浅谈数字化变电站中的光电互感器

数字化变电站就是将信息采集、传输、处理、输出过程完全数字化的变电站。全站采用统一的通讯规约构建通信网络，保护、测控、计量、监控、远动、VQC等系统，均用同一网络接收电流、电压和状态信息，各个系统实现信息共享。常规综自站的一次设备采集模拟量，通过电缆将模拟信号传输到测控保护装置，装置进行模数转换后处理数据，然后通过网线上将数字量传到后台监控系统。同时监控系统和测控保护装置对一次设备的控制通过电缆传输模拟信号实现其功能。数字化变电站一次设备采集信息后，就地转换为数字量，通过光缆上传测控保护装置，然后传到后台监控系统，而监控系统和测控保护装置对一次设备的控制也是通过光缆传输数字信号实现其功能。

随着电力工业的不断发展，电网电压等级的不断提高，对电压、电流的测量要求也在不断提高，而互感器作为连接高压与低压的一种电器设备也不断地改进和发展，其中对于衡量互感器先进与否的一个重要指标就是互感器的绝缘问题。对于传统的电磁式互感器来说，由于绝缘成本随着绝缘等级的升高成指数增长，因此原有的空气绝缘、油纸绝缘、气体绝缘和串级绝缘已经不能满足超高压设备的绝缘要求，同时传统互感器存在磁饱和的问题，造成继电保护装置的误动或拒动，而且铁磁谐振、易燃易爆及动态范围小等缺点一直是传统互感器难以克服的困难。于是，各种针对高电压、大电流信号的测量方法便应运而生，其中，基于光学和电子学原理的测量方法，经过近三十年的发展，成为相对比较成熟、最有发展前途的一种超高压条件下的测量方法。

光电互感器指输出为小电压模拟信号或数字信号的电流电压互感器。由于模拟输出的光电互感器仍存在传统互感器的一些固有缺点，现在发展的高电压等级用光电互感器一般都用光纤输出数字信号。光电互感器与传统互感器外形相似，但体积小，重量轻，主要由传感头、绝缘支柱和光缆三部分组成。①传感头部件有罗科夫斯基线圈、采集器、A/D转换器和光发生器LED。工作原理是由罗科夫斯基线圈从一次传变信号，采集器采样后，AD转换器转换为数字信号，由LED转换为光信号，通过光缆送回主控室。罗科夫斯基线圈一般有保护、计量和测量、能量线圈，罗科夫斯基线圈形状是空心螺线管，无铁芯，填充非晶体材料，主要起支撑作用。②绝缘支柱采用硅橡胶绝缘子，内部填充固态硅胶，起到支撑、绝缘和固定光缆作用。③光缆分为数据光缆和能量光缆，从传感头通过绝缘支柱内部引下，送回主控室。④能量问题。传感头部件的电源是光电互感器的难点之一。传感头部件（采集器、A/D转换器和光发生器LED）使用微功耗装置，功率30毫瓦。

光电互感器可分为两种型式。一种是用磁光效应和电光效应直接将电流电压转变为光信号，一般称无源式；另一种是用电磁感应或分压原理将电流电压信号转变为小电压信号，再将小电压信号转换为光信号传输给二次设备，一般称有源式。无源式由于存在稳定性和可生产性较差、电子回路复杂等问题，现在主要处在实验室阶段，推广运用还有待时日。有源式的难点是提供高压端需要的工作电源，但随着激光供能和高压取能技术的突破，已得到根本上的解决。光电互感器传感头部件的能量来源有两种途径。一是从一次取能，由能量线圈感应出电流来提供能量；当一次电流太小，不足以提供能量时，使用能量光缆，由户内激光发生器通过光缆上送能量。两种方式可互为备用，自动切换。

相对于传统的电磁式互感器，光电互感器有明显的优点：
（1）在高电压、大电流的测量环境中，光纤或光介质是良好的绝缘体，它可以满足高压工作环境下的绝缘要求；
（2）没有传统电流互感器二次开路产生高压的危险，以及传统充油电压、电流互感器漏油、爆炸等危险；
（3）不会产生磁饱和及铁磁共振现象，它尤其适用于高电压、大电流环境下的故障诊断；
（4）频带宽，可以从直流到几百千赫，适用于继电保护和谐波检测；
（5）动态范围大，能在大的动态范围内产生高线性度的响应；
（6）适应了现在电力系统的数字化信号处理要求，它还可用于以保护、监控和测量为目的高速遥感、遥测系统；
（7）整套测量装置结构紧凑、重量轻、体积小；
（8）各个功能模块相对独立，便于安装和维护，适于网络化测量。

由于光电互感器的诸多优点，光电互感器取代传统互感器将只是一个时间问题。国际上，光电互感器已逐步成熟，正已越来越快的速度推广运用。其中ABB、西门子等公司生产的光电互感器已有十几年的成功运行业绩。采用光电互感器的数字化变电站在欧洲也已经投入运行。我国光电互感器的研制和运用相对比较落后，仅有为数不多的变电站使用了一些进口的光电互感器。国内有二十余家企业和高校涉足了光电互感器的开发，经过多年的努力，已有若干套设备在现场试运行。

我国在有源式光电互感器的研究已走在无源式的前面，有的产品已在多个变电站试运行近一年的经验，运行情况良好，可满足保护和计量的要求，并通过了部级鉴定，达到国际先进水平。同时国内的二次设备制造商开发了可与光电互感器直接接口的数字接口继电保护装置、数字接口电能表等二次设备，为光电互感器的实际应用提供了基础。

光电互感器目前存在的问题对电能计量方面的影响：

（1）由于处在研究开发中，光电互感器性能仍不稳定。对于电能计量来说，光电互感器的稳定运行是保障计量准确的前提，尤其是一些在变电站计费的电能表，更加不能忽视光电互感器的性能稳定性。

（2）温度对光电互感器的精度有较大的影响。电能计量是对精度要求较高的专业，其对精度的要求往往要高于其他专业。而绝大多数的光电互感器均是装设在户外，南方春秋两季夜晚与白天温差较大，不可避免的对电能计量带来一定影响。

（3）电子互感器在A/D转换的过程中存在较大的角度误差。在光电互感器对采集到的模拟量转换为数字量的A/D转换中，会带来较大的角度误差，从而对电能计量的计量准确性又带来了一定的影响。

（4）与光电互感器相匹配的电能表必须具有国家法定计量检定机构的认证。由于光电互感器的结构特殊性，必须要采用与之相匹配的电能表进行计量，原先的电能表均无法实现计量功能，为此就出现了一个新的问题，新型的电能表作为一种“新”计量工具，按照国家法规就必须有具有国家法定计量检定机构的认证，因此新型电能表的认证也是必不可少的。