发展，光电子技术、PC微机、单片机及数字处理器技术的兴起与成熟，为研制出高性能的光电互感器奠定了坚实的基础，电子式光电互感器得以研制成功，并逐渐开始投入使用。

1992年ABB公司的光电互感器在巴西电力系统投入应用，至今运行良好。SIMENS、ALSTOM等公司也相继研制成功并投入运行。到2000年，ABB公司已经研制出可用于69kV到765kV电压等级的光电电流互感器，测量电流范围为5A~2000A，准确度达到±0.2%。同时，他们研制了用于GIS中的复合电子式电压、电流互感器，电流测量范围为5A~2000A，电压测量范围为69~500kV，准确度都达到±0.2%，电压测量是直接使用电容环测量，不用分压器。法国的Alstom公司利用Faraday效应研制了一套电子式电流互感器，在-30~50℃的范围内准确度达到±0.2%。

我国最早对光电互感器的研究是在20世纪80年代的一些大学进行的，当时也是以光学式的光电互感器为研究方向，目前已改为主攻电子式的光电互感器。尽管一些高科技公司的某些产品已经进入挂网试运阶段，但是对光电互感器的研究仍处于初级阶段，与国外还有一定的距离。国内许多科研机构和大专院校的研究人员也正致力于新型光电互感器的研究，从事这方面的主要研究单位有清华大学、华中科技大学、上海大学、西安同维公司、广州伟钰光电科技有限公司等，经过几年的努力，研制工作已逐步向实用化阶段发展。光电互感器的高压以及电气绝缘特性使得它更加适合我国电力工业的发展，在将来的超高压以及特高压系统中将发挥巨大的作用。

3. 光电互感器的工作原理及其分类[1]

简单的来说OCT工作原理是Faraday磁光效应，OVT工作原理是Pockels线性电光效应，光学电流传感头和光学电压传感头位于绝缘套管的高压区，控制室内的发光二极管发出光信号经绝缘材料制成的光缆传输至两个传感头，经高压母线和电压调制后，光信号又经光缆从高压区传输回主控室，最后经光电转换、数据采集和信号处理系统得出被测电流、电压信号。根据高压部分是否采用有源器件将光电互感器分为两类：高压部分不采用有源器件的称为无源型光电电流（电压）互感器，采用有源器件的称为有源型光电电流（电压）互感器。

3.1 有源型OCT工作原理[2]

有源型OCT又称混合式光学电流互感器，它的原理是利用有源器件调制技术,把罗夫斯基线圈测量出的信号经过积分运算得出电流模拟信号,模/数转换(A/D)电路将积分器输出的信号转换成数字信号,然后通过电一光转换装置将电信号转换成光信号,再通过光纤传输。到互感器低压侧信号处理电路,有源型OCT原理示意图如图1所示。

有源型OCT的关键部件为罗夫斯基线圈及积分器。罗夫斯基线圈是一种绕制在非磁性骨架上的空心线圈,具有精度高、稳定性好、抗干扰能力强、动态范围宽、体积小、重量轻、造价低廉、线性度好等一系列优点。其工作原理如图2所示。

罗夫斯基线圈直接套在被测量的导体上,从而导体中流过的交流电流在导体周围产生一个交替变化的磁场,从而在线圈两端感应出一个与电流变化成比例的交流电压信号e(t):

其中,di/dt则是电流的变化率, 而L为线圈的电感,i(t)为还原电流,通过对交流电压信号积分并运算得出所要测量的电流值,其数学表达式为:

有源型OCT的传感器和A/D转换部件是需要电源供电的,目前常用的供能方式主要有利用特制电流互感器(CT)或电容分压器从母线上取电能,激光供能,太阳能供电及蓄电池供电等。

3.2 无源型OCT的工作原理

无源型OCT与有源型OCT不同,其传感器部分无需电源供电。无源型OCT以法拉第磁光效应理论为基础,其实质是光波在通过磁光材料时,电流产生的磁场使光波在通过磁光材料时其偏振面会发生旋转,测量其旋转角度的大小即可确定被测电流。法拉第旋转角θF的表达式为：

其中,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为光路长度线；μ0为磁导率；N为绕载流体的光圈数；I为被测电流。

无源型电流互感器的存在问题是其本身的光学系统折射效应随环境因素而变化,光学传感头中存在着各种形式的双折射,影响了整个系统的精度和稳定性。

3.3 有源型OVT工作原理

有源型OVT的传感头部分仍采用传统的传感技术,即电容分压技术。如图3所示,被测对象通过电容分压测量单元后形成一较低的电压,刀转换单元对电容分压测量单元的输出信号进行模拟量与数字量的转换,形成光电信号,由于电容分压测量单元和A/D转换单元都需要供电模块提供工作电源,有源型OVT的名称由此而来。

