光电式电流互感器的开发与应用21世纪互感器技术展望

光电式电流互感器的开发与应用21世纪互感器技术展望

乔峨 安作平 罗承沐 王廷云

摘要：概述了光电式电流互感器的结构、原理和优点，展望了光电式电流互感器的发展前景。

关键词：光电式电流互感器；技术开发；展望

Development and Application of Optical Current Transformer:

Looking Forward for Instrument Transformer Technology in 21st Century

QIAO-E, AN Zuo-ping

(Shenyang Shenbian Instrument Transformer Manufacture Co., Ltd., Shenyang 110025, China)

LUO Cheng-mu, WANG Ting-yun

(Electric Engineering Department of Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract：The structure, principle and its advantages of optical current transformer are presented. The prospect of optical current transformer is looked

forward.

Key Words：Optical current transformer; Technical development; Prospect

1 前言

自1884年变压器问世以来，经历了一个多世纪，电磁式变压器类输变电设备得到了充分的发展，其中电流互感器以干式、油浸式和气体绝缘式多种结构适应了电力建设的发展需求。然而，随着电力传输容量的不断增长和电网电压的提高，传统的电磁感应式结构已逐渐暴露出与之不相适应的弱点。如油浸式或气体绝缘式等结构，对于500kV及以上电压等级的互感器，其制造工艺的复杂性、可靠性及造价都将令人难以接受，而且电磁式电流互感器所固有的磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、使用频带窄等则更难以满足电力系统发展的要求。因此，寻求更理想电流互感器的任务已摆在我们面前。在科技较发达的国家，目前都已把注意力集中到光学传感技术上，应用光电子学的方法来解决电磁式互感器上述的弱点，这就是所谓的光电式电流互感器(Optical current transformer，简称OCT)。20世纪60年代以来，光电式电流互感器从原理性研究，到实验室样机乃至到近几年来的挂网试运行，经历了半个世纪的发展。估计再经过10年左右的时间，光电式电流互感器将全面走向工业运行。因此，21世纪，光电式电流互感器将使互感器技术进入一个崭新的时代。本文探讨性地介绍了光电式电流互感器的结构、原理和优点，并展望了光电式电流互感器的发展前景。

2 光电式电流互感器的优点

与传统的电磁感应式电流互感器相比，光电式电流互感器具有如下一系列优点：

(1)优良的绝缘性能，造价低

电磁感应式电流互感器高压侧与二次侧之间通过铁心磁耦合。它们之间的绝缘结构复杂，其造价随电压等级呈指数关系上升。在OCT中，高压侧信息是通过由绝缘材料做成的玻璃光纤而传输到低电位的，其绝缘结构简单，造价一般随电压等级升高呈线性地增加。

(2)不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题

现代光电式电流互感器，一般不用铁心做磁耦合，因此消除了磁饱和及铁磁谐振现象而使互感器运行暂态响应好、稳定性好，保证了系统运行的高可靠性。

(3)抗电磁干扰性能好，低压侧无开路高压危险

电磁感应式电流互感器二次回路不能开路，低压侧存在开路高电压危险。由于光电式电流互感器的高压与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，低压侧没有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。

(4)暂态响应范围大，测量精度高

电网正常运行时，电流互感器流过的电流并不大，但短路电流越来越大。电磁感应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量和继电保护的需要。光电式电流互感器有很宽的动态范围，一个测量通道额定电流可测到几十安培至几千安培，过电流范围可达几万安培。因此既可同时满足计量和继电保护的需要，又可免除电磁感应式电流互感器多个测量通道的复杂结构。

(5)频率响应范围宽

光电式电流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。现代光电式电流互感器的结构已经可以测出高压电力线路上的谐波。而电磁感应式电流互感器是难以进行这诸多方面工作的。

(6)没有因充油而产生的易燃、易爆炸等危险

电磁感应式电流互感器一般采用充油办法来解决绝缘问题，这样不可避免地存在易燃、易爆炸等危险。而光电式电流互感器绝缘结构简单，可以不采用油绝缘，在结构设计上就可避免这方面的危险。

(7)体积小、重量轻

OCT的传感头本身的重量一般小于1kg。据美国西屋公司公布的345kV OCT，其高度为2.7m，重量为109kg。而同电压等级的充油电磁感应式电流互感器高为6.1m，重量达7 718kg，这给运输与安装带来了很大的方便。

