光电式电流互感器的发展与应用

为了提高电力网电力系统的自动化程度，减小电力网变电站的占地面积和建筑空间，满足“数字化、光纤化、智能化、一体化”的要求，新型的光电式电流互感器将取代传统的电磁式电流互感器。该文阐述了光电式电流互感器的分类、特点和应用情况。

关键词：光电式电流互感器；磁光效应

随着电力网电力系统的发展，电力网发电和输电力网变电容量的不断增加，为了提高电力系统的自动化程度，减小变电站的占地面积和建筑空间，现在设计的电流互感器必须满足“数字化、光纤化、智能化、一体化”的要求。数字化是指要尽量淘汰传统的模拟信号的指针式读数盘，而采用数字式的仪表，减小测量中因读数而引起的人为误差。光纤化是指在测量系统中，大力提倡光纤的使用，减小电磁场对测量结果的影响。智能化是指加大微机和网络在电气测量中的运用，赋予互感器一定的自我判断和识别能力，这主要是在外围的电路上作一些改进及在软件上的优化。一体化是指将多相电流互感器甚至是多相电流互感器和电压互感器做成成套设备，这样可以节约大量的人力、物力。

针对电力网电力系统的发展趋势可以预测，在不久的将来，传统的电流互感器将逐步地淡出电力系统，新型实用的产品将取而代之，光电式电流互感器就是其中的代表，它完全可满足上述的要求。

1 光电式电流互感器的分类

基于磁光效应的光电式电流互感器发展到现在，按其原理与结构可分为有源型、无源型及全光纤型三类。

1.1 有源型

有源型光电式电流互感器就是高压侧电流信号，通过采样线圈将电信号传递给发光元件变成光信号，再通过光纤传递到低压侧，进行逆变，变换成电信号后放大输出。高压侧电子器件的电源来源于光供电方式、母线电流供电方式以及超声电源供电方式。其结构如图1所示。有源型是较早期的结构，其优点是结构简单，稳定性好，可靠性高。其缺点是取样信号顶部结构复杂。

图1 有源型光电式电流互感器结构
1.2 无源型

无源型光电式电流互感器的传感头不需要供电电源。传感头一般用法拉第磁光效应原理制成，处于低电位的光源发出的偏振光经光纤传到高压侧，并通过处于被测电流产生的磁场中。偏振光的偏振面在磁光玻璃中发生旋转，即电流信号偏振调制光波。带电流信号的光波经光纤传到低电位侧，经光-电变换后放大输出。其结构如图2所示。无源结构的优点是结构简单，且完全不采用传统的电磁感应元件，无饱和问题，充分发挥了光电式电流互感器的特点，尤其是高压侧无源电子器件，无温度稳定问题，互感器运行寿命容易保证。其缺点是光学器件制造难度大，测量的高精度难以达到，且长期稳定性不高。


图2 无源型光电式电流互感器结构
1.3 全光纤型

全光纤型光电式电流互感器实际上也是无源型，只是传感头是光纤本身制成，其余与无源型完全一样。其结构如图3所示。全光纤型光电式电流互感器的优点是传感头结构简单，比无源型易于制造，精度、寿命与可靠性比无源型要高。缺点是这种互感器的光纤是保偏光纤，比有源型和无源型两种互感器所采用的普通光纤品质较高，要制造出高稳定性的光纤很难，工艺要求高，且造价昂贵。


图3 全光纤型电流互感器结构
2 光电式电流互感器的优点

光电式电流互感器不用铁芯做磁耦合，因此消除了磁饱和及铁磁谐振现象，互感器运行暂态响应好，稳定性高，保证了系统运行的高可靠性。

电磁感应式电流互感器二次回路不能开路，低压侧存在因开路而引起的高电压隐患。光电式电流互感器的高压和低压之间只存在光纤联系，而光纤具有良好的绝缘性能，因此可保证高压回路与二次回路在电气上完全隔离，低压侧不存在因开路而产生高压的危险。同时因没有磁耦合，消除了电磁干扰对互感器性能的影响。

电网正常运行时，电流互感器流过的电流并不大，但发生短路时，短路电流非常大。电磁式电流互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量并在一个通道同时满足高精度计算和继电保护的需要。而光电式电流互感器有很宽的动态范围，过电流可达几万安培。

频率响应范围宽。光电式电流互感器可以测量出高压电力网">电力线路上的谐波，而电磁式电流互感器难以进行这方面的工作。

不存在因充油而产生的易燃、易爆等危险。

绝缘性能好，造价低。电磁式电流互感器绝缘结构复杂，电压等级越高，造价越高。光电式电流互感器中采用由绝缘材料做成的玻璃光纤，结构简单，造价低。

体积小，重量轻，运输和安装方便。

适应了电力网">电力计量与保护数字化、微机化和自动化的发展的潮流。

3 光电式电流互感器的应用现状

1994年ABB公司推出有源型光电式电流互感器，其电压等级为72.5～765kV，额定电流为600～6000A。日本除研究500kV、1000kV高压电网计量用的光电式电流互感器外，还进行500kV以下直到6.6kV电压等级的GIS用光电式电流互感器。我国在这方面也取得了一定进展，特别是近几年，在吸收国外经验的基础上，已有部分厂家生产光电式电流互感器。

光电式电流互感器可以代替体积大而笨重的传统型电流互感器，并与断路器组合成一体，从而实现设备的小型化、一体化。

在高压直流电力网">输电方面，直流测量用光电式电流互感器较之传统型的电流互感器有更大的优势，其重量仅为同等级的直流电流互感器的1/40，无电磁干扰和铁磁损耗，并与电力网">电力自动化系统的网络兼容。例如我国三峡至常州500kV直流输电系统就使用了ABB公司的光电式电流互感器，用于线路的直流电流及谐波电流、交流侧不平衡电流、桥臂电流等的测量。

除了在电网中使用外，光电式电流互感器还可做成类似钳形表式的结构，方便移动，用于测量高压电网中不同地点的电流。也可测量高频电流。

4 结束语

目前国内在光电式电流互感器的研究方面，特别是高电压等级上还面临一些问题，如温度和应力引起的双折射现象及其降低方法，长期运行时的稳定性和精度方面还需要更进一步的试验和现场考验。

综上所述，光电式电流互感器有着传统电磁式电流互感器无法比拟的优点，是电磁式电流互感器理想的替代品，将会使互感器技术进入一个崭新的时代。