有源型是当前挂网运行时间最长而且最为常见的光电电压互感器,一方面其原理相对简单,与传统的电压互感器结构相近,容易实现另一方面其生产成本较低,便于制造。但是这种型式的光电互感器只是把传感器的模拟信号转换为光电信号,不是真正意义上的光电化产品,它一方面没有充分体现光学传感的优越性,另一方面电容分压器的长期运行会引进额外的测量误差,因此具有一定的局限性,是一种为了实现光电信号传输的过渡性产品。

3.4 无源型OVT

无源型的原理是将高电压直接加在电光晶体上,应用先进的光学传感原理一效应来测量电压的全光纤型光电电压互感器“泡克尔斯效应”是描述电场对透明晶体影响的电光效应,某些透明的光学介质也称压电晶体在外加电场作用下,晶体将变为各向异性的双轴晶体,从而导致其折射率和通过晶体的偏振光特性发生变化,产生双折射,使一束光变为两束相位不同的直线偏振光。图4为无源型的原理图,一束线性偏振光照射到压电晶体表面时分裂成振动方向相互垂直的两束光,其相位差大小与所加电压和材料有关。

双折射后两束偏振光的相位差可用以下公式计算：

其中：U=Usinωt,λ为入射光波波长；n0为晶体的折射率孔, γ41为晶体(BGO)线性电光系数口为被测电压是电压幅值。ω是角频率。

通常利用偏光干涉的方法将转变为输出光强的变化来检测它,利用1/4波片使两束光的相位差增加90°,总的相位差为δ+π/2。出射光强可以表示为：

其中,I0是入射光强,U0为半波电压。

可见,利用出射光强和电压的关系,通过光电变换和信号处理就能得到被测电压。

3.5 光学组合式互感器工作原理

光学组合式互感器是基于电光晶体的Pockels效应和磁光玻璃的Faraday效应研制出的可以同时测量高压输电线电流及电压的组合式互感器。它绝缘结构简单，电压测量与电流测量间无相互干扰。非线性误差小于0.3%，在24～33℃温度范围电压传感器24h内的波动在±0.3%内。

4.光电互感器的优点[3]

与常规的电磁式互感器相比较,光电互感器的突出优点是：

(1)高低压完全隔离,安全性高,具有优良的绝缘性能和优越的性价比

由于光电互感器是通过由绝缘材料制成的光导纤维将高压信号传输到二次设备，巧妙的避开了传统互感器绝缘性能差的缺点，大大简化了绝缘结构，节省资源的同时，提高了互感器电气绝缘性能。它的适合高压的特性使它在不断提高电压的电力工业中显示出越来越高的性价比。利用光缆代替电缆作为信号传输工具,又实现了高低压的彻底隔离,不存在电压互感器二次回路短路或电流互感器二次开路给设备和人身造成的危害,安全性和可靠性也大大地提高。

(2)没有铁芯,不存在磁饱和铁磁谐振等现象

光电互感器在原理上与传统互感器有着本质的区别,它一般不用铁芯完成磁藕合,因此,不存在传统互感器磁饱和及铁磁谐振现象,使得互感器运行暂态响应好,稳定性好,确保了系统运行的高可靠性。

(3)功能齐全，可靠性高

光电互感器能不但可以用于电压电流测量，还可以用作保护功能。不必使用多个不同用途的铁芯线圈,便可同时满足计量和继电保护的需要,同时还可以将电压、电流组合在一起,构成组合式光电互感器。这些对于传统互感器是无法达到的。目前,光电互感器的测量精度最高可以达到0.2级和0.2S级。

(4)频率响应宽，动态范围大

光电互感器传感头部分的频率响应取决于光纤在传感头上的渡越时间,实际能测量的频率范围主要决定于电子线路部分。光学传感部件已经用于测量高压电力线路上的谐波和脉冲暂态电压。

(5)没有因充油而潜在的易燃、易爆等危险

由于光电互感器的绝缘结构相对简单,一般不采用油作为绝缘介质,不会引起火灾、爆炸等危险.