(8)适应了电力计量与保护数字化、微机化和自动化发展的潮流

光电式电流互感器一般以数字量输出，这将最佳地适应日趋广泛采用的微机保护、电力计量数字化及自动化发展的潮流。

当然，目前光电式电流互感器还存在加工要求高、对温度和振动比较敏感等问题需要克服。

综上所述，光电式电流互感器有着传统电磁感应式电流互感器无法比拟的优点，是传统电流互感器较为理想的替代产品。因此，主要发达国家竞相投资研制，已成为电流互感器研究的一个热点。

3 国内外对光电互感器的研究现状

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/电压互感器的研究人员大约有150人，近20个课题组。其中成就最突出的是美国，其次是日本。

美国有许多大电气公司都已介入，各自在1982年左右成立课题组。目标是：161kV,345kV,500kV,20～4000A，ANSIC57标准0.5级，0.3级，以Farady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、德国的有关研究与资料，急起直追地推进OCT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，终于实现了1986～1988年161kV的继电保护的挂网运行成功。1990年9月，以ABB、T & D名义刊登出世界上第一份“磁光电流互感器”的广告及有关简介。

日本除研究500kV、1 000kV高压电网计量用的OCT外，还进行500kV以下直到6 600V电压等级的GIS用的或者零序电流、电压互感器使用的光学CT/PT的研究。三菱公司的伊丹工厂制造的6.6kV、600A的组合式光学零序电流/电压互感器，在中部(Chubu)电力公司的配电网中安装，经过长期户外运行试验，满足JEC1201—1985标准，已在1989年末通过试验鉴定。此组合式光学零序电流/电压互感器可挂在电线杆上运行，重量约3.5kg。他们还把这种光电电流互感器放在7.7kV的配电网中，根据电流的流向，确定电网中的故障点。日立公司和东芝公司对用于GIS的光学CT/PT都进行了大量的研究，并长期进行试验，其运行良好。

1991年9月22～27日在美国德克萨斯州Dallas会议中心，由IEEE电机工程学会主办的输变电会议上，3M公司的IEEE会员T.W.MacDougall等三人以“用于电力系统的光纤电流互感器的研制”为题介绍全光纤电流互感器，“描述了产生高稳定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”，还介绍了理论上的限制与初步特性曲线和数据。

我国研究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。国内在许多基础性的研究方面，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做更进一步和更长期的实验室和现场考验。

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试验和商品化。1994年ABB公司推出有源式光电式电流互感器。其电压等级为72.5～765kV，额定电流为600～6 000A。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，据称也可用于500kV电压等级。Photonics公司最近推出了一种用光供能的光电式电流互感器，称之为“混合式光电电流互感器”，它们曾于1995年至1997年期间在美国、瑞典、芬兰等国超高压电网上试运行。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。德国著名的专业互感器公司Ritz公司也在和德国的大学联合开发无源式及有源式光电电流互感器及光电电压互感器。此外，日本的一些电气公司把光电电流互感器用于抽水蓄能电站电流的测量，电流范围为8 000～35 000A，频率范围为1/60～150Hz，还有很多用于高压线电线故障测量的研究文章。

4 光电式电流互感器的结构

光电式电流互感器发展到本世纪末，其原理与结构普遍集中到有源型、无源型及全光纤型3类，现分述如下。

4.1 有源型

所谓有源型光电电流互感器乃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而变成光信号，再由光纤传递到低电位侧，进行逆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、电池供电方式以及超声电源供电方

式。其方框图如图1所示。

图1 有源型光电互感器方框图

有源型是较早期的结构，其优点是结构简单，长期稳定性较好，在现代电子器件可靠性高、性能稳定的条件下易于实现精度高、输出大的实用性产品。其缺点是取样信号顶部结构较复杂。

4.2 无源型

所谓无源型光电电流互感器乃是传感头部分不需要供电电源。传感头一般用法拉第磁光效应原理制成，处于地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地电位侧，经光—电变换后放大输出。其方框图如图2所示。

图2 无源型光电互感器方框图

无源型结构是近年来较为盛行的，其优点是结构简单，且完全消除了传统的电磁感应元件，无磁饱和问题，充分发挥了光电互感器的特点，尤其是高压侧无电源电子器件，无温度稳定性问题，互感器运行寿命容易保证。其缺点是光学器件制造难度大，测量的高精度难以做到，且长期稳定性还存在问题。