(6)体积小、重量轻、减少占地面积

因无铁芯及绝缘油等，光电互感器的重量一般只有电磁式CT、VT重量的1/10，且体积小，占地面积小，便于运输和安装。

(7)无污染、无噪音，具有优越的环保性能

由于光电互感器中信号是通过光来传输的,因此不会产生噪音、电磁波等污染源,同时,可采用硅橡胶绝缘子和SF6气体作为绝缘介质,替代传统的磁套绝缘子和绝缘油,甚至可以做成无油无气的OCT,这样可大大降低这些配套设备生产过程中带来的环境污染,具有优越的环保性能。

(8)适应了电力系统数字化、智能化和网络化的需要

光电互感器可以根据需要输出低压模拟量和数字量,这可直接用于微机保护和电子式计量设备,而且能实现在线检测和故障诊断,在变电站综合自动化中具有明显的应用优势。综上所述,光电互感器以其优越的特性以及明显的经济效益和社会效益,使得它在电力工业中占据了一席之地，同时对于保证日益庞大和复杂的电力系统安全可靠运行,并提高其自动化程度具有深远的意义。光电互感器是世纪电力系统的更新换代产品,尽快使其实用化已经成为电力系统发展的迫切需要。

5.光电互感器的缺点及目前的改进方法

5.1OCT的缺点[4]

根据我国第一台OCT挂网运行数据显示，在小电流时OCT输出的读数波动较大，线性度较差，准确度也略超出计量要求。一方面是由于小电流引起的法拉第旋转角非常小，有限的传感器灵敏度导致被测信号被噪声所淹没；另一方面机械振动、温度变化以及由于光纤偏振特性等因素使得输出光强的变化，降低了检测的灵敏度，不过可以通过检测电路的交直流分离等办法消除此影响。然而对于有两种特殊情况会使光强发生很大的变化，因而会对测量产生很大的影响：1.光强波动较快时，直流通道的响应时间远远慢于交流通道,采用交流除以直流的方法明显存在不同步的问题2.当光强急剧下降衰减而超过PIN光电管的探测灵敏度时,OCT无法正常工作。

5.2OCT的改进方法

针对以上诸多影响光电互感器的不利因素，我国许多研究人员做了大量的工作，并取得了一定的成果。

降低温度影响：为了克服温度对互感器带来的影响，清华大学对种8国产光学玻璃磁光系数和温度特性进行了深入的研究，ZF6在降低温度影响方面最能满足OCT的要求。

提高系统抗外场干扰能力：在提高系统抗外场干扰方面有几种方法，改进由Sato等人提出的双正交反射方案，将原光路设计中的第三角上第一次反射由向上改为向下（见图4），使传感头内光路在小载流导体平行及垂直的两个面上的投影形成闭合回路来改善系统抗外场干扰能力。相比而言，镀膜技术在此方面具有的优点是简化传感头使之易于加工，同时光路在任何平面内的投影均及接近完全闭合，传感头厚度比双正交反射方案减小一半以上。目前的保偏膜有两种：多层介质膜和单层介质膜，多层介质膜可以有效的解决相移问题，但对传感头的加工与安装需十分精细，单层介质膜在具有镀膜技术的共同有点之外，相比多层介质膜，更节省膜材料和膜加工所需时间，但此方法对膜厚度的控制要求更高的镀膜工艺。利用多模光纤的消偏与消除相干扰性能，同时结合选用低相干光源，可以有效的一直有振动引起的光线中的噪声干扰。

Rogowski线圈在OCT中的应用：Rogowski线圈能够很好的解决以上由于温度、外场以及振动引起的光电互感器灵敏度以及准确度降低等问题。国内外都已有0.2级Rogowski线圈，清华大学开发了以DSP为核心，集合光纤、通信、微机技术的实用化设计方案。OCT集电流测量和谐波分析于一体,同时还提供远程计算机接口和继电保护接口。试验表明,此种结构简单、安装方便、抗干扰能力强和准确度高（优于0.5%）。

5.3OVT的缺点

光电电压互感器晚于光电电流互感器，经过各国的不断努力，在理论上和技术上都取得了很大的进展，与光电电流互感器类似，光电电压互感器也遇到了温度影响稳定性问题，和长期运行的可靠性问题。其中运行环境的温度变化是影响光电电压互感器稳定性和可靠性的重要因素。

5.4OVT的改进方法

目前主要采用双光路检测技术来消除热力效应对光电电压互感器的温度稳定性的影响，但是仍然存在无法改变晶体的热光效应。晶体的热光效应使得互感器在工作温度范围内的准确度只有2.1%，距离实用所需的1%要求还有一段距离。为了避免因晶体的旋光性和自然双折射会直接对光波引入的附加相位差，目前一般选用立方晶体的BGO材料，它稳定性好，无旋光性和自然双折射。研究发现，BOG晶体的纯度越高，光电电压互感器的稳定性越好。对于光源发射的光波波长由温度影响而造成的系统稳定性减弱情况，采用软件补偿技术消除波长变化的影响，明显的提高了光电电压互感器的稳定性。通过对光线受到振动和其他机械扰动产生线性双折射，且单模光纤产生噪声更为严重的现象发现，光线的芯径越大，噪声越小，通过使用低相干光源和线偏振光沿光纤的偏振轴输入，来达到有效抑制噪声对系统稳定性带来的严重影响

6. 光电互感器在电力工业中的应用[8]

基于西昌地区多高耗能用户,该类用户的电炉设备功率大,负荷波动大,产生大量大功率低次谐波污染,同时冲击电流造成电磁式互感器铁心饱和,有可能造成继保误动作,并使二次电流、电压产生畸变,影响计量的准确性等情况，2006年4月，安装了35kV数字式光电互感器及其保护和计量装置及其二次系统的设计、安装、运行和运行效果的对比分析,来为西昌地区寻找一条可靠先进的电网技术革新之路。将该组光电互感器安装于一个对电铁及高耗能工业园区供电的110kV变电站内一条35kV出线间隔,该线路对冶炼企业供电,日均负荷为1.2万KW。该线路原装有电磁式电流互感器,准确级0.2级。35kV母线电压互感器亦采用JDJJ2-35型电磁式电压互感器。在出线间隔安装了一组组合式光电电流电压互感器,并装配一套线路保护和一块具有光纤以太网接口的电能表,以便将光电互感器的采集数据与电磁式互感器采集的模拟量在数据采集、电量及所接保护功能等方面进行对比。同时,南自厂在合并器报文读取中加进了谐波分析部分,采集了当地的谐波污染情况。截止2007年的数据显示，该组光电互感器运行状况良好。

母线保护由于其保护特殊性,需要接入大量的交流量。基于OET700数字式光电互感器的母线保护采用光纤接入来自多个合并器的电流量、电压量。开入量(接入母线保护的隔离刀闸辅助接点、失灵启动开入节点等)和开出量(包括出口跳闸接点、信号接点等)则仍采用传统的输入输出方案,如图2所示。

若一次系统采用光TV,则电压模拟量同电流输入类似。若采用光TA与传统电磁式混用则通过合并器进行采集一并打包给保护。在技术成熟条件下,开关量输入、开关量输出也可通过光纤进行传输,以实现整个变电站全部设备的数字化。

同传统的微机母线保护一样,基于光电互感的母线保护配置以下保护:差动保护、母联失灵保护、母联死区保护、母联充电保护、母联过流保护、母联非全相保护、断路器失灵保护、复合电压闭锁等。所有保护功能均为逻辑图设计,保护流程可视化、图形化、模块化。可根据系统接线要求进行选择配置,配置和维护方便灵活。

7. 光电互感器的发展趋势

随着电力系统智能化、数字化的产生和发展，人们对所采集数据的准确度要求越来越高，新型的OCT都将向着灵敏度更高的方向发展，同时更简单更节约能源。全反射结构的OCT比相同尺寸的金属膜结构OCT的输出响应更加灵敏。全光纤结构的OCT将是未来发展的方向，目前，日本已经开发出0.3级的全光纤OCT。

光电电压互感器的主要发展方向也是新型全光纤OVT，因为不论从稳定性准确性以及能源的节省和环境的保护方面，它都较传统电压互感器有很大的优势。采用石英晶体和光纤作为敏感元件，通过光纤来检测和传输信号，生产工艺更为简单，不再需要自动聚焦透镜、起（检）偏器、波片、电光晶体等光学元件，节省资源的同时提高了系统的稳定性。全光纤OVT的诸多有点引起了广泛的关注，在光电互感器方面起领头作用ABB公司已经开发出类似的产品，我国很多高校也投入了积极的研究。

8. 结 语

经过三十余年的发展，国内的光电互感技术不断进步。但是相比于国外上世纪60年代就开始研究，90年代就开始挂网运行并将产品推广到市场还有很长的一段路要走。随着现代电力工业对电压级别、电流强度要求的不断提高，光电互感技术作为一种新技术越来越引起研究人员的关注。电力系统的数字化、智能化、网络化也都促进了光电互感技术的快速发展。当然光电互感技术目前还存在着很多问题，但随着测量要求逐步提高，测量技术的逐渐成熟，光电互感技术必定有着非常广阔的发展空间。光电互感器将作为下一代互感器的主流产品，其不可替代的技术优势和价格优势已经凸现出来，随着当前光电互感器的市场化进程，必将带来电力系统测量、保护和监控的革命性变化。

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作者简介:吕鹏，1987- 男，内蒙古赤峰市人，光电互感技术原理以及准确性方法的研究。黄元亮，1963- 男，湖南永顺人，博士，副教授，主要从事牵引供电电能质量和定性推理等领域的研究。

注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”