4.3 全光纤型

全光纤型光电电流互感器实际也是无源型，只是传感头即是光纤本身制成，其余与无源型完全一样。其方框图如图3所示。

图3 全光纤型光电互感器方框图

全光纤型光电电流互感器的优点是传感头结构最简单，比无源型易于制造，精度及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特殊，要做出有高稳定性的光纤很困难，且造价昂贵。

以上三种类型的光电式电流互感器，它们的输出信号是数字和模拟共存的，并且根据用途与被测量的要求设定输出路数。例如，我们正在研制的混合式光电电流互感器，有四个物理量输出：计量电流、继电保护电流、传感头温度及高压侧供电电压监测，同时这四个物理量既有模拟信号又有数字信号。

另外，光电式电流互感器的电磁兼容性能也是一个很重要的指标。为了评定OCT的电磁兼容性，必须要建立起发射性和抗干扰的适当限值。对发射性要求，要考虑无线电干扰电压试验和传输过电压所包含的发射性要求和限值；抗干扰要求主要考虑以下几方面：谐波和中间谐波、缓慢电压变化、电压跌落和短时遮断、抗冲击、电气快瞬变/突变、抗振荡波、静电放电、抗工频磁场、抗冲击磁场、抗阻尼振荡磁场和抗无线电频率发射电磁场，具体的评价标准考核指标可参见IEC 60044-8(1998草稿)的6.1.5表6。

5 光电式电流互感器的研究课题

21世纪将使光电互感器推向工业运行。为达此目的，要解决的几个重点课题如下。

5.1 减小磁光材料双折射效应对光电电流互感器测量精度的影响

由于磁光材料的双折射效应，使射入磁光介质的线性偏振光变为椭圆偏振光。其结果是：从检偏器输出的光强度变化与被测电流不成正比，使光电式电流互感器的灵敏度不稳定，从而降低了光电式电流互感器的测量精度。

磁光材料中的双折射可分为3类：

(1)与玻璃的制造过程的热历史有关的双折射；

(2)由于环境温度变化引起的暂态双折射；

(3)传感头组装引起的组装应力双折射。

为了提高光电式电流互感器测量精度，应该对各种产生双折射效应的途径进行具体的研究，并找到降低其影响的办法。

5.2 减小温度变化对光电式电流互感器测量精确度的影响

互感器传感头部温度的变化可高达100℃。温度的变化将引起磁光材料的双折射Verdet常数的变化，还会引起磁光材料中的应力双折射效应。温度的变化还将引起发光管(LD或LED)发光波长的变化，而Verdet常数要随光波波长的变化而变化。

为了提高光电式电流互感器测量精度，应该对各种造成传感器头部温度变化的过程进行分析，并研究减小其影响的办法。

5.3 光电式电流互感器长期稳定性的研究

磁光玻璃的Verdet常数、LED或LD以及PIN的灵敏度、电子产品的标称数值可能会随时间而变化，都可能受到外界气候条件的影响，因此必须对其进行长期稳定性的研究及现场试验。

6 市场前景

光电式电流互感器与电磁式电流互感器相比，有很多突出的优点，是电磁式电流互感器的较为理想的换代产品。预计在未来的五到十年中，光电式电流互感器会在各种电压等级的电网中大量安装和使用。除了在电网中安装和使用外，光电式电流互感器还可用于一些其他场合：

(1)便携式的光电式电流互感器：因为光电式电流互感器很轻，并可做成类似钳形表式的结构，可易于搬动，用于测量高压电网中不同地点的电流。

(2)测量高频电流：因为光电式电流互感器的频带很宽，可用于测量高频电流。例如测量高频淬火炉中频率为几十到几百千周的电流。测量出这个电流，就可对高频淬火炉进行有效的反馈控制，以保证淬火质量。这是一项很新的技术，具有很大的市场前景。

作者简介：安作平(1940-)，男，湖南新化人，沈阳沈变互感器制造有限公司总工程师，从事互感器设计与研究。

罗承沐(1937-)，男，四川巫山人，清华大学电机工程系教授，从事高电压技术研究。

作者单位：乔峨(沈阳沈变互感器制造有限公司， 辽宁 沈阳 110135)

安作平(沈阳沈变互感器制造有限公司， 辽宁 沈阳 110135)

罗承沐(清华大学电机工程系，王廷云(清华大学电机工程系，北京 100084)

北京 100